水泥厂选用低压电容器与柜的设计选型

在正常情况下, 用电设备不但要从电源取得有功功率, 同时还需要从电源取得无功功率。如果电网中的无功功率供不应求, 用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场, 在额定情况下, 用电设备的端电压就会下降, 从而影响用电设备的正常运行。发电机和高压输电线供给的无功功率, 远远满足不了负荷的需要, 所以在电网中要设置一些无功补偿装置来补充无功功率, 以保证用户对无功功率的需要, 使用电设备在额定电压下正常工作。无功功率对供、用电产生的不良影响主要表现在:

(1) 降低发电机有功功率的输出。

(2) 降低输、变电设备的供电能力。

(3) 造成线路电压损失增大和电能损耗增加。

(4) 造成低功率因数运行和电压下降, 使电气设备容量得不到充分发挥。

目前水泥厂无功补偿的方式主要有高压集中补偿、低压集中补偿、高压电机机旁补偿。本文重点讨论低压集中补偿在设计选型中的一些问题。

近几年, 随着变频器设备、开关电源、气体放电等各种非线性设备的大量使用, 电容器装置运行环境日益恶化, 我公司在埃及、马来西亚等项目中低压补偿出现较多问题。在国内我们过去设计的水泥厂低压电容器的故障率也是较高的, 这主要是由于我们对电容器柜内的元件选型认识不足, 特别是串联电抗器和电容器的投入都会影响电容器端的电压。

低压并联电容器装置的三种接线方式分别是三角形接线、带中性点的星形接线和不带中性线的星形接线。

三角形接线方式对3次及3的整数倍谐波不形成通路, 不受背景谐波中3次谐波的影响。此接线只能进行三相共补, 不能进行分相补偿。

带中性线的星形接线, 其引出中性线为3次谐波流动提供路径。考虑3 次谐波流过电容器, 为避免发生3次谐振而造成电容器过载, 常采用提高串联电抗器的电抗率措施, 这会导致投资增加。该接线方式的优点是, 不仅能进行三相共补, 也能进行分相补偿。

不带中性线的星形接线对3次谐波也不形成通路, 不受外部3 次谐波的影响, 只能进行三相共补, 不能进行分相补偿。该接线方式的缺点是, 当某一相电容器发生故障击穿形成短路后, 剩余两相因承受线电压而同时损坏;或者三相电容器因自身电容误差会导致该接线的中性点漂移, 使某一相电容器承受电压超过额定值而损坏。

综上所述, 在水泥厂的工程设计中, 三相负荷基本平衡, 无需分相补偿, 只需三相共补, 因此只需要三角形接线方式, 自动投切控制器只需检测一相负荷电流即可。

目前常用的低压并联电容器投切装置主要有两种, 电容器投切专用接触器和可控硅开关。

与普通交流接触器相比, 电容器投切专用接触器可以降低投切时的涌流和过电压, 无压降、控制简单、成本低。缺点是不能够完全抑制投切时产生的涌流和过电压, 关断时产生拉弧, 造成接触器寿命变短。

可控硅投切开关利用电子开关反应速度快的特点是在电压过零点导通, 实现无涌流投入;在电流过零点关断, 不会产生拉弧;无触点, 使用寿命长。缺点是可控硅在导通运行时, 可控硅结间会产生大约0.7V的压降, 通常30kvar三角形接线的电容器额定电流为46A, 则一个可控硅所消耗功率约为32W。同时可控硅装置自身会产生谐波, 关断期间还会产生电流泄漏, 使用成本也较高。

对于负荷变化快、用电设备对电压质量要求较高的场合, 建议选用可控硅开关作为投切装置。对于水泥厂来说设备一旦运行, 无功的需求相对稳定, 所以水泥厂电容器的投切建议选用专用接触器投切, 但接触器的容量要适当加大。

