小磷酸无功补偿改造.docx
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小磷酸无功补偿改造
山东红日阿康化工股份有限公司
小磷酸配电室
低压无功补偿系统改造方案
科湃思特电气有限公司
电修车间
2011年11月23
一、无功补偿的必要性
三相异步电动机运行时,不但要从电源吸取有功功率,同时还需要从电源吸取无功功率。
有功功率是用于电动机产生机械转矩并且驱动负载所需的功率,它的电流随负载的增加而增加;无功功率是用于电动机内部的电场与磁场变化。
根据电磁感应原理,电动机通过建立交变磁场进行能量的转换和传递。
为建立交变磁场和感应磁通而需要的功率称为无功功率。
所谓的“无功”并不是“无用”的电功率,只不过它的功率不转化为机械能。
因此在供电系统中除了有功,还需要无功。
无功电流在负载变化的情况下,其变化很微小,所以是纯电感性质的。
在实际运行中,电源供给电动机的总电流是有功电流和无功电流的矢量和,当电动机处于满负荷运行时,有功电流大于无功电流,总电流的功率因数较高,而当负载下降时,有功电流减小,无功电流基本不变,所以功率因数降低。
可以这样认为:
当电动机的输出功率一定时,功率因数越低,就意味着其所需的无功功率越大,因而造成的损耗也越大。
现代化的企业中,电动机等感性负荷占据相当大比重,为保证电动机拖动系统的可靠性,在选择电动机的时候,往往容量偏大,出现“大马拉小车”的现象,使电机的负荷率降低,造成功率因数和效率下降。
电机的最高效率一般在75%至满负荷期间出现,而它的功率因数则在满负荷时最高。
负荷率
空载
25%
50%
75%
满载
功率因数
0.2
0.5
0.77
0.85
0.89
效率
0
0.78
0.85
0.88
0.88
感应电动机负荷率与功率因数及效率的关系
它们在消耗有功功率的同时,也需要吸收大量无功功率。
无功功率的出现不仅导致发电机出力下降,降低了输配电设备效率,而且还增大了网损,严重影响供电质量。
解决这一问题,目前主要措施是增容,即扩大变压器和配电线路容量,从而提高供电能力。
但是,增容投资大,施工工程量大,周期长。
无功补偿对企业的节能降耗意义非常大。
假如COSØ=0.7,则SINØ=0.71,此时整个配电室有功功率与无功功率基本相等,输电线路、变压器的负载有一半是无功功率,况且线路、变压器的损耗与电流平方成正比,这个数字非常庞大。
如果把功率因数提高到0.95以上,无功功率大大降低,节能效果显著。
大部分企业对无功补偿的认识不足,仅仅是为了应付电力部门力调电价的考核,重视了变电站内的高压无功补偿,而厂区内的低压无功补偿往往不被重视,甚至忽视。
部分企业动力车间为了减少故障率,减少设备的维护费用,低压无功补偿处于退出状态,功率因数偏低。
部分企业认为有自备电厂,发电机可以输出无功功率,企业与电厂之间输电距离又短,降低线损意义不大,所以忽视了无功补偿。
其实,降低线损仅仅是其中一个指标,管理者忽视了发电机的有效出力,如果无功就地补偿,发电机在煤耗增加不多的情况下多发有功功率,减少从网上的购电量,从节能将耗的角度来分析,企业的利润会更可观。
