6 无功补偿

6 无功补偿

6.0.1 供配电系统设计中应正确选择电动机、变压器的容量,并应降低线路感抗。当工艺条件允许时,宜采用同步电动机或选用带空载切除的间歇工作制设备。
6.0.2 当采用提高自然功率因数措施后,仍达不到电网合理运行要求时,应采用并联电力电容器作为无功补偿装置。
6.0.3 用户端的功率因数值,应符合国家现行标准的有关规定。
6.0.4 采用并联电力电容器作为无功补偿装置时,宜就地平衡补偿,并符合下列要求:
    1 低压部分的无功功率,应由低压电容器补偿。
    2 高压部分的无功功率,宜由高压电容器补偿。
    3 容量较大,负荷平稳且经常使用的用电设备的无功功率,宜单独就地补偿。
    4 补偿基本无功功率的电容器组,应在配变电所内集中补偿。
    5 在环境正常的建筑物内,低压电容器宜分散设置。
6.0.5 无功补偿容量,宜按无功功率曲线或按以下公式确定:

式6.0.5

    式中:Qc——无功补偿容量(kvar);
               P——用电设备的计算有功功率(kW);

               tanφ1——补偿前用电设备自然功率因数的正切值;
               tanφ2——补偿后用电设备功率因数的正切值;取cos
φ2不小于0.9的值。

6.0.6 基本无功补偿容量,应符合以下表达式的要求:

式6.0.6

    式中:Qcmin——基本无功补偿容量(kvar);
              Pmin——用电设备最小负荷时的有功功率(kW);
              
tanφ1min——用电设备在最小负荷下,补偿前功率因数的正切值。

6.0.7 无功补偿装置的投切方式,具有下列情况之一时,宜采用手动投切的无功补偿装置:
    1 补偿低压基本无功功率的电容器组。
    2 常年稳定的无功功率。
    3 经常投入运行的变压器或每天投切次数少于三次的高压电动机及高压电容器组。
6.0.8 无功补偿装置的投切方式,具有下列情况之一时,宜装设无功自动补偿装置:
    1 避免过补偿,装设无功自动补偿装置在经济上合理时。
    2 避免在轻载时电压过高,造成某些用电设备损坏,而装设无功自动补偿装置在经济上合理时。
    3 只有装设无功自动补偿装置才能满足在各种运行负荷的情况下的电压偏差允许值时。
6.0.9 当采用高、低压自动补偿装置效果相同时,宜采用低压自动补偿装置。
6.0.10 无功自动补偿的调节方式,宜根据下列要求确定:
      1 以节能为主进行补偿时,宜采用无功功率参数调节;当三相负荷平衡时,亦可采用功率因数参数调节。
      2 提供维持电网电压水平所必要的无功功率及以减少电压偏差为主进行补偿时,应按电压参数调节,但已采用变压器自动调压者除外。
      3 无功功率随时间稳定变化时,宜按时间参数调节。
6.0.11 电容器分组时,应满足下列要求:
      1 分组电容器投切时,不应产生谐振。
      2 应适当减少分组组数和加大分组容量。
      3 应与配套设备的技术参数相适应。
      4 应符合满足电压偏差的允许范围。
6.0.12 接在电动机控制设备侧电容器的额定电流,不应超过电动机励磁电流的0.9倍;过电流保护装置的整定值,应按电动机-电容器组的电流确定。
6.0.13 高压电容器组宜根据预期的涌流采取相应的限流措施。低压电容器组宜加大投切容量且采用专用投切器件。在受谐波量较大的用电设备影响的线路上装设电容器组时,宜串联电抗器。
 

