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浅谈实践中(船厂)无功补偿及谐波治理装置选用关键点及维护保养2014-02-1111:10:55作者：刘军来源：中国设计师网无功补偿装置在电力系统中有尤为重要的作用，可以提高电网的功率因数、可以降低电网的运行电流、可以降低导线及变压器的损失并且增加变压器的使用裕度等等。而谐波的问题，常常造成补偿装置的损坏，甚至负载设备的过流、过压现象，跳闸故障及意外事故。无功补偿装置在电力系统中有尤为重要的作用，可以提高电网的功率因数、可以降低电网的运行电流、可以降低导线及变压器的损失并且增加变压器的使用裕度等等。而谐波的问题，常常造成补偿装置的损坏，甚至负载设备的过流、过压现象，跳闸故障及意外事故。因此作为用电大户的船厂，不管是从节能、减耗，还是从设备损失及安全考虑的角度上，无功补偿及谐波治理装置的选用及维护保养都是重要的值得我们深入的了解与钻研。1、无功补偿装置的应用需求情况我司改造前配电系统采用了纯电容补偿方式，电容器的汰换率很高，电容击穿现象常见;同时功率因数达不到要求，存在的主要问题有：1)由于电力供应紧张，每年用电高峰期会实行市电错峰或限量用电，为了保障生产运行，公司上班时间提早至7点;同时船舶行业不景气的原因，因此减少生产用电成本就成为企业发展的一大任务。2)由于行业属性的问题，配电变压器通常负责供电范围不能按照属性归类，而是按照所辖面积归类，因此所接负载设备种类多，用电负荷性质不固定，部分低压配电线路5、7次谐波电流含量较大，不仅占用了配电变压器和低压线路的容量，使配电系统的供电能力下降，而且导致纯电容大量的损坏，甚至出现谐波放大的问题，导致开关的断路，使配电系统运行和维护成本增加。3)由于电焊机、行车及起重机等负载工作中负荷变化快，具有较强的冲击性，以往采用的静态无功补偿装置不能适应这类设备的补偿要求，大量的冲击性无功不能得到及时快速的补偿，从而引起配电系统电压的波动。4)船厂特殊的成产方式，不同于一般工矿企业的室内作业模式，因此箱变是使用极多。夏天高温时，箱变内部温度最高可接近50摄氏度，造成箱变内部电容器整批衰减。因此，解决现有无功补偿装置存在的各种技术问题是十分必要的。2、无功补偿装置选用及功能目标在存在谐波的情况下做无功补偿时，一定要用串联电抗器的补偿装置，使其在基波频率下做无功补偿，在谐波频率下表现电感性，避免发生谐振，防止谐波放大。在元器件的选用上应该注意以下三个方面的内容：1)串联电抗器与电容器的谐振频率的选择串联电抗器的选择主要考虑电抗器和电容器回路的谐振频率必须低于谐波负荷所产生的最低阶次的谐波频率，此外，还应考虑串联回路对谐波电流的分流。例如，选择电抗率为4.5%或5.O%的电抗器以防止五次谐波放大时，其引入电容器的谐波电流大于五次谐波电流总量的一半：同理，选择电抗率为12%的电抗器以防止三次谐波放大时，其引入电容器的谐波电流大于三次谐波电流总量的一半。考虑到电抗器和电容器的制造偏差，即元件损坏导致容抗变化后，串联电抗百分率也会随之变化的可能性，谐振频率与系统可能存在的谐波之间要留有一定的裕量。所以，系统存在的最低阶次的谐波为5曲(200Hz)时，建议串联电抗率为6%的电抗器(谐振频率为204Hz);系统存在的最低阶次的谐波为3n(150Hz)时，则电抗器的感抗可设计为XL=12.9%Xc(谐振点为139Hz)。2)电容器的耐压及最大过载电流的选择因为并联电容器需要长期、全额在电网中工作，而电容器故障的一个主要原因是由于过电压引起电容器材料绝缘水平的降低，最后导致绝缘击穿而使电容器受损，所以一定要重视电容器额定电压的选取。回路中电容器的额定电压的选取由下列因素决定：a)供电网的电压水平;b)串联电抗器带来的压升。由电工学原理可知，当电容器与电抗器组成串联回路再接入电网时，电容器两端的电压会高于电网电压，其升高幅度由串联电抗器的电抗率(P)决定：;c)背景谐波电压带来的压升。当电容器在含有谐波的环境下工作时，谐波电压将叠加到电容器的基波电压上，使电容器的实际电压升高。根据IEEE519规定：谐波电压至少应考虑V。=0.5%Vs，Vs=5%Vs，VT=5%Vs(低压);d)并联电容器补偿能够提升系统的端电压。电容器对于运行电流的要求也非常严格，不可以在运行电流超过最大过载电流的情况下运行，因为过电流导致的绝缘介质击穿不仅降低电容器的使用寿命还会导致电容器鼓肚和爆炸。基于现在的电网水平，谐波电流的污染日益严重，所以，增大电容器的最大过载电流能力是保证安全运行的必要措施。