无功补偿的计算.docx
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无功补偿的计算
无功补偿的计算
一、系统基本情况
XX钢丝绳有限公司35kV变电所目前采用二台SZ11-35±3×2.5%/0.4,1600kVA（Dyn11、U%=6.5）变压器，预留一台SZ11-35±3×2.5%/0.4,1600kVA变压器，电力供电系统经35kV变压器直接降压为0.4kV低压配电系统向热处理车间、拉丝车间、捻股合绳车间和工厂照明等供电。
主要负荷为电动机。
全厂总供电负荷4800kVA（包括预留），总用电负荷3200kW。
系统容量一般由当地供电部门提供，也可将供电电源出线开关的开断容量作为系统容量。
根据设计院图纸，每台35kV变压器额定电流为2309.5A,额定分断电流为20kA，三台35kV变压器的总分断电流为60kA，则可认为系统容量S=3×（1.73×20（kA）×35000（V））=3×1211MVA≈3600MVA。
实际可将上一级110kV系统设为无穷大。
二、用电设备基本情况
1．用电负荷
XX钢丝绳有限公司的主要用电负荷，拉丝车间的用电负荷为2720kW，热处理车间负荷为240kW，捻股合绳车间负荷为903kW等。
主要设备为拉丝机，捻绳机等用电动机，全厂共拥用70台不同容量的电动机，总容量为3909kW。
电动机的容量、数量（由设计院提供）见表1。
表1：
电动机的容量、数量
设备名称
容量（kW）
数量
总容量（kW）
功率因数COSΦ
额定电流（A）
启动方式
电动机
137
8
1096
0.9
245
AC-DC-AC变频整流调速装置
电动机
110
2
220
0.9
204
电动机
90
6
540
0.89
167
AC-DC励磁单向调速装置、
电动机
55
20
1100
0.89
102.7
电动机
45
5
225
0.89
84
电动机
30
10
300
0.89
56.9
电动机
22
4
88
0.89
42.2
电动机
18.5
15
345
0.89
35.5
总计
70
3909
2．用电负荷的谐波
根据我们分析，用电负荷的谐波主要来自以下几方面：
（1） 拉丝机的动力采用电磁调速电动机
拉丝机的动力采用电磁调速电动机，电磁调速电动机普遍采用YCT系列调速电动机，该系列调速电动机由鼠笼式异步电动机、电磁转差离合器和控制器三部分组成，能在规定的调速范围均匀地、连续地无级调速，并输出额定转矩。
控制器是将速度指令信号电压和调速电动机速度负反馈信号电压比较后，经放大电路及移相触发电路，从而控制了晶闸的开放角，改变了转差离合器的励磁电流，使调速电动机转速保持恒定。
调节励磁电流即能使电动机在规定的调速范围内实现无级调速。
控制器的控制电机功率、最大输出（直流）见表2。
表2：
控制器控制电机功率、最大输出（直流）
控制电机功率（kW）
15-40
45-90
最大输出（直流）
90V，5A
90V，8A
（2）变频整流调速电动机
全厂有110、137kW变频调速三相异步电机10台，总负荷1316kW，占全部电动机容量的34%。
。
该电机由变频整流调速装置来调速，一般采用6脉动交-直-交电流型变频器。
电网通过可控硅三相全控桥给变频器供电，功率因数角约等于控制角a。
供电电流包含6±1次谐波（K=1、2、3…），并且在直流电流无脉动的理想情况下，n次谐波电流含量是基波电流的1/n。
实际上，直流电流脉动导致五次谐波和七次谐波含量增加，大于七次谐波的高次谐波含量减少。
（3）无功补偿装置
变频器用量较大的用户，用电容器进行无功力率补偿虽然可以大副度降低基波无功电流，但是必然出现谐波放大现象。
这时，供电电流和电容器电流中谐波和间谐波电流大副度增加。
（4）热处理设备