条文说明
 

6 无功补偿
6.0.1 在用电单位中,大量的用电设备是异步电动机、电力变压器、电阻炉、电弧炉、照明等,前两项用电设备在电网中的滞后无功功率的比重最大,有的可达全厂负荷的80%,甚至更大。因此在设计中正确选用电动机、变压器等容量,可以提高负荷率,对提高自然功率因数具有重要意义。
    用电设备中的电弧炉、矿热炉、电渣重熔炉等短网流过的电流很大,而且容易产生很大的涡流损失,因此在布置和安装上采取适当措施减少电抗,可提高自然功率因数。在一般工业企业与民用建筑中,线路的感抗也占一定的比重,设法降低线路损耗,也是提高自然功率因数的一个重要环节。
    此外,在工艺条件允许时,采用同步电动机超前运行,选用带有自动空载切除装置的电焊机和其他间隙工作制的生产设备,均可提高用电单位的自然功率因数。从节能和提高自然功率因数的条件出发,对于间歇制工作的生产设备应大量生产内藏式空载切除装置,并大力推广使用。
6.0.2 当采取6.0.1条的各种措施进行提高自然功率因数后,尚不能达到电网合理运行的要求时,应采用人工补偿无功功率。
    人工补偿无功功率,经常采用两种方法,一种是同步电动机超前运行,一种是采用电容器补偿。同步电动机价格贵,操作控制复杂,本身损耗也较大,不仅采用小容量同步电动机不经济,即使容量较大而且长期连续运行的同步电动机也正为异步电动机加电容器补偿所代替,同时操作工人往往担心同步电动机超前运行会增加维修工作量,经常将设计中的超前运行同步电动机作滞后运行,丧失了采用同步电动机的优点。因此,除上述工艺条件适当者外,不宜选用同步电动机。当然,通过技术经济比较,当采用同步电动机作为无功补偿装置确实合理时,也可采用同步电动机作为无功补偿装置。
    工业与民用建筑中所用的并联电容器价格便宜,便于安装,维修工作量、损耗都比较小,可以制成各种容量,分组容易,扩建方便,既能满足目前运行要求,又能避免由于考虑将来的发展使目前装设的容量过大,因此应采用并联电力电容器作为人工补偿的主要设备。
6.0.3 根据《全国供用电规则》和《电力系统电压和无功电力技术导则》,均要求电力用户的功率因数应达到下列规定:高压供电的工业用户和高压供电装有带负荷调整电压装置的电力用户,其用户交接点处的功率因数为0.9以上;其他100kV·A(kW)及以上电力用户和大、中型电力排灌站,其用户交接点处的功率因数为0.85以上。而《国家电网公司电力系统无功补偿配置技术原则》中则规定:100kV·A及以上高压供电的电力用户,在用户高峰时变压器高压侧功率因数不宜低于0.95;其他电力用户,功率因数不宜低于0.90。
    根据现行国家标准《并联电容器装置设计规范》GB 50227—2008中第3.0.2条的要求,变电站的电容器安装容量,应根据本地区电网无功规划和国家现行标准中有关规定经计算后确定,也可根据有关规定按变压器容量进行估算。当不具备设计计算条件时,电容器安装容量可按变压器容量的10%~30%确定。
    据有关资料介绍,全国各地区220kV的变电所中电容器安装容量均在10%~30%之间,因此,如没有进行调相调压计算,一般情况下,电容器安装容量可按上述数据确定,这与《电力系统电压和无功电力技术导则》中的规定也是一致的。
6.0.4 为了尽量减少线损和电压降,宜采用就地平衡无功功率的原则来装设电容器。目前国内生产的自愈式低压并联电容器,体积小、重量轻、功耗低、容量稳定;配有电感线圈和放电电阻,断电后3min内端电压下降到50V以下,抗涌流能力强;装有专门设计的过压力保护和熔丝保护装置,使电容器能在电流过大或内部压力超常时,把电容器单元从电路中断开;独特的结构设计使电容器的每个元件都具有良好的通风散热条件,因而电容器能在较高的环境温度50℃下运行;允许300倍额定电流的涌流1000次。因此在低压侧完全由低压电容器补偿是比较合理的。
    为了防止低压部分过补偿产生的不良效果,因此高压部分应由高压电容器补偿。
    无功功率单独就地补偿就是将电容器安装在电气设备的附近,可以最大限度地减少线损和释放系统容量,在某些情况下还可以缩小馈电线路的截面积,减少有色金属消耗。但电容器的利用率往往不高,初次投资及维护费用增加。从提高电容器的利用率和避免遭致损坏的观点出发,宜用于以下范围:
    选择长期运行的电气设备,为其配置单独补偿电容器。由于电气设备长期运行,电容器的利用率高,在其运行时,电容器正好接在线路上,如压缩机、风机、水泵等。
