调谐式无功补偿装置的选型计算

精品文档 1欢迎下载1欢迎下载 调谐式无功补偿装置的选型计算调谐式无功补偿装置的选型计算 何钦 武汉市政工程设计研究院有限责任公司 湖北武汉 430023 摘摘 要 要 在电网谐波污染日趋严重的今天 如何安全 有效的对电力系统进行无功补偿已 经成为一个突出的问题 本文分析了配置调谐式无功补偿装置的必要性 并对其选型的计 算方法进行了讨论 关键词 关键词 调谐式无功补偿装置 谐波 选型 1 1 概述概述 无功功率补偿装置在电力系统中所承 担的作用是提高电网的功率因数 降低供 电变压器及输送线路的损耗 提高供电效 率和改善供电质量等 所以无功功率补偿 装置在电力配电系统中处在一个不可或缺 的重要位置 电力系统进行无功补偿的传 统方式为直接在母线或线路上并联电力电 容器 通过合理的选择电容器的容量 这 种方式可以满足电力系统对于补偿后功率 因数的要求 而且这种方法电气设备数量 较少 接线明了 应用相当的广泛 但是 随着科技的快速发展和人民生 活水平的提高 大量非线性 换流 整流 型 铁芯类的用电设备开始被使用 大到 冶金化工行业 电气化铁路所用到的大型 整流 换流设备 小到生产加工中经常使 用到的电弧炉和生活中的一些家用电器 甚至照明灯具等 这些电气设备都会产生 大量的谐波电流 并最终注入电网 谐波 滤波及无功补偿已经成为绝大部分电力用 户关注和需要解决的突出问题 在这种谐波污染较为严重的电网内 如果继续采用单纯的并联电容器来进行无 功补偿的方式 就会存在较大的风险 原 因如下 一是由于并联电容器组的容性阻 抗特性 以及阻抗与频率成反比的特性 使得它容易吸收谐波电流 通过谐波电压 与基波电压的峰值叠加 对谐波有着明显 的放大作用 使得流经电容器的电流有效 值增大 造成其温度升高 减少使用寿命 甚至永久损坏 二是 如果电容器的容性 阻抗与系统中的感性阻抗相匹配时 就会 容易发生串联谐振或并联谐振 使得电力 系统电压及电流的畸变更加严重 轻者会 降低电气设备的使用寿命和性能 重者则 会导致继电保护装置误动作 影响系统的 稳定运行 造成不必要的损失 本文中所讨论的调谐型无功补偿装置 是指采用在电容器之前串联电抗器的方法 使该补偿回路的调谐频率低于电网中所存 在的最低次谐波的频率 这样 该装置在 工频时呈容性 可以改善功率因数 在谐 波频率时呈感性 可以防止谐波放大 避 免谐振的发生 2 2 适用范围适用范围 在现代工业与民用建筑的电网中完全 没有谐波源是不可能的 那是不是所有的 场合都需要采用调谐式无功补偿装置呢 当然不是这样 是否需要配置调谐式无功补偿装置 最科学的分析方法是实地检测或者通过适 当的计算机软件来模拟配电系统的运行情 况 对各种运行工况下系统和电容器的谐 波电流与基波电流值进行检测 如果可以 满足在各种工况下都可以避免谐振的产生 同时各次谐波的含有率在规范所允许的范 围内 并且电容器的工作电流在正常范围 内 那么就只需安装纯电容器的无功补偿 装置 否则 就应该安装调谐式无功补偿 装置 这种方法在工程设计中 对于基础资 料齐全的改造工程 还有一定的可取性 但是对于多数的新建工程而言 这种方法 是不现实的 一是设计人员一般没有这类 的计算机软件 无法完成系统的模拟运行 工作 二是电力系统运行时的动态性 波 动性和不确定性 使得模拟所得的监测数 精品文档 2欢迎下载2欢迎下载 据不一定齐全和可靠 如果采用了错误的 数据 盲目地使用了纯电容器的无功补偿 装置 还会适得其反 根据施耐德公司的研究成果和工程经 验 对是否应该采用调谐式无功补偿装置 的计算依据进行了简化 假设变压器视在 功率为 其所接的用电负荷中谐波源设 n S 备的视在功率为 当50 25 时 h G n h S G 建议使用调谐型无功补偿装置 当 15 时 可采用过谐式或者调谐式 n h S G 无功补偿装置 当 50 时 就必须在此 n h S G 谐波源接入电网处采用单独的滤波装置 这种估算方法已经被大量的使用在各类工 程中 简单可靠 并且具有一定的参考价 值 对于水处理行业而言 随着变频调速 技术的普及使用 由变频器所产生的谐波 电流对电网的影响也不可小觑 以一般的 泵站为例 3台210kW潜水泵 两用一备 变频运行 变压器容量为630kVA 计算得 出 33 3 符合安装调谐式无功 n h S G 630 210 补偿装置的条件 