低压自动无功补偿装置的设计应用

陈远辉

（1.广东省现代农业装备研究所，广东广州 510630；2.广州市金王机械设备有限公司，广东广州 510700）

0 引言

某单位1#和2#机加工车间是相邻的两间厂房，中间区域布置低压配电柜向两侧车间的机床供电，因此可以最大限度地缩短从低压配电柜向两个车间的供电距离。

厂区里几个公司均靠同一变电站10/0.4 kV 配电变压器供电，1#和2#机加工车间与变电站相距500 m 左右，设计安装的并联电容补偿装置的负荷及供电位置示意如图1 所示。在没有装设电容补偿装置前，在机加工车间正常工作时段对功率因数及电压进行实际测量，从低压配电柜输出的电压明显偏低，实际测量的线电压通常在332～348 V，功率因数cosφ 在0.5～0.6，直接导致车间内平面磨床的充退磁控制装置因为触发低电压保护而频繁跳闸停机。

图1 机加工车间供电示意

通过分析发现，机加工机床的工作过程几乎都是通过三相异步电机做功实现的，在配电系统消耗的无功功率中，异步电机约占70%，变压器约占20%，线路约占10%[1]。因此两个机加工车间工作时存在大量的感性动力负荷，由于电力网络中的电能损失与功率因数值的平方成反比，导致网络电力损耗增加。功率因数过低，又导致供电线路的电压急剧下降，使得用电设备的运行条件恶化[2]。为了提高低压配电柜的输出电压，提高用电功率因数及减少输电线路损耗，必须在车间低压配电系统中增加无功补偿装置。

1 无功补偿装置类型及系统组成

1.1 无功补偿装置类型比较

无功补偿装置也可称无功电源，主要类型有：

（1）同步发电机。工作时既产生有功功率，也输出无功功率。

（2）同步电动机。同步电动机运行时不吸收无功功率，超前运行时则输出无功功率。

（3）同步调相机。构造上与同步发电机相似，由于其维护等方面比较复杂，目前基本上已淘汰。

（4）并联电容补偿装置。是目前电力用户采用无功补偿的主要方式，适用于110 kV 及以下的电压等级。

（5）静补装置和串联补偿装置。静止补偿器发出的无功可在感性和容性之间调节，目前在光伏发电中有应用，串联补偿主要用在长距离的高压输电线路中。

（6）并联电抗补偿装置。一般应用在220 kV 以上的电网中。

综合以上分析，需要设计一台低压（380 V）并联电容无功补偿装置与低压配电柜配套使用。

1.2 并联电容补偿装置系统组成

1.2.1 装设位置

在电力系统中，并联电容器的补偿方式主要有三种：高压集中补偿、低压集中补偿和分散就地补偿。高压侧补偿电容器一般采用星形接法，低压侧补偿电容器一般为三角形接法，如图2 所示。

图2 并联电容器无功补偿装设位置

设计给机加工车间低压配电柜配套的无功补偿装置属于图2 中最末段的分散就地补偿方式，它具有补偿范围大、效果好的优点，主要应用于负荷平稳、设备长期运转的场合。

1.2.2 系统构成

低压自动无功补偿装置系统框图如图3 所示，通过控制器的输入端检测到车间低压配电柜进线端三相电压和线电流后，送入中央处理器CPU 进行计算处理，根据目标功率因数自动接通投切开关，完成对并联电容器组的自动投切，同时可将电压、电流、频率、补偿后的功率因数等数据上传至上位机。

图3 低压自动无功补偿系统框图

2 并联电容装置补偿容量计算

根据车间内最大使用负荷Pc，无功补偿前的功率因数cosφ1，cosφ2为要求补偿后达到的功率因数。补偿电容容量由计算式Q=Pc（tanφ1-tanφ2）确定[1]，为简化计算，将公式作如下推导：

由于补偿前车间的电压和功率因数明显偏低，补偿电容可以按式（1）最大负荷的补偿容量进行计算，将补偿前的功率因数cosφ1=0.5 及要求补偿后需要达到的功率因数cosφ2=0.9 代入式（1）进行计算，补偿容量计算值为Q。