热处理设备一般采用工频感应加热整流装置，小型换流装置采用６脉冲，其运行时产生大量谐波，产生的谐波可能影响到自身，连接于同条供电线路的其他负荷。
三、无功补偿容量的计算
XX钢丝绳有限公司35kV变电所的无功补偿电容器安装在35kV变压器的低压侧，即安装在每一台SZ11-35±3×2.5%/0.4,1600kVA变压器0.4kV的母线上。
计划安装无功补偿装置6台，总补偿容量为1440kvar（估计按总供电负荷4800kVA的30%进行无功容量补偿。
），无功补偿装置分布安装在不同的变电室，每个变电室安装3台电容器柜，每柜电容器容量240kvar，分12组，每组20kvar，补偿容量为720kvar。
其无功容量主要补偿35kV配电变压器的空载无功功率和漏磁无功功率以及用以补偿电动机的无功消耗。
计算由设计院在对处于设计阶段的企业已确定无功补偿电容器的容量，本谐波容量计算分析以此为依据。
由于用电负荷存在大量谐波，无功补偿电容器对谐波放大，电容器由于超温和过压而损坏，供电变压器温升加大。
为避免谐波电流大副度增加，谐波治理与无功功率补偿必须同时进行。
四、谐波容量的计算
1． 用户谐波源的特性（谐波次数、谐波量等）分析
根据用电负荷分析，并结合我们工作经验，我们初步分析用户谐波源的特性如下：
1.1谐波次数
该工厂的用电负荷应视作为三相对称负荷，偶次谐波可以不考虑，主要为奇次谐波,奇次谐波的主要5次、7次谐波。
1.2 谐波量
（1）AC-DC-AC变频整流调速装置
采用AC-DC-AC变频整流调速装置的电动机负荷为1316kW,额定电流为3463.2A,取谐波电流的含量15%额定电流,即519A.
（2）AC-DC励磁单向调速装置谐波电流的分量89.5A。
（3）工频感应加热整流装置
工频感应加热整流装置的负荷为260kW,额定电流309.3A,取谐波电流的含量20%额定电流,即61.86A。
以上三项的谐波电流的含量约670A。
按78%的谐波电流考虑，取519A的谐波电流为计算依据。
1．3 各次谐波电流含量
2. 电能质量的要求
国家标准GB/T14549-93《电能质量 公用电网谐波》谐波水平的要求如下：
电压总谐波畸变率和奇次谐波电压含有率见表7。
表7:
电压总谐波畸变率和奇次谐波电压含有率
电压总谐波畸变率
奇次谐波电压含有率
0.38kV系统
THDV≤5%
THDh≤4.0%
35kV系统
THDV≤3%
THDh≤2.4%
注入0.38kV母线的各次谐波电流含量不超过（基准容量100MVA）表8所列值：
表8:
注入母线的各次谐波电流允许值
谐波次数
3
5
7
9
11
13
谐波电流含量（A）
62
62
44
21
28
24
谐波次数
15
17
19
21
23
25
谐波电流含量（A）
12
18
16
8.9
14
12
经过分析，9次以上的谐波电流含量比较接近国家标准允许值，5次、7次谐波电流含量严重超标。
该企业35kV侧的第5次和7次谐波电压和公共连接点,且控制在国家标准允许值2.4%额定电压之下。
这时该企业注入系统的第5次和7次谐波视在功率之和不超过：
1.2%×√3×35×6.84＋1.2%×√3×35×5.09＝4.98＋3.70＝8.68（kVA）
该值仅为供电负荷（4800kVA）的0.18%，而且谐波有功功率还应更小。
3. 系统的谐波阻抗特性
系统的谐波阻抗特性原则上用实测值或可靠的计算值,但根据XX钢丝绳有限公司35kV变电所具体情况作如下处理：
当母线上由短路容量换算所得的基波电抗Xs*（*为标么值）中主变压器的电抗占绝对优势时,系统等值谐波电阻Rsh一般很小,可忽略不计。
可以认为谐波电抗为hXs。
35kV1600kVA变压器的电抗Xs*＝7/1.6＝4.375,三台变压器的等值电抗为1.458
则5次谐波电抗Xs5*＝5×Xs*＝7.292,7次谐波电抗Xs7*＝7×Xs*＝10.206。
