水(shuǐ)泥廠選用(yòng)低壓電容器與櫃的(de)設計選型

在正常情況下(xià), 用(yòng)電設備不但要從電源取得(de)有功功率, 同時(shí)還(hái)需要從電源取得(de)無功功率。如果電網中的(de)無功功率供不應求, 用(yòng)電設備就沒有足夠的(de)無功功率來(lái)建立正常的(de)電磁場(chǎng), 在額定情況下(xià), 用(yòng)電設備的(de)端電壓就會下(xià)降, 從而影(yǐng)響用(yòng)電設備的(de)正常運行。發電機和(hé)高(gāo)壓輸電線供給的(de)無功功率, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了(le)負荷的(de)需要, 所以在電網中要設置一些無功補償裝置來(lái)補充無功功率, 以保證用(yòng)戶對(duì)無功功率的(de)需要, 使用(yòng)電設備在額定電壓下(xià)正常工作。無功功率對(duì)供、用(yòng)電産生的(de)不良影(yǐng)響主要表現在:

(1) 降低發電機有功功率的(de)輸出。

(2) 降低輸、變電設備的(de)供電能力。

(3) 造成線路電壓損失增大(dà)和(hé)電能損耗增加。

(4) 造成低功率因數運行和(hé)電壓下(xià)降, 使電氣設備容量得(de)不到充分(fēn)發揮。

目前水(shuǐ)泥廠無功補償的(de)方式主要有高(gāo)壓集中補償、低壓集中補償、高(gāo)壓電機機旁補償。本文重點討(tǎo)論低壓集中補償在設計選型中的(de)一些問題。

近幾年, 随著(zhe)變頻(pín)器設備、開關電源、氣體放電等各種非線性設備的(de)大(dà)量使用(yòng), 電容器裝置運行環境日益惡化(huà), 我公司在埃及、馬來(lái)西亞等項目中低壓補償出現較多(duō)問題。在國内我們過去設計的(de)水(shuǐ)泥廠低壓電容器的(de)故障率也(yě)是較高(gāo)的(de), 這(zhè)主要是由于我們對(duì)電容器櫃内的(de)元件選型認識不足, 特别是串聯電抗器和(hé)電容器的(de)投入都會影(yǐng)響電容器端的(de)電壓。

低壓并聯電容器裝置的(de)三種接線方式分(fēn)别是三角形接線、帶中性點的(de)星形接線和(hé)不帶中性線的(de)星形接線。

三角形接線方式對(duì)3次及3的(de)整數倍諧波不形成通(tōng)路, 不受背景諧波中3次諧波的(de)影(yǐng)響。此接線隻能進行三相共補, 不能進行分(fēn)相補償。

帶中性線的(de)星形接線, 其引出中性線爲3次諧波流動提供路徑。考慮3 次諧波流過電容器, 爲避免發生3次諧振而造成電容器過載, 常采用(yòng)提高(gāo)串聯電抗器的(de)電抗率措施, 這(zhè)會導緻投資增加。該接線方式的(de)優點是, 不僅能進行三相共補, 也(yě)能進行分(fēn)相補償。

不帶中性線的(de)星形接線對(duì)3次諧波也(yě)不形成通(tōng)路, 不受外部3 次諧波的(de)影(yǐng)響, 隻能進行三相共補, 不能進行分(fēn)相補償。該接線方式的(de)缺點是, 當某一相電容器發生故障擊穿形成短路後, 剩餘兩相因承受線電壓而同時(shí)損壞;或者三相電容器因自身電容誤差會導緻該接線的(de)中性點漂移, 使某一相電容器承受電壓超過額定值而損壞。

綜上所述, 在水(shuǐ)泥廠的(de)工程設計中, 三相負荷基本平衡, 無需分(fēn)相補償, 隻需三相共補, 因此隻需要三角形接線方式, 自動投切控制器隻需檢測一相負荷電流即可(kě)。

目前常用(yòng)的(de)低壓并聯電容器投切裝置主要有兩種, 電容器投切專用(yòng)接觸器和(hé)可(kě)控矽開關。

與普通(tōng)交流接觸器相比, 電容器投切專用(yòng)接觸器可(kě)以降低投切時(shí)的(de)湧流和(hé)過電壓, 無壓降、控制簡單、成本低。缺點是不能夠完全抑制投切時(shí)産生的(de)湧流和(hé)過電壓, 關斷時(shí)産生拉弧, 造成接觸器壽命變短。

可(kě)控矽投切開關利用(yòng)電子開關反應速度快(kuài)的(de)特點是在電壓過零點導通(tōng), 實現無湧流投入;在電流過零點關斷, 不會産生拉弧;無觸點, 使用(yòng)壽命長(cháng)。缺點是可(kě)控矽在導通(tōng)運行時(shí), 可(kě)控矽結間會産生大(dà)約0.7V的(de)壓降, 通(tōng)常30kvar三角形接線的(de)電容器額定電流爲46A, 則一個(gè)可(kě)控矽所消耗功率約爲32W。同時(shí)可(kě)控矽裝置自身會産生諧波, 關斷期間還(hái)會産生電流洩漏, 使用(yòng)成本也(yě)較高(gāo)。

對(duì)于負荷變化(huà)快(kuài)、用(yòng)電設備對(duì)電壓質量要求較高(gāo)的(de)場(chǎng)合, 建議(yì)選用(yòng)可(kě)控矽開關作爲投切裝置。對(duì)于水(shuǐ)泥廠來(lái)說設備一旦運行, 無功的(de)需求相對(duì)穩定, 所以水(shuǐ)泥廠電容器的(de)投切建議(yì)選用(yòng)專用(yòng)接觸器投切, 但接觸器的(de)容量要适當加大(dà)。