3)投切方式的选择鉴于船厂行业负载种类多，负载变化快的特点，在选择无功补偿投切方式的问题上，我们参考某一周期内、不同4个周期，负载电流变化的快慢作为投切方式选择的依据;配合投切方式的不同特性，如下：a.断路器/接触器投切电容器装置具有结构简单，控制方便，性能稳定和成本低廉的优点，但是其缺点是合闸时，投切滤波支路有一个暂态过程会产生过电流、过电压，影响电容器及串联电抗器的可靠运行;切除滤波支路时，触头上恢复电压较高，有开关重燃的可能，多次重复击穿时，电容器上产生很高的过电压致使设备损坏。另外，对电容器的投切冲击，国际电工技术委员会(IEC)规定每年不超过1000次，加之开关寿命的限制，不能频繁投切，从而影响动态补偿效果;b.晶闸管开、关无触点，其操作寿命几乎是无限的，而且晶闸管的投切时刻可以精确控制，可以快速无冲击的将电容器投入电网中，减少投切时的操作困难和冲击电流，其动态响应时间约为0.01~0.02s，TSC能快速跟踪冲击负荷的突变，随时保持最佳馈电功率因数，实现动态无功补偿，减小电压波动，提高电能质量，节约电能。综上所述，晶闸管投切电容器装置与接触器投切补偿装置相比，具有无机械磨损、响应速度快、平滑投切以及良好的综合补偿效果等优点。但晶闸管投切电容器也有一些缺点，比如控制系统较复杂、可靠性低、投资费用高(需增设降压变压器，晶闸管机组等)，因此选择晶闸管投切补偿装置时，我们需要格外重视厂家自身的技术能力，及考虑自身的成本问题。3、谐波对无功补偿装置的影响由于变频器等非线性设备在船厂的应用越来越多，产生了大量的谐波，对电网造成了污染;根据GB/T14549-1993的要求，必须对各种非线性负载注入电网的谐波电压及电流加以控制，当系统中的谐波超标时，需设置滤波设备，加以治理;在一些特殊的场合，虽未超标，但影响了系统正常工作时，也应加以治理。所以当系统中存在谐波时，不宜使用单体电容器进行无功补偿，而且单体电容器比其他电气设备更易收到谐波的影响而损坏。谐波对电容器的影响有以下几种：1)引起电容器工作电压的升高;当电容器接入电网后，电容器两端的电压中含有高次谐波时，其有效值为：自愈式金属化并联电容器是用金属化聚丙烯薄膜进行绕卷而制成的，它的绝缘介质聚丙烯薄膜与其它品种的电容器一样，会逐渐老化，其老化的速度与施加电压、使用温度等条件有关。一般认为，电压升高10%，寿命降低一半。具体可用下式表示：其中：为额定电压;为额定电压下电容器的使用寿命;u为实际的工作电压;为过电压下电容器的使用寿命;为常数，一般取7～9。谐波引起电容器工作电压升高，进而会降低电容器的使用寿命。2)导致电容器过电流和过负荷;由于电容器的阻抗和频率成反比，从而在高次谐波下，通过电容器的谐波电流有效值为：，可得电容器工作电流的有效值为：=3)电容器的介质损耗增加在谐波情况下，电容器的介质损耗可用下式计算：当频率增加时，损耗也会增加。电容器的介质损耗增加会引趋龟容器发热，导致热击穿，严重影响电容器的寿命。4)谐振引起谐波放大由于电容器的阻抗与频率成反比，系统中感性负载的阻抗与频率成正比，在谐波频率下两者可能会发生串联谐振和并联谐振造成谐波放大。其谐振频率随补偿容量的增加而减小，而谐波放大的危险性也就越高。谐振频率可由下式得到：其中为系统的短路容量;Q为补偿的无功容量。所以，为了使电容器安全的进行无功补偿，最好应用串联电抗器的无功补偿装置。4、无功补偿装置的应用环境及维护保养由于无功补偿装置主要器件为电容与电抗，而电容因为生产工艺的问题，造成了它对环境的要求。在布置补偿装置时，我们也应该注重环境对为使用寿命的影响以便于维护保养。有以下2点来说明：1)环境温度对电容器的影响;由于电容器内部由全聚丙烯金属化薄膜为主要构造方式，而聚丙烯薄膜对温度的要求参考下表(参考IEC60831)经过了解，大多厂家是以C级标准作为生产规范。而温度与电容器寿命的关系，可以参考下图：从图中可以看出，电容器使用过程中，环境温度每升高8度，寿命降低一半;而环境温度降低8度，寿命增加一倍。因此我们在改造过程中，增加散热装置，特殊环境，机房增置空调设施。而对于船厂较大量的箱变，目前正在进一步探索控制温度的方式。目前改善过程中，也总结出我们自己的方式：a.远离发热设备(如变压器…)b.后方至少50mm空间;上方至少300mm空间1)日常维护事项a.保证接线端子紧锢，避免电缆线接线端子经常烧毁;b.定期清理电容柜内积尘，避免弧光事故并跳闸;c.电容器容值定期检查，避免谐振情况发生;除此之外，对整个系统也指定保养计划以上是我们根据自身的需求，选用最合适无功补偿装置方法，俗话说，没有最好的产品，而有最适合自己的产品。选择对了，不仅能增加设备使用过程中的安全系数，也可以增加设备的寿命，从一定程度上控制了改造成本以及维护保养的成本。