七、TAL型低压自动滤波装置介绍
1．概述
由于大量的非线形负载，如整流装置、冶炼炉、电气化机车、高频炉、中频炉、电电弧、单晶炉等谐波源对电网的谐波污染，电网质量越来越差，绝大地危害用电设备的安全和能源的浪费，电网质量越来越满足不了用户的要求。
而电力部门没有象要求无功功率因数达标及罚款规定，统一要求产生谐波的用户进行有效治理的办法，国家也没有一部象治理环境污染一样的谐波污染治理法。
虽然，我们研制了治理谐波源的低压TAL0.4型低电压滤波装置和TBB0.4型低压无功补偿装置，取得良好效果，并于1993年通过了机电部和能源部的产品鉴定，在国内率先迈出了可喜的第一步。
当前用电形势表明，电力用户对电网质量要求越来越高，治理谐波污染势在必行，我公司与西安电力电容器研究所合作在原基础上研制了0.4kV的TAL-2新型低压自动滤波装置，服务于谐波治理事业。
2．产品用途和技术说明
要治理电网的谐波，首先从根本上去治理产生大量谐波的谐波源，也就是说对产生大量谐波的设备，如整流装置、冶炼炉、中频炉、单晶炉等，进行谐波测量、监测，TAL型低压自动滤波装置是在TAL型低电压滤波装置的基础上进行优化设计并改进的产品，直接用于治理谐波源。
本产品设计原理先进、标准化成度高、成本低、节能效果好、安全可靠。
该装置可有效地滤除高次谐波，改善电压和电流质量，并向系统提供容性无功，提高功率因数。
本产品适用于需要补偿无功功率和实现滤波功能的用户。
3．产品的主要结构
◇可控硅晶闸管（科技型）或专用断路器（经济型）。
◇干式空芯电抗器或树脂绝缘干式电抗器。
◇滤波电容器（装置采用金属化薄膜电容器）。
◇新型自动化控制器，按无功功率和谐波量自动投切谐波滤波支路，并具有谐波超显示、报警和保护。
◇标准柜体（2260×800×600）。
也可按照设计院确定的柜体尺寸（如:
2200×1000×1000）。
◇保护功能齐全：
有短路、过载、过压、欠压、缺相及谐波超值保护等。
4．产品的主要特点
◇采用无触点自动投切，可以连续频繁投切滤波器组而不影响开关和电容器的寿命。
或采用专用真空断路器投切滤波器组而不发生重燃。
◇即时检测系统谐波电流频谱和无功波动幅度和频率，进行实时补偿。
◇实时显示系统谐波电流等数据。
◇除标准产品外，还可根据客户系统专门设计，滤波效果可达80%以上，补偿后功率因数≥0.95。
◇动态响应时间快，响应时间不超过20ms。
◇投切时无暂态冲击，无合闸涌流，无电弧重燃，无需放电即可再投。
5．产品的创新点
采用带谐波监测功能的新型无功功率控制器，该控制器是我国目前唯一贯彻新国标JB7113-93而设计的填补国内空白的产品。
本控制器除具备一般保护器的循环投切等功能外，还能和谐波监测保护器配套，具备谐波超值保护及二次过电压保护等功能，使控制器对电容器的投切及保护完全符合新国标JB7113-93的要求。
对多调谐滤波支路采用固定投切+动态投切的混合运行方式。
八、附加说明
以上是初步计算，等资料更充分和详细后，可对整个无功补偿功率和滤波器作一计算机辅助设计，进行无功和谐波潮流分析和滤波效果评估。
但是，无功补偿装置和滤波装置的8个柜子是不会改变的，总的容量也不会大的调整，只是对个别参数进行一些修改。
我公司会进一步配合设计院的工作，并表示在本项目与设计院合作。
35kV变电所用ESH1000谐波监测保护装置
一、谐波监测保护装置的具体应用
1 监测的谐波参数
根据DL/T5137-2001《电测量及电能计量装置设计技术规程》的规定，应对本35kV变电所如下PCC连接点进行监测：
1.1 系统指定谐波监视点35kV母线的谐波电压。
1.2 0.4kV无功补偿装置所连接母线的谐波电压（变压器0.4kV连接母线）。
1.3 产生谐波源0.4kV无功补偿装置回路的谐波电流。
1.4 产生谐波源滤波器回路的谐波电流。