那么如何进行调谐式无功补偿装置中 电抗器还有电容器的参数选择呢 下面本 文就对其参数选型和计算方法进行阐述 3 3 选型计算选型计算 3 13 1回路分析回路分析 调谐式无功补偿装置回路分析如下图 所示 其中 电网电压为 回路中无功 n U 电流为I 电抗器的阻抗为 电抗器两端 L Z 电压为 电容器的阻抗为 LL ZIU C Z 电容器两端电压为 由于电抗和电容的 C U 阻抗特性 电抗器的端电压与电容器的端 电压方向相反 则该回路的无功电流 式式 33 LC n R n ZZ U Z U I 1 1 回路实际的无功补偿容量为 式式 LC n R n ZZ U Z U Q 22 2 2 电容器的实际工作电压为 式式 LnLnc ZIUUUU 3 3 3 图图1 1 调谐式无功补偿回路分析调谐式无功补偿回路分析 由以上分析可知 调谐式无功补偿装 置中的电容器与没有串联电抗器之前相比 电容器的工作电压变高 电容器的设计容 量变大 3 23 2选型方法选型方法 选择调谐式无功补偿装置应首先了解 以下条件 电网的额定电压 需要补偿的 容量和电网内主要谐波源的谐波次数 本文主要讨论的是低压配电系统的调 谐式无功补偿装置 所以电网的额定电压 取0 4kV 而需要补偿的容量根据具体工程 中的补偿前功率因数和补偿后要求的功率 因数值而计算得来 kvar 式中为计算 21 tgtgPQ c c P 负荷 tg为补偿前计算负荷功率因数的 1 正切值 tg为补偿后功率因数的正切值 2 精品文档 3欢迎下载3欢迎下载 至于电网内的主要谐波源的谐波次数 对 于水处理行业而言 主要的谐波源就是电 网 变压器和变频器等 所产生的主要谐 波类型有3次和5次谐波 有了以上的基础 资料之后 就可以进行下一步的参数选型 和计算 3 2 13 2 1电抗率的选取电抗率的选取 为了从根本上避免谐振的产生 所选 择的调谐型无功补偿装置必须满足该补偿 回路的调谐频率 低于 r f CL fr 2 1 电网内主要含有的最低次谐波的频率 而 且调谐频率与电抗率K是相互关联的 电 r f 抗率K的定义是工频条件下电抗器感抗与电 容器容抗的比值 即电抗率K C L Z Z C L 1 CL 2 CL 2 502 2 2 2 1 50 CL 2 50 r f 则有调谐频率 r f K 50 同时由于调谐次数n 即K 50 r f 2 1 n 由以上公式可知 只要知道调谐频率 或者调谐次数n均可以确定调谐式无功补 r f 偿装置的电抗率 如果电网中主要含有3次 5次及以上 谐波 则调谐频率需低于3次谐波频率 r f 50电网中3次谐波频率为150 电 Z H Z H 网中主要含有5次 7次及以上谐波 则调 谐频率需低于5次谐波频率 50电网 r f Z H 中5次谐波频率为250 Z H 根据 GB50227 95 并联电容器装置设 计规范 对于调谐式无功补偿装置的电抗 率K的规定 当并联电容器装置接入处的 背景谐波为5次及以上时 宜取4 4 6 当并联电容器装置接入电网处的背景谐波 为3次及以上时 宜取12 电网中的一般情况是 5次谐波最大 7次次之 3次较小 因此在工程中 选用 K 4 4 6 的电抗器较多 国际上也通常采 用 配置6 的电抗器对于抑制5次谐波的效 果好 但有明显的放大3次谐波的作用 它 的谐振点 204 远离5次谐波的频率 Z H 250 裕量较大 配置4 4 的电抗 Z H 器对3次谐波放大轻微 因此在抑制5次及 以上谐波 同时又兼顾减小对3次谐波的放 大 在这种情况下是适宜的 但它的谐振 点 235 与5次谐波的频率间距较小 Z H 工程中一般采取在4 4 6 中选取一个点 来确定电抗率 比如施耐德公司在5次谐波 为主的电网环境中 标准配置就是选用电 抗率为5 4 的电抗器 其谐振点在 215 当系统中背景谐波为3次及以上时 Z H 应配置电抗率为12 的电抗器 由于近年 来不少3次谐波源的电气设备不断增多 使 系统的3次谐波不断增大 尤其是楼宇 冶 金行业这个现象不能忽视 总之选择串联电抗器的电抗率的原则 一定要根据系统背景谐波含量来综合考虑 进而确定 3 2 23 2 2电容器的选取电容器的选取 选择电容器的参数主要是要确定电容 器的设计电压和设计容量 C U C Q 由式1可得 电容器的运行电流 1 3 33KZ U ZZ U Z U I C n LC n R n 式式 