选择电容器时, 一般要考虑电压、电网谐波、补偿容量及电容器保护等因素。

电容器的容量与运行电压平方成反比, 选择电容器额定电压应从实际电容器容量和其耐压能力来考虑。电容器额定电压至少等于接入电网的运行电压, 同时还要考虑接入后电网电压升高、电网谐波电压的存在使电压升高以及为降低谐波影响而串联电抗器后的电容器端子上电压升高。

并联电容器接入电网后, 导致母线运行电压升高, 此值可由式 (1) 计算:

式中:

ΔU——母线电压升高值, kV

U_SO——并联电容器装置投入前的母线电压, kV

S——母线三相短路容量, MVA

Q——母线上所有运行的电容器容量, Mvar

串联电抗器后, 电容器端子上电压升高, 其值可按照公式 (2) 计算:

式中:

U_C——电容器运行电压, kV

U_S——并联电容器装置的母线运行电压, kV

K——电抗率

A——接线系数, 星形接线取, 三角形取1

举例说明, 一台300kvar并联电容器装置, 串联电抗率7% (目前设计采用的经验值) , 投入前母线电压为0.4kV, 母线短路容量为20MVA, 根据公式 (1) 可得母线电压升高值:

由式 (2) 可得电容器端子上所加电压为:

考虑谐波存在会使电压升得更高, 可选额定电压480V的电容器。

非线性用电设备的广泛应用 (如电动机调速设备、整流设备、电弧炉、磁饱和变压器、照明控制系统、办公自动化设备、开关电源、不间断电源、电子镇流器、电焊设备、电子控制机构等) , 使电力系统存在许多谐波源。如果直接接入并联电容器, 电容器是容性阻抗, 并且阻抗和频率成反比, 因此电容器容易吸收谐波电流引起过载发热。另外, 由于回路参数的变化, 使得容性阻抗与感性阻抗相等时容易产生谐波谐振, 在串联谐振时一个小的谐振电压就可产生较大的谐波电流, 增加电容器发热, 导致绝缘击穿事故。基波电压和谐波电压叠加, 会增加局部放电次数, 降低电容器寿命。

为了抑制谐波, 在电容器装置中宜串联电抗, 通过选择电容、电抗参数避开谐振点。等效电路如图1 所示。

当LC串联回路阻抗Z=X_L-X_C=0 时会发生谐振, 因此谐波条件下:

式中:

K——电抗率

f——谐波频率

f_n——基波频率LC

对谐波源来讲LC串联回路应保持感性。根据上述公式可知, 当抑制3 次谐波时串联电抗率K取12%~13%;当抑制5 次谐波时取4.5%~7%;当抑制7 次谐波时取3%;当抑制9次谐波时取2%。串联LC回路的谐振频率必须低于系统出现的最低次的谐波频率。因为这时串联LC回路可能出现的谐波频率均高于谐振频率, 回路为感性, 不可能再激活任何谐振;如果LC回路谐振频率高于任何可能出现的谐振频率, 回路为容性, 与感性负载又可能产生谐振回路。

另外, 串联电抗可有效抑制电容器投入电网时产生的涌流, 防止和减轻开断电容器组时发生的重燃。

串联电抗后, 在串联电抗器上存在一个电压降, 导致电容器的基波电压升高, 电抗率越高, 电压增加越大。实际加在电容器上的电压:

式中:

U_C——电容器实际电压

U_n——系统标称电压

无功功率输出量:

式中:

Q_C——选择电压下应输出的无功补偿容量

Q_n——标称电压下标称无功补偿容量

比如, 系统标称电压400V, 电容器标称容量30kvar, 电容器装置配6%的电抗器, 则电容器的实际电压:

因此选用440V电容器。

选择电压下应输出的无功:

在选择接线方式、投切装置、电容器及电抗器的参数时, 需要综合考虑他们之间的关系, 而这仅是低压并联电容器装置设计需要考虑的部分因素, 还要结合其他相关因素来考虑, 如自动投切的步数、控制器的性能、保护措施及保护设备的性能等。