无功补偿容量选用电容器的总容量为125 kvar，把电容器分为5 个回路，选择电容器的额定电压为450 V 的自愈式低压并联电容器，容量分别为30 kvar（2 个），25 kvar（2 个），15 kvar（1 个）。

3 并联电容补偿装置电气接线

3.1 无功补偿装置主电路

并联电容器各分组回路可采用直接接入母线、并经总回路接入变压器的接线方式，也可以采用设置电容器专用母线的接线方式[3]。此处设计的并联电容器补偿装置属于车间现场的分散就地补偿方式，补偿电容屏母线排电源从车间低压配电柜的总进线端母线引入。补偿电容屏主电路构成如图4 所示，主要电气元件包括隔离开关QS、电流互感器TA、避雷器FV、接地开关OG、断路器QF、接触器KM、电抗器L 及并联电容器组C。

图4 补偿电容屏主电路原理

电路中各元件的主要作用：①隔离开关QS：设备检修时用来隔离有电和无电部分，断开电路时有明显的断开点，隔离开关严禁作为负荷开关使用，应与断路器配合使用；②电流互感器TA：检测无功补偿电容屏的电流；③断路器QF：对电容器进行短路及过电流保护；④接地开关OG：仅检修时合上开关接地，保护人身安全，正常工作时开关应该断开；⑤避雷器FV：对电路的过电压进行保护；⑥接触器KM：对各个回路的电容器作频繁投切动作的开关器件；⑦电抗器L：限制电容器的涌流及抑制电网中的谐波，提高电能质量。

3.2 自动无功补偿装置控制电路

功率因数控制器的接线原理如图5 所示，它能够根据设置的功率因数阈值，对5 个回路的电容器进行自动循环投切，其采样电流必须是机加工车间低压配电柜的总进线端电流，采样电压和电流不同相位，相关数据可通过通信接口上传至上位机监控。

图5 功率因数控制器接线原理

3.3 电容补偿柜的自动投切运行

用于无功补偿的并联电容器总容量为125 kvar，共分为5个回路，5 个电容器并联按容量排列依次为30 kvar、30 kvar、25 kvar、25 kvar、15 kvar，图5 中的KM1～KM5 是分别对应这5 个电容器的投切开关。

并联电容器投切开关按KM1～KM5 顺序依次投入运行，当检测到功率因数滞后（感性）且小于0.85 时，并联电容器依次投入运行，当检测到功率因数滞后（感性）且大于0.94 时或检测到功率因数超前（容性）时，将并联电容器依次切除，为防止由于负荷的波动造成投切开关的频繁通断，进而产生投切振荡，需设置一段延时时间（建议不少于15 s），如果触发投切事件后在设定的延时段内又进入非投切事件，则取消此次投切动作。

3.4 经济效益分析

两个机加工车间在并联电容补偿装置投入前功率因数和电压偏低，补偿前电流380 A；补偿后功率因数增至0.9 以上，低压配电柜输出电压380 V、电流210 A，从变电站到车间低压配电柜架空线路上减少的功率损失ΔP=3×ΔI2×R=3×（380-210）2×0.07=6069 W=6.07 kW，厂区内电价约1 元/kW·h，电容补偿装置投资为每千瓦约60 元，计算投资收回天数为51 d，此低压并联电容补装置运行51 个工作日后即可收回投资成本。

4 结语

整套自动无功补偿装置自2018 年2 月投入运行以来，期间除了进行正常的维护保养外，运行至今一直处于正常工作状态。补偿装置在与车间低压配电柜配套运行后，实际测量的功率因数均达到0.9 以上水平，低压配电柜的输出电压均保持在三相380 V 以上，彻底消除了此前的机床设备由于低压保护所造成的频繁跳闸故障，改善了电压质量，同时由于电压的提升，使输电线路上的电流减小，减少了厂区内输电线路上的有功功率损耗，此方法投资少、见效快，既保证了车间内设备安全可靠运行，又可以使企业节省电耗，取得了良好的社会效益和经济效益。