    首先在容量较大的用电设备上装设单独补偿电容器,对于大容量的电气设备,电容器容易获得比较良好的效益,而且相对地减少涌流。
    由于每千乏电容器箱的价格随电容器容量的增加而减少,也就是电容器容量小时,其电容器箱的价格相对比较大,因此目前最好只考虑5kvar及以上的电容器进行单独就地补偿,这样可以完全采用干式低压电容器。目前生产的干式低压电容器每个单元内装有限流线圈,可有效地限制涌流;同时每个单元还装有过热保护装置,当电容器温升超过额定值时,能自动地将电容器从线路中切除;此外每个单元内均装有放电电阻,当电容器从电源断开后,可在规定时间内,将电容器的残压降到安全值以内。由于这种电容器有比较多的功能,电容器箱内不需再增加元件,简化了线路,提高了可靠性。
    由于基本无功功率相对稳定,为便于维护管理,应在配变电所内集中补偿。
    低压电容器分散布置在建筑物内可以补偿线路无功功率,相应地减少电能损耗及电压损失。国内调查结果说明,电容器运行的损耗率只有0.25%,但不适用于环境恶劣的建筑物。因此,在正常环境的建筑物内,在进行就地补偿以后,宜在无功功率不大且相对集中的地方分散布置。在民用公共建筑中,宜按楼层分散布置;住宅小区宜在每幢或每单元底层设置配电小间,在其内考虑设置低压无功补偿装置。
    当考虑在上述场所安装就地补偿柜后,管井或配电小间应留有装设这些设备的位置。
6.0.5 对于工业企业中的工厂或车间以及整幢的民用建筑物或其一层需要进行无功补偿时,宜根据负荷运行情况绘制无功功率曲线,根据该曲线及无功补偿要求,决定补偿容量。国内外类似工厂和高层及民用建筑都有负荷运行曲线,可利用这些类似建筑的资料计算无功补偿的容量。
    当无法取得无功功率曲线时,可按条文中提供的常用公式计算无功补偿容量。
6.0.7 高压电容器由于专用的断路器和自动投切装置尚未形成系列,虽然也有些产品,但质量还不稳定。鉴于这种情况,凡可不用自动补偿或采用自动补偿效果不大的地方均不宜装设自动无功补偿装置。这条所列的基本无功功率是当用电设备投入运行时所需的最小无功功率,常年稳定的无功功率及在运行期间恒定的无功功率均不需自动补偿。对于投切次数甚少的电容器组,按我国移相电容器机械行业标准《电热电容器移相电容器》JB 1629-75中A.5.3条规定的次数为每年允许不超过1000次,在这些情况下都宜采用手动投切的无功功率补偿装置。
6.0.8 因为过补偿要罚款,如果无功功率不稳定,且变化较大,采用自动投切可获得合理的经济效果时,宜装设无功自动补偿装置。
    装有电容器的电网,对于有些对电压敏感的用电设备,在轻载时由于电容器的作用,线路电压往往升得更高,会造成这种用电设备(如灯泡)的损坏或严重影响寿命及使用效能,当能避免设备损坏,且经过经济比较,认为合理时,宜装设无功自动补偿装置。
    为了满足电压偏差允许值的要求,在各种负荷下有不同的无功功率调整值,如果在各种运行状态下都需要不超过电压偏差允许值,只有采用自动补偿才能满足时,就必须采用无功自动补偿装置。当经济条件许可时,宜采用动态无功功率补偿装置。
6.0.9 由于高压无功自动补偿装置对切换元件的要求比较高,且价格较高,检修维护也较困难,因此当补偿效果相同时,宜优先采用低压无功自动补偿装置。
6.0.10 根据我国现有设备情况及运行经验,当采用自动无功补偿装置时,宜根据本条提出的三种方式加以选用。
    如果以节能为主,首要的还是节约电费,应以补偿无功功率参数来调节。目前按功率因数补偿的甚多,但根据电网运行经验,功率因数只反应相位,不反应无功功率,而且目前大部分自动补偿装置的信号只取一相参数,这样可能会出现过补偿或负补偿,并且当三相不平衡时,功率因数值就不准确,负荷不平衡度越大,误差也越大,因此只。有在三相负荷平衡时才可采用功率因数参数调节。