4 4 则电容器的运行电压 Cg ZIU 3 式式5 5 K Un 1 此处计算得出电容器的运行电压为 g U 精品文档 4欢迎下载4欢迎下载 电容器最低的设计电压 因此调谐式无功 补偿装置中电容器的设计电压应不小于 C U 即 g U 系统额定电压运行电压设计电压 ngC UUU 设电容器的实际补偿容量为Q 设计容 量为 则有 C Q 由式2可得 回路实际补偿容量Q R n Z U 2 LC n ZZ U 2 1 2 KZ U C n 即 C Z 1 2 KQ Un 所以电容器的设计容量 C Q C C Z U 2 式式6 6 2 2 1 n C U KQU 3 2 33 2 3电抗器的选取电抗器的选取 选择电抗器的参数主要是要确定电抗 器的电感值L和基波耐流值 已知电抗器 l I 的电抗率为K 又由于K 则有 C L Z Z C Z L 电抗器的电感值 1 2 KQ KUKZ L nC 式式7 7 电抗器的基波耐流值 nC n l U Q KZ U II 3 1 3 式式8 8 3 33 3计算实例计算实例 例 已知电网电压 所需单VUn400 组无功补偿容量为Q 50kvar 电网中主要 含有3次 5次及以上谐波 请确定调谐式 无功补偿的方案 第一步 确定电抗率第一步 确定电抗率K K 由于电网中主要含有3次 5次及以上 谐波 对应的电抗率K应选择12 第二步 选择电容器第二步 选择电容器 1 由式5可得 电容器的运行电压 454 5V 故 Cg ZIU 3 K Un 112 01 400 选择额定电压 480V的电容器 C U 2 由式6可得 电容器的设计容量 C Q C C Z U 2 2 2 1 n C U KQU 2 2 400 12 01 50480 63 4kvar 取64kvar 第三步 选择电抗器第三步 选择电抗器 1 由式7可得 电抗器的电感值 1 2 KQ KUKZ L nC 1 39mH 12 0 1 50502 12 0 400 2 2 由式8可得 电抗器的基波耐流值 nC n l U Q KZ U II 3 1 3 4003 1050 3 72A 由上述计算结果可知 应选择的调谐 式无功补偿方案为 480V 64kvar C U C Q 的电容器和L 1 39mH 72A的电抗器 l I 此方案的实际单组无功补偿容量为 Q 50 5kvar 补偿回路自身的调谐频率 144 3 3x50 150 满足补偿 r f Z H Z H Z H 要求 4 4 结语结语 调谐式无功功率补偿装置与纯电容补 偿方式相比 增加了电抗器这一元器件 使补偿回路在实现无功补偿 满足系统对 功率因数要求的同时 通过改变补偿装置 回路的调谐频率 使其低于电网内最低次 谐波电压的谐振频率 从而从根本上避免 电容器与谐波电压发生谐振的可能 对于 保障电力系统的安全运行 减少由于谐波 电流叠加在基波电流上所造成的线损增大 和改善电网的电压质量有着重要的作用 但是需要指出的是 如果设备参数选 择不当 比如调谐式无功功率补偿装置的 电抗率过大或过小 电容器额定电压过小 精品文档 5欢迎下载5欢迎下载 等 不但达不到避免谐振的目的 往往还 会适得其反 不仅会增加谐振发生的可能 性 而且还可能对电容器造成永久的损坏 所以在选择调谐式无功功率补偿装置的时 候 应该对电网内的谐波源进行充分的了 解 分析主要的谐波电压次数 并对所选 择的设备参数 特别是电抗率和电容器的 额定电压 进行仔细的计算 在进行设计工作时 如果不知道电力 系统中将会接入什么类型的谐波源 或者 不能确定谐波源的主要高次谐波的次数 通常较合理的作法是采用额定电压高于系 统电压 例如在400V系统采用480V电容器 的电容器组 这样在将来如过接入了会产 生含有率较多的高次谐波的负载时 也仅 需增设电抗器而不须更换电容器组 参考文献 1 工业与民用配电设计手册 第三版 M 北京 中国电力出版社2005 2 GB50227 95 并联电容器装置设计规范 S 作者简介 何钦 1984 男 湖北汉川人 大学本科学历 2005年参加工作 助理工 程师 目前在武汉市政工程设计研究院有 限责任公司从事电气设计工作 联系电话E mail zai dd 通讯地址 武汉 市江汉区常青路40号东501 邮政编码 430023 电话传真 027 85629124 精品文档 6欢迎下载6欢迎下载 Tuning fr