二、低压无功补偿的现状和发展
序
内容
机械开关电器
半导体开关电器
复合开关电器
电子式继电器
开关电器
1
电压过零投入、电流过零切除功能
无
有
有
有
2
投切涌流
大
小
小
小
3
无功补偿速度
慢
快
中
中
4
耐电压、电流冲击性
中
低
低
高
5
功率消耗
中
特大
中
小
6
体积与重量
中
特大(含散热器)
大
小
7
价格
低
高
高
低
低压无功补偿的发展经历了4代,第一代产品是常规的机械开关电器,自从有无功补偿开始,就一直延续到现在,目前还有很多客户在使用。
这一代产品采用熔断器、接触器、热继电器控制电容器的投切。
优点是价格低廉,缺点是因为浪涌电流的存在,产生一系列的问题:
接触器、熔断器容易损坏,电容器涨肚等,下一张节针对这些问题,进行分析。
第二代产品是半导体开关电器,即固态无触点继电器(可控硅)。
可控硅必须采用进口产品,价格昂贵。
这一代产品的出现,目的是解决电容器投切瞬间产生的浪涌电流。
因为可控硅的导通角能在电压正玄波横轴过零点处导通,接通电路,这样电容器的充电电流即为零,没有冲击。
实现了“过零投切”的同时,出现了另一个问题,即发热问题。
因为可控硅PN节有压降,3~5V,大电流通过就产生一个很大的功耗,相当于电容柜内有一个大功率的电炉在发热,所以必须安装散热器,用4个风机强制风冷。
目前这一代产品在机械加工行业还在应用,因为可控硅有个优点,能在毫秒内跟踪负荷变化投切电容,所以电焊机、行车、龙门吊车负荷占多数的情况还在应用,其他行业已被淘汰。
第三代产品是复合开关电器,即接触器与可控硅的结合。
接通与断开电容器回路采用可控硅,正常工作时采用接触器。
这样解决了投切时的浪涌电流,又解决了可控硅的发热问题。
但是又带来了新的问题,生产这个产品的厂家基本上是江浙一带的小型企业,为了降低成本,大部分厂家采用了国产可控硅,耐压等级为1600V,寿命短。
因为晶闸管截止后所受反向峰值电压是输入电源电压峰值的两倍,最大值是额定电压的1.4倍,U=1.4*400*2=1120V,考虑到耐受电压是额定电压的2~3倍,至少要选用2500V以上的产品。
但是目前国内外小容量(100A以下)晶闸管超过1600V的产品价格非常高,加上电网过电压、谐波等因素影响,造成现有复合开关中的晶闸管截止时处于电压危险区,很容易击穿破坏。
第四代产品是电子继电器。
因为电子产品的发展已经非常成熟,将计算机软硬件技术应用到电容器领域,采用微电子软硬件技术、微型传感器技术、现代控制技术对机械触点进行改造,采用单片机进行电压、电流的交流采样,捕捉正弦波的横轴零点,实现过零投切。
实践证明,这一代产品在城农网、化工、煤炭、钢铁、造纸等实际工程收到良好的效果。
三、目前低压无功补偿存在的问题和解决方案
以下章节是针对常规产品容易出现的问题,智能式电压电力电容器采用第四代产品(电子继电器)提出的解决方案。
低压无功补偿的确非常重要,但是在实际应用过程中频繁出现故障,影响正常生产,增加了维护成本,困扰一线运行维护工程师,最终被退出运行。
原因是什么?
能否解决这些问题?