2 监测保护单元的配置（见表1）
表1 监测保护单元配置表
监 测 点
监测谐波参数
监测保护
模块数
监测保护信号
采集的位置
备 注
35kV母线
谐波电压
3（三相）
仪表用PT二次/100V
1#变压器0.4kV母线
谐波电压
3（三相）
仪表用PT二次/100V或0.4kV的相电压
2#变压器0.4kV母线
谐波电压
3（三相）
3#变压器0.4kV母线
谐波电压
3（三相）
预留
1#无功补偿装置
谐波电流
1（单相）
CT二次500/5A
2#无功补偿装置
谐波电流
1（单相）
CT二次500/5A
3#无功补偿装置
谐波电流
1（单相）
CT二次500/5A
4#无功补偿装置
谐波电流
1（单相）
CT二次500/5A
5#5次滤波装置
谐波电流
1（单相）
CT二次500/5A
6#5次滤波装置
谐波电流
1（单相）
CT二次500/5A
7#7次滤波装置
谐波电流
1（单相）
CT二次500/5A
8#7次滤波装置
谐波电流
1（单相）
CT二次500/5A
总计
20
注:
监测保护模块数由用户确定，可任意灵活配置
二、ESH1000谐波监测保护装置的连接和安装位置和连接
1．安装位置
根据设计院的要求本ESH1000谐波监测保护装置安装在35kV变压器的高压配电室，即第10号柜的位置。
但是35kV高压开关柜的尺寸很大，监测保护装置一般与0.4kV开关柜的尺寸一致比较适宜，并且操作和观察比较安全。
监测保护装置的尺寸为宽度×高度×深度（800×2262×600mm）。
2． 监测保护装置的连接
35kV母线的电压信号取自PT二次/100V仪表用的输出信号，三组电压信号。
0.4kV母线的电压信号分别取自1#变压器、2#变压器、3#变压器（预留）的PT400/100V仪表用的输出信号或直接取0.4kV母线的相电压（如没有PT的情况下），九组电压信号（预留三组）。
无功补偿装置和滤波装置的信号分别取自CT二次500/5A的输出信号，1#、2#、3#、4#无功补偿装置各取1路电流信号，5#、6#、7#、8#滤波装置各取1路电流信号。
信号回路在额定输入电压电流参数下,每回路（通道）消耗的视在功率不大于0.75VA。
3． 连接导线的选择
二次电压和电流信号线采用仪器用电缆，单芯双绞线或三绞线，PVC绝缘、PVC护层并带有外屏蔽，截面不小于1.5mm2。
监测保护装置用电源电缆（220V）截面不小于2.5mm2，采用镀锡铜绞线。
监测保护装置的功率为单相1kW。
屏柜上所有元件都完成内部连线，设备与端子的连接在端子排内侧进行，屏内配线布置整齐；电源电缆和信号电缆从底部进线，用独立的接线端子，电源电缆和信号电缆之间完全分开。
接线端子留有10%的裕度。
三、ESH1000谐波监测保护装置的使用条件和主要功能（详细见用户手则）
1．ESH1000谐波监测保护装置的使用条件
1.1使用环境条件
◇ 周围空气温度不超过40℃；且在24h内测得的平均值不超过35℃。
最低周围空气温度为-10℃。
◇ 相对湿度：
不超过95%。
◇ 大气压力：
80～110kPa（相当于海拔2000m）
1.2 基本参数
（1）装置额定交流电压、直流电压及允许偏差
◇额定交流电压:
220V,容许偏差±20%,50HZ±1HZ,谐波电压总畸变率≯8%;
100V,容许偏差±20%,50HZ±1HZ,谐波电压总畸变率≯8%;
◇额定直流电压:
220V,容许偏差±20%;
100V,容许偏差±20%。
（2）装置交流回路过载能力
◇交流电压：
1.2UN-----连续工作;
◇交流电流：
2IN-----连续工作;
40IN-----1s。
（3）功率消耗
◇220V供电,电源消耗的有功功率不大于1kW;
◇信号回路在额定输入电压电流参数下,回路（通道）消耗的视在功率不大于0.75VA/回路（通道）。
