钢铁企业供配电系统无功补偿

钢铁企业供配电系统无功补偿

孙立军，**************公司

摘要：本文分析了无功补偿在钢铁企业用电系统中的必要性，介绍了集中补偿、分散补偿、就地补偿3中无功补偿方式，比较了动态无功补偿与静态无功补偿的特点，以及无功补偿在整个钢铁企业用电系统中的重要意义。

关键词：无功补偿、动态无功补偿、静态无功补偿

0 引言

钢铁企业用电具有容量大、负荷冲击大、起制动频繁、快速性等特点。轧机、炼钢电弧炉、大型风机等应用较多的大功率变流、变频装置，在正常运行时会引起无功功率较大的波动、低功率因数、损耗增加、谐波含量超标等问题，严重影响配电系统电能质量和用电设备的安全、可靠运行。

为确保企业电网正常运行，使各等级供电电压稳定在一定范围内，同时达到合理用电、节约用电的目的，就必须规划、设计、合理安装无功补偿设备。

1 无功负荷与补偿方式

1.1 无功负荷

1）钢铁企业配电系统中，异步电动机、感应电炉、吊车、交流电焊机等大量电感性设备是主要的无功功率的消耗者。

2）电力变压器所消耗的无功功率一般为其额定容量的10%~15%，空载无功功率约为满载时的1/3左右。变压器空载运行或长期处于低负载状态下运行会大大降低功率因数。

3）当供电电压超出规定范围时会对功率因数造成很大的影响。供电电压高于额定值的10%时，由于磁路饱和的影响，无功功率将

增长得很快；低于额定值时，无功功率将相应减少，而使功率因数有所提高。但是，供电电压降低会影响电气设备的正常工作。

1.2 补偿原则

无功补偿实质上是借助无功补偿设备提供必要的无功功率，以此来提高系统功率因数，降低电能损耗，减小电压波动。从电网无功功、率消耗的基本情况看，各级供电网络和配、用电设备都要消耗一定数量的无功功率，尤其低压配电网消耗所占的比例更大。为最大限度地减少无功功率的传输损失，提高供电设备效率，一般无功补偿设备的配置应符合“分级补偿，就地平衡”的原则。

1.3 补偿方式

目前，电力系统的补偿方式有以下几种：

1）集中补偿。将配电系统所需的无功补偿容量全部集中在变电所或配电变压器的馈电汇流母线上，进行统一的补偿。这种补偿方式比较适合负荷集中、无功补偿较大的场合。其主要优点有：a.可提高变压器的有功输出容量，增大供电能力；b.可通过无功补偿自动控制装置，实现电容器组自动投切，避免过补偿；c.设备利用率较高，便于管理。其缺点主要有：a.在高压侧补偿，设备一次性投入较大；b.投切容量大；c.合闸冲击电流较大，切除和轻载时易产生过电压，影响系统稳定运行。

2）分散补偿。将配电系统所需要的无功补偿容量按局部负载