1、电容器涨肚、爆炸;
2、接触器、熔断器容易损坏(浪涌电流导致);
3、控制回路数量少(最多12路);
4、功率因数控制器故障,导致系统瘫痪;
5、三相不平衡,传统补偿容易导致过补或欠补;
6、扩容不方便;
7、电容柜散热量大;
8、采用一种相同容量的电容器,精度不够。
√电容器涨肚、爆炸
由于环境温度过高、母线电压偏高、谐波、漏电流等因素,导致电容器体内温度升高,如果不采取措施,导致电容器涨肚,最终爆炸。
另外,在生产过程中,电源不稳定,有短时间停电、送电的现象,在这个过程中往往会出现电容器冒烟的情况。
因此企业用户每年都要更换部分电容器,电容器涨肚、爆炸等问题一直没有得到有效解决。
电力系统的室外杆上无功补偿箱经过一个夏天的高温也会有部分出现问题。
解决方案:
在电容器内埋入温度传感器,利用CPU采集电容器体内温度,在软件中设定过温保护定值,高于定值(58度)自动切除电容器,退出运行,确保设备不受损害。
温度低于定值(53度)自动投入。
另外,采用干式电容器,绝缘介质是环氧树脂。
√常规产品投切涌流大,引发多项故障
目前无功补偿方式是采用交流接触器投切,投电容器的时候容易产生涌流,对电容器、对电网都有冲击;切电容器的时候,交流接触器拉弧。
导致如下结果:
1、电容器频繁受到冲击,容量衰减,寿命降低;2、熔断器容易击穿;3、交流接触器容易损坏。
工人师傅们往往抱怨“保险又爆了,接触器噪音受不了了”。
电容器在接通瞬间是一个暂态短路充电过程,阻抗小,充电电流可达到很高的数值,即大家俗称的“浪涌电流”,同时伴随频率从几百到几千赫兹的振荡,对电器元件是一个严峻的考验。
熔断器存在的问题:
底座必须安装绝缘垫,老化后绝缘性能下降。
频繁经过大电流后,底座碎裂炭化,碎片引起其他意外。
另外容性电流不容易断弧,导致误动、拒动、群爆现象。
如果三相只有一相熔断,就会出现三相不平衡,对电网、电容器都不利。
交流接触器在投入时因为浪涌电流,触点闭合时产生火花,容易烧损触点;切断电容时,会产生电弧,电压瞬速降低,但是电流先升后将,接触器触点容易粘联,造成回路断不开。
解决办法是选择大容量的接触器、电容专用接触器、串连限流电抗器。
因为涌流大,熔断器容易被击穿,部分开关厂改用微型断路器(空气开关),虽然方便了,但是存在很大的隐患:
微型断路器的开断能力只有4000A~6000A,如果发生相间短路,触点就会粘联,不能断开控制回路,失去保护作用,严重的时候能够导致越级跳闸,扩大故障面。
解决方案:
采用微电子技术,CPU对电压、电流的正弦波进行交流采样,根据功率因数的变化,当需要增加无功的时候,在电压过零点投入电容器;当需要减少无功的时候,在电流过零点切除电容器。
“过零投切”技术减少了浪涌电流,以上问题也不存在了。
√因控制器限制,控制级数最多12路
常规控制器内部采用继电器输出,导致回路数量不能太多,目前市场上最多12路。
如果超过12路,只能采用多回路并联使用,造成以下问题:
1、因为接触器线圈并联,电阻减少,控制回路电流增大,长期工作容易烧毁继电器;
2、多回路并联,导致每一级电容总容量增大,负荷波动时,电容频繁投切,投上去出现过补,退下来功率因数又不达标,这样就出现震荡,接触器、控制器容易损坏。
解决方案:
采用智能网络技术,RS-485网络通讯,解决了控制器的瓶颈,最多能达到120路,完全满足工程需要。
√常规功率因数控制器易损坏,系统瘫痪
目前市场上的功率因数控制器品种繁多,价格差距很大,从200元到3000元不等,质量也差距很大。
控制器出现问题,整个系统瘫痪。
所以在电容柜设计过程中,仪表盘上有一个“手动/自动”手柄开关,以备控制器损坏时切换到手动状态。
在电力系统中,因为控制器损坏而导致整个系统退出运行的案例很多。
解决方案:
取消功率因数控制器这个环节,采用智能网络技术,构建485通讯网络,多台电容器并联使用,自动生成一个网络,其中地址码最小的一个为主机,其余则为从机,构成低压无功自动控制系统。
个别从机故障自动退出,不影响其余工作;主机故障自动退出,在其余从机中产生一个新的主机,组成一个新的系统。