1.3 主要功能
（1）检测功能
对要求的通道（电流通道、电压通道）信号进行同时监测。
（2）显示功能
对要求的通道（电流通道、电压通道）信号进行显示。
（3）分析计算功能
分析计算1-25次谐波有效值、畸变率、95%概率值、谐波功率、电网频率等参数，并能以图形、表格等多种形式输出分析结果。
由ESH100谐波监控管理软件来实现。
（4）超限报警功能
各次谐波电压、电流独立设置报警定值和时限定值，当谐波越限时，计算机报警并记录当时的时间及报警前后一段时间内的波形和参数以便查询。
由ESH100谐波监控管理软件来实现。
（5）保护功能
各次谐波电压、电流独立设置保护动作定值和时限定值，当谐波越限时，自动产生控制信号驱动保护跳闸继电器输出作用于保护跳闸。
本项目的无功补偿装置和滤波装置的谐波电流越限时,可提供开关接点,并结合无功功率的大小来控制无功补偿装置和滤波装置各支路的投和切。
（6）设置功能
谐波电压/电流的有效值、负序值和总畸变率的报警保护定值以及PT、CT的变比根据用户要求整定，具有时钟、系统基本参数的重新设置、更改、删除功能。
由ESH100谐波监控管理软件来实现。
（7）记录存储功能
历史数据及故障波形存储在大容量硬盘中，可随时通过不同的检索途径查询及显示历史某一段时间的谐波数据。
存储记录时间为：
一个月、一季度、一年或更长。
（8）统计功能
可按小时、天、月、季度、年统计各次谐波电压、电流的95%概率值、畸变率值、功率值、负序值等参数，并可以图形、报表多种形式输出分析结果。
（9）越限统计功能
可按月、季度、年统计谐波超标的次数、总时间。
（10）打印功能
设置屏幕打印实时数据表格/图形打印、历史数据表格/图形打印、统计表格/图形打印功能。
（11）通讯功能
在线监测装置应根据实际应用环境的通讯要求,至少具备一种标准通讯接口,实现监测数据的实时传输或定时提取,本装置设置了RS485/232接口，也可设置以太网接口。
（12） 停电数据保持
长时间断电时,装置不应出现误读数,并应有数据保持措施,至少保持四个月以上;电源恢复时,数据不丢失。
四、ESH1000谐波监测保护装置的主要部件
1．硬件
ESH-1000谐波在线监测装置的各组成部件均采用了工业设备中的主流配置，和自主研发的谐波采集模块。
具有良好的扩展性和兼容性。
ESHM-101电压谐波在线监测仪、ESHM-102电流谐波在线监测仪是本公司自主研发生产的具有高科技含量的产品，能灵活应用于各种系统中。
监测仪运行稳定可靠，可在极为恶劣的环境下长期连续运行，提高了装置的运行适应能力。
本装置采用了国际知名品牌Advantech原装IPC-610系列工控机，性能卓越、稳定，可在比较恶劣的环境中长时间稳定运行。
本装置的显示屏配以专为工业自动化应用而设计的15寸超大平板液晶显示屏，能够使画面更为逼真，视角更为清晰。
本装置设置设置打印机，可供数据库的内容进行打印。
本装置的所有接线端子都采用菲尼克斯的接线端子；开关电源采用明纬S-15-5；空开采用施乃德电气C10；不间断电源采用山特，功率500W。
本装置设置RS485通信接口、USBI/O接口。
2．软件
2.1软件内容
随装置配置ESH100谐波监控管理软件，软件包括如下内容：
◇ Windows2000操作系统：
用于系统管理和网络服务。
◇ SQLServer2000：
用于数据服务。
◇ ESH100谐波监控管理软件运行包：
用于提供页面的浏览和可控点的操作功能并显示装置及设备的数据信息。
◇ ESH100谐波监控管理软件界面组态运行包：
用于提供页面的编辑修改功能。
◇ ESH100谐波监控管理软件数据维护包：
用于数据库的维护和管理。
2.2 软件使用说明（见）。
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