    电网的电压水平与无功功率有着密切的关系,采用调压减少电压偏差,必须有足够的可调整的无功功率,否则将导致电网其他部分电压下降。且在工业企业与民用建筑中造成电容器端子电压升高的原因很多,如电容器装置接入电网后引起的电网电压升高,轻负荷引起的电压升高,系统电压波动所引起的电压升高。近年来,由于采用大容量的整流装置日益增加,高次谐波引起的电网电压升高。根据IEC标准《电力电容器》第15.1条规定:“电容器适用于端子间电压有效值升到不超过1.10倍额定电压值下连续运行”。国内多数制造厂规定:电容器只允许在不超过1.05倍额定电压下长期运行,只能在1.1倍额定电压(瞬时过电压除外)下短期运行(一昼夜)。当电网电压过高时,将引起电容器内部有功功率损耗显著增加,使电容器介质遭受热力击穿,影响其使用寿命。另外电网电压过高时,除了电容器过载外,还会引起邻近电器的铁芯磁通过饱和,从而产生高次谐波对电容器更不利。有些用电设备,对电压波动很敏感,例如白炽灯,当电压升高5%时,寿命将缩短50%,白炽灯由于电压升高烧毁灯泡的事已屡见不鲜。此外,由于工艺需要,必须减少电压偏差值的,也需要按电压参数调节无功功率。如供电变压器已采用自动电压调节,则不能再采用以电压为主参数的自动无功补偿装置,避免造成振荡。
    目前,国内已有厂家开发研制分相无功功率自动补偿控制器,它采集三相电参数,经微处理器运算,判断各相是否需要投切补偿电容器,然后控制接触器,使每相的功率因数均得到最佳补偿,该控制器可根据需要设置中性线电压偏移保护功能,当中性线电压偏移大于50V时,自动使进线断路器跳闸,保护设备和人身安全;具有过电压保护功能,当电网相电压大于250V时,控制器能在30s内将补偿电容自动逐个全部切除。
    对于按时间为基准,有一定变化规律的无功功率,可以根据这种变化规律进行调节,线路简单,价格便宜,根据运行经验,效果良好。
6.0.11 在工业企业中,电容器的装接容量有的也比较大,一些大型的冶金化工、机械等行业都装有较多容量的电容器,因此应根据补偿无功和调节电压的需要分组投切。
    由于目前工业企业中采用大型整流及变流装置的设备越来越多,民用建筑中采用变频调速的水泵、风机已很普遍,以致造成电网中的高次谐波的百分比很高。高次谐波的允许值必须满足现行国家标准《电能质量公用电网谐波》GB/T 14549中所列的允许值,当分组投切大容量电容器组时,由于其容抗的变化范围较大,如果系统的谐波感抗与系统的谐波容抗相匹配,就会发生高次谐波谐振,造成过电压和过电流,严重危及系统及设备的安全运行,所以必须避免。
根据现行国家标准《并联电容器装置设计规范》GB 50227,因电容器参数的分散性,其配套设备的额定电流按大于电容器组额定电流的1.35倍考虑。由于投入电容器时合闸涌流甚大,而且容量愈小,相对的涌流倍数愈大,以1000kV·A变压器低压侧安装的电容器组为例,仅投切一台12kvar电容器则涌流可达其额定电流的56.4倍,如投切一组300kvar电容器,则涌流仅为其额定电流的12.4倍。所以电容器在分组时,应考虑配套设备,如接触器或自动开关在开断电容器时产生重击穿过电压及电弧重击穿现象。
    根据目前国内设备制造情况,对于10kV电容器,断路器允许的配置容量为10000kvar,氧化锌避雷器允许的配置容量为8000kvar,这些是防止电容器爆炸的最大允许电容器并联容量,但根据一些设计重工业和大型化工企业设计院的习惯做法,10kV电容器的分组容量一般为2000kvar~3000kvar。为了节约设备、方便操作,宜减少分组,加大分组容量。
    根据调查了解,无载调压分接开关的调压范围是额定电压的2.5%或5%,有载调压开关的调压范围为额定电压的1.25%或2.5%,所以当用电容器组的投切来调节母线电压时,调节范围宜限制在额定电压的2.5%以内,但对经常投运而很少切除的电容器组以及从经济性出发考虑的电容器组,可允许超过这个范围,因此本条文仅说明“应符合满足电压偏差的允许范围”,未提出具体电压偏差值。
6.0.12 当对电动机进行就地补偿时,应选用长期连续运行且容量较大的电动机配用电容器。电容器额定电流的选择,按照IEC出版物831电容器篇中的安装使用条件:“为了防止电动机在电源切断后继续运行时,由于电容器产生自激可能转为发电状态,以致造成过电压,以不超过电动机励磁电流的90%为宜”。
    起重机或电梯等在重物下降时,电动机运行于第四象限,为避免过电压,不宜单独用电容器补偿。对于多速电动机,如不停电进行变压及变速,也容易产生过电压,也不宜单独用电容器补偿。如对这些用电设备需要采用电容器单独补偿,应为电容器单独设置控制设备,操作时先停电再进行切换,避免产生过电压。
    当电容器装在电动机控制设备的负荷侧时,流过过电流装置的电流小于电动机本身的电流,电流减少的百分数近似值可用下式计算:

式(3)

    注:I——减少的线路电流百分数(%);

              cosφ1——安装电容器前的功率因数;
              cosφ2——安装电容器后的功率因数。

设计时应考虑电动机经常在接近实际负荷下使用,所以保护电器的整定值应按加装电容器的电动机-电容器组的电流来确定,保护电器壳体、馈电线的允许载流量仍按电动机容量来确定。
6.0.13 IEC出版物831电容器篇中电容器投入时涌流的计算公式如下:

式(4)

    注:Is——电容器投入时的涌流(A);

           In——电容器组额定电流(A);
          S——安装电容器处的短路功率(MV·A);
          Q——电容器容量(Mvar)。

    在高压电容器回路中,S比较大,根据计算,如Is大于控制开关所容许的投入电流值,则宜采用串联电抗器加以限制。
    在低压电容器回路中,首先宜在合理范围内(见6.0.11条)加大投切的电容器容量,如计算而得的Is尚大于控制电器的投入电流,则宜采用专用电容器投切器件。国内目前生产的有CJR及CJ16型接触器,前者在三相中每相均串有1.5
Ω电阻,后者在三相中的两相内串有1.5Ω电阻,两者投入电流均可达额定电流的20倍,待电容器充电到80%左右容量时,才将电阻短接,电容器才正,式投入运行。根据计算和试验,这类接触器能符合投入涌流的要求,并且价格较低,应用较广泛,这种方式对于投切不频繁的地方,只要选用质量较好的接触器,还是可以满足补偿要求的。现在市场上新投放的产品有晶闸管投切方式,该方式采用双向可控硅作投切单元,通过晶闸管过零投切,避免了电容器投入时的“浪涌电流”的产生,无机械动作,补偿快速,特别适用于投切频繁的场所。该投切方式采用的投切器件为晶闸管,价格较高,由于晶闸管在投入及运行时有一定的压降,平均为1V左右,需消耗一定的有功功率,并且发热量较大,需对其实施相应的散热措施,以避免晶闸管损坏。还有一种接触器与晶闸管结合的投切方式,它集以上两种方式的优点,采用由晶闸管投切、接触器运行的投切方式。该方式由于采用晶闸管“过零”投切,因此在电容器投切过程中不会产生“浪涌电流”,有效提高了电容器的使用寿命;在电容器运行时,用接触器代替晶闸管作为运行开关,避免了晶闸管在运行时的有功损耗和发热,提高了晶闸管的使用寿命。这种方式是近年来农网改造中普遍应用的方式。

    由于电容器回路是一个LC电路,对某些谐波容易产生谐振,造成谐波放大,使电流增加和电压升高,如串联一定感抗值的电抗器可以避免谐振,如以串入电抗器的百分比为K,当电网中5次谐波电压较高,而3次谐波电压不太高时,K宜采用4.5%;如3次谐波电压较高时,K宜采用12%,当电网中谐波电压不大时,K宜采用0.5%。 
 

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