485通讯接口,可以接入10KV配电自动化系统的光纤/无线通讯网络,进行配电综合管理。
√三相不平衡
对于单相负荷多的地方,往往会出现三相不平衡现象,中性线上电流偏大,同时也有功率因数低的情况。
此时如果采用三相电容器补偿,改变不了不平衡的问题,还有可能加大不平衡度,导致负荷小的那相过补。
解决方案:
采用混合补偿方案,三相共补与单相补偿结合的方案。
电容的结构分为两种,三角形接线的是三相共补电容器,星形接线的是分补电容器。
√补偿精度不足,处于过补与欠补之间振荡
单只电容器容量的选择要结合变压器的容量和负荷变化性质,如果单只电容器容量过小,导致整体投资偏大;如果单只电容器容量过大,会出现投上某一只电容器后过补,退下来一只就处于欠补状态。
特别是在电动机空载状态,功率因数比较低,无功缺额不算大的情况。
解决方案:
常规的无功补偿柜普遍采用一种规格相同容量的电容器,但是利用微电子智能技术,可以搭配多种不同容量的电容器。
CPU记录每只电容器的网络地址、容量大小,容量相同的电容器按循环投切原则,容量不同的电容器按适补原则投切,补偿效果好。
√扩容不方便
常规的无功补偿柜在设计初期就已经定型,每个柜子一般在200KVAR左右。
随着企业规模的扩大,变压器容量的增容,无功补偿柜不能满足需求,只有更换大容量的电容柜,或者因为空间不足,无法再补偿。
解决方案:
智能式电容器产品体积小、接线简单,一个GGD柜最大容量可以做到800KVAR,随着用户电力负荷的增加,可以随时增加电容器的数量,改变了常规模式因接线复杂、一成不变的局限性,适应企业发展的需要,可以分期投资。
还可以方便地进行容量配置调整,实现无功补偿优化:
容量富余,拆卸几组;容量不足,随时补充几组。
√电容补偿柜发热量大,常年开门运行
电容柜热量比较大,特别是采用可控硅控制的补偿柜,附带散热器,常年开门散热。
有人误解这些热量来自于电容器。
其实电容器的发热量仅仅是一小部分,大部分来自于节点接触电阻的发热。
以常规补偿柜为例,从控制器、熔断器、接触器、可控硅、热继电器、电容器,每路电容器需要约30个节点。
一个柜内12路电容器,需要约360个节点。
另外,由于维护不及时,部分节点松动,接触电阻加大,散热量可想而知。
解决方案:
采用智能式电容器,每两路电容器需要3根线,6个节点,12路电容器需要18根线。
生产工时比常减少80%以上,减少80%的节点,降低器件能耗、导线能耗、接点能耗,柜内温升小。
四、现场存在问题
现在交流接触器、熔断器、控制器损坏,电容器容量衰减完毕。
存在电容器鼓肚爆炸的安全隐患;控制器损坏后需要人工来进行调档,补偿不精确;接线节点太多,柜内温度高,需要开门散热运行;实现不了过零投切,投切涌流大。
五、红日阿康低压无功系统改造方案
配电室1号1600KVA配变
1、现场数据:
线电压
线电流
功率因数
变压器
390V
1700A
0.7
1600KVA
2、现场原有补偿:
两台电容补偿电容柜,尺寸:
1200*600*2200一台,1000*600*2200一台。
采用交流接触器投切方式,交流接触器、熔断器、控制器烧坏,电容器容量衰减完毕,柜内采用630A和400A隔离开关。
3、补偿方案:
560kvar(主柜280kvar+副柜280kvar)
柜体
品名
型号
数量
备注
主柜
低压无功补偿子系统
TDS-23SZ/450(X)-20.20G.C
7
科湃思特
温度控制子系统
TDS-WD05
14
科湃思特
副柜
低压无功补偿子系统
TDS-23SZ/450(X)-20.20G.C
7
科湃思特
温度控制子系统
TDS-WD05
14
科湃思特
二次连接插件线缆
TDS-A(相邻电容器连接)
12
免费
TDS-F(主副柜连接30米线)
1
免费
TDS-C(TDS-120与电容器连接)
1
免费
说明:
1、隔离开关以下元器件全部拆除。
2、隔离开关需更换为630A刀熔开关。
3、电容器一次电源线采用16平方毫米BVR软铜线,需要80米。