選擇電容器時(shí), 一般要考慮電壓、電網諧波、補償容量及電容器保護等因素。

電容器的(de)容量與運行電壓平方成反比, 選擇電容器額定電壓應從實際電容器容量和(hé)其耐壓能力來(lái)考慮。電容器額定電壓至少等于接入電網的(de)運行電壓, 同時(shí)還(hái)要考慮接入後電網電壓升高(gāo)、電網諧波電壓的(de)存在使電壓升高(gāo)以及爲降低諧波影(yǐng)響而串聯電抗器後的(de)電容器端子上電壓升高(gāo)。

并聯電容器接入電網後, 導緻母線運行電壓升高(gāo), 此值可(kě)由式 (1) 計算(suàn):

式中:

ΔU——母線電壓升高(gāo)值, kV

U_SO——并聯電容器裝置投入前的(de)母線電壓, kV

S——母線三相短路容量, MVA

Q——母線上所有運行的(de)電容器容量, Mvar

串聯電抗器後, 電容器端子上電壓升高(gāo), 其值可(kě)按照(zhào)公式 (2) 計算(suàn):

式中:

U_C——電容器運行電壓, kV

U_S——并聯電容器裝置的(de)母線運行電壓, kV

K——電抗率

A——接線系數, 星形接線取, 三角形取1

舉例說明(míng), 一台300kvar并聯電容器裝置, 串聯電抗率7% (目前設計采用(yòng)的(de)經驗值) , 投入前母線電壓爲0.4kV, 母線短路容量爲20MVA, 根據公式 (1) 可(kě)得(de)母線電壓升高(gāo)值:

由式 (2) 可(kě)得(de)電容器端子上所加電壓爲:

考慮諧波存在會使電壓升得(de)更高(gāo), 可(kě)選額定電壓480V的(de)電容器。

非線性用(yòng)電設備的(de)廣泛應用(yòng) (如電動機調速設備、整流設備、電弧爐、磁飽和(hé)變壓器、照(zhào)明(míng)控制系統、辦公自動化(huà)設備、開關電源、不間斷電源、電子鎮流器、電焊設備、電子控制機構等) , 使電力系統存在許多(duō)諧波源。如果直接接入并聯電容器, 電容器是容性阻抗, 并且阻抗和(hé)頻(pín)率成反比, 因此電容器容易吸收諧波電流引起過載發熱(rè)。另外, 由于回路參數的(de)變化(huà), 使得(de)容性阻抗與感性阻抗相等時(shí)容易産生諧波諧振, 在串聯諧振時(shí)一個(gè)小的(de)諧振電壓就可(kě)産生較大(dà)的(de)諧波電流, 增加電容器發熱(rè), 導緻絕緣擊穿事故。基波電壓和(hé)諧波電壓疊加, 會增加局部放電次數, 降低電容器壽命。

爲了(le)抑制諧波, 在電容器裝置中宜串聯電抗, 通(tōng)過選擇電容、電抗參數避開諧振點。等效電路如圖1 所示。

當LC串聯回路阻抗Z=X_L-X_C=0 時(shí)會發生諧振, 因此諧波條件下(xià):

式中:

K——電抗率

f——諧波頻(pín)率

f_n——基波頻(pín)率LC

對(duì)諧波源來(lái)講LC串聯回路應保持感性。根據上述公式可(kě)知, 當抑制3 次諧波時(shí)串聯電抗率K取12%~13%;當抑制5 次諧波時(shí)取4.5%~7%;當抑制7 次諧波時(shí)取3%;當抑制9次諧波時(shí)取2%。串聯LC回路的(de)諧振頻(pín)率必須低于系統出現的(de)最低次的(de)諧波頻(pín)率。因爲這(zhè)時(shí)串聯LC回路可(kě)能出現的(de)諧波頻(pín)率均高(gāo)于諧振頻(pín)率, 回路爲感性, 不可(kě)能再激活任何諧振;如果LC回路諧振頻(pín)率高(gāo)于任何可(kě)能出現的(de)諧振頻(pín)率, 回路爲容性, 與感性負載又可(kě)能産生諧振回路。

另外, 串聯電抗可(kě)有效抑制電容器投入電網時(shí)産生的(de)湧流, 防止和(hé)減輕開斷電容器組時(shí)發生的(de)重燃。

串聯電抗後, 在串聯電抗器上存在一個(gè)電壓降, 導緻電容器的(de)基波電壓升高(gāo), 電抗率越高(gāo), 電壓增加越大(dà)。實際加在電容器上的(de)電壓:

式中:

U_C——電容器實際電壓

U_n——系統标稱電壓

無功功率輸出量:

式中:

Q_C——選擇電壓下(xià)應輸出的(de)無功補償容量

Q_n——标稱電壓下(xià)标稱無功補償容量

比如, 系統标稱電壓400V, 電容器标稱容量30kvar, 電容器裝置配6%的(de)電抗器, 則電容器的(de)實際電壓:

因此選用(yòng)440V電容器。

選擇電壓下(xià)應輸出的(de)無功:

在選擇接線方式、投切裝置、電容器及電抗器的(de)參數時(shí), 需要綜合考慮他(tā)們之間的(de)關系, 而這(zhè)僅是低壓并聯電容器裝置設計需要考慮的(de)部分(fēn)因素, 還(hái)要結合其他(tā)相關因素來(lái)考慮, 如自動投切的(de)步數、控制器的(de)性能、保護措施及保護設備的(de)性能等。