4、另需横梁、固定螺丝等附件。
4、投资预算(以下价格不含软铜线、横梁螺丝等配件、刀熔开关):
序号
名称
规格
单位
数量
单价
总价
供货厂家
1
低压无功补偿子系统
TDS-23SZ/450(X)-20.20G.C
台
14
3400
47600
科湃思特
2
温度控制子系统
TDS-WD05
个
28
100
2800
科湃思特
费用合计:
50400元。
大写:
人民币伍万零肆佰元整。
若两台变压器都改造,投资预算约11.8万元。
配电室2号1600KVA配变
1、现场数据:
线电压
线电流
功率因数
变压器
390V
1700A
0.7
1600KVA
2、现场原有补偿:
两台电容补偿电容柜,尺寸:
1000*600*2200。
采用交流接触器投切方式,交流接触器、熔断器、控制器烧坏,电容器容量衰减完毕,柜内采用400A隔离开关。
3、补偿方案:
560kvar(主柜280kvar+副柜280kvar)
柜体
品名
型号
数量
备注
主柜
低压无功补偿子系统
TDS-23SZ/450(X)-20.20G.C
7
科湃思特
温度控制子系统
TDS-WD05
14
科湃思特
副柜
低压无功补偿子系统
TDS-23SZ/450(X)-20.20G.C
7
科湃思特
温度控制子系统
TDS-WD05
14
科湃思特
二次连接插件线缆
TDS-A(相邻电容器连接)
12
免费
TDS-F(主副柜连接30米线)
1
免费
TDS-C(TDS-120与电容器连接)
1
免费
说明:
1、隔离开关以下元器件全部拆除。
2、需更换为630A刀熔开关。
3、电容器一次电源线采用16平方毫米BVR软铜线,需要80米。
4、另需横梁、固定螺丝等附件。
4、投资预算(以下价格不含软铜线、横梁螺丝等配件、刀熔开关):
序号
名称
规格
单位
数量
单价
总价
供货厂家
1
低压无功补偿子系统
TDS-23SZ/450(X)-20.20G.C
台
14
3400
47600
科湃思特
2
温度控制子系统
TDS-WD05
个
28
100
2800
科湃思特
费用合计:
50400元。
大写:
人民币伍万零肆佰元整。
上述是一台变压器配备的无功补偿,小磷酸变压器2台变压器都配齐,投资预算需再翻一倍.
六、智能式电容器投资费用表及其它所需配件清单表
红日阿康集团低压无功补偿系统改造智能式电容器投资费用表
序号
变压器容量
变压器所属位置及补偿容量
设备名称
设备型号
数量
单价
备注
1
1600KVA
280kvar+280kvar=560kvar
低压无功补偿子系统
TDS-23SZ/450(X)-20.20G.C
14台
3400
科湃思特
温度控制子系统
TDS-WD05
28个
100
科湃思特
小计:
50400
2
1600KVA
280kvar+280kvar=560kvar
低压无功补偿子系统
TDS-23SZ/450(X)-20.20G.C
14台
3400
科湃思特
温度控制子系统
TDS-WD05
28个
100
科湃思特
小计:
50400
总计:
100800元。
大写金额:
人民币壹拾万零捌佰元整。
红日阿康集团低压无功补偿系统改造其它所需配件清单表
序号
设备名称
规格型号
单位
数量
备注
1
刀熔开关
630A
把
4
用户自备
2
电流互感器
2000/5
只
2
用户自备
3
一次电压线
BVR16平方毫米多芯软铜线
米
160
用户自备
4
横梁、固定螺丝等附件
按现场具体情况而定
用户自备
七、经济效益分析
1、线损节电量=(P/UL)²*R*T*(1/COS²Φ1-1/COS²Φ2)/1000
P=1.732*390*1700*0.7≈800KWR=0.0175*1000/90=0.19T=24*365=8760hUL=10KV
COSΦ1=0.7COSΦ2=0.9代入上式约得:
8200KW.H
公式如下:
线损节电量=(800/10)²*0.19*8760*(1/0.7²-1/0.9²)/1000
线损节电量≈80²*0.19*8760*(2-1.23)/1000
线损节电量≈6400*0.19*8760*0.77/1000
线损节电量≈8200KW.H
2、变压器铜损节电量=K*PK*A²*(1/COS²Φ1-1/COS²Φ2)/(T*S²)
K=3.6(负荷系数)PK=0.015*1600=24A=800*24*365=7008000KW.H(有功电量)
T=24*365=8760hCOSΦ1=0.7COSΦ2=0.9S=1600代入上式得:
152555KW.H
公式如下:
变压器铜损节电量=3.6*24*7008000²*(1/0.7²-1/0.9²)/(8760*1600²)
变压器铜损节电量≈3.6*24*7008000²*0.81/(8760*1600²)
变压器铜损节电量≈152555KW.H
节省电量:
152555+8200=160755KW.H,若当前电价是0.75,则折合电费是:
120566元。
3、实行力率收费,可减少电费支出。
力率电费是指电力用户感性负载无功消耗量过大,造成功率因数低于国家标准,从而按电费额的百分比追收的罚款电费。
高压计量的用户:
功率因数0.7时,力率电费=(电度电费+基本电费)×10%,
4、功率因数补偿到0.9时,由上述得,单台变压器节省电费:
(利率电费+120566)元
5.投资回报期:
投资回报期:
1、总投资约11万元
2、年创造效益12万元
投资回报期约:
11个月
八、结束语及联系方式
国家为减少供电线路的电能损耗,改善电能质量,鼓励用户采取各种措施改善功率因数。
在有功功率合理分配的同时,做到无功功率的合理分布。
按照就近的原则安排减少无功远距离输送。
增设无功补偿装置,提高负荷的功率因数。
合理地配置无功补偿装置,改变无功潮流分布,减少有功损耗和电压损耗、减少发电机送出的无功功率和通过线路、变压器传输的无功功率,使线损大为降低,还可以改善电压质量,提高线路和变压器的输送能力。
实现无功补偿,不仅能改善电压质量,对提高电网运行的经济性也有重大作用,应根据各种运行方式下的网损来优化运行方式,合理调整和利用补偿设备提高功率因数。
对电网进行无功补偿时,根据电网中无功负荷及无功分布情况合理选择无功补偿容量和确定补偿容量的分布,以进一步降低电网损耗。
实际补偿过程中,电容器容量的选择是一个十分重要的问题,如果我们选择的容量过小,则起不到很好的补偿作用;如果容量选择过大,供电回路电流的相位将超前于电压,就会产生过补偿,引起变压器二次侧电压升高,导致电力线路及电容器自身的损耗增加。
无功补偿是日常运行中最常用、最有效的降损节能技术措施,无功分散补偿更能实现无功的就地平衡。
对降低供电线损,提高配网供电能力,改善电压质量都有重大意义,所以,在配电网建设与改造中应大力推广无功补偿技术。
2011年11月23日
减少电费
利率
0.90
0.91
0.92
0.93
0.94
0.95——1.00
月电费减少
%
0.00
0.15
0.30
0.45
0.60
0.75
增收电费
利率
0.89
0.88
0.87
0.86
0.85
0.84
0.83
0.82
0.81
0.80
0.79
0.78
0.77
0.76
0.75
0.74
0.73
0.72
自0.64及以下,功率因数每降低0.01电费增加2%
月电费增加
%
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
8.5
9.0
利率
0.71
0.70
0.69
0.68
0.67
0.66
0.65
0.64
0.63
0.62
0.61
0.60
0.59
0.58
0.57
0.56
0.55
0.54
月电费增加%
9.5
10
11
12
13
14
15
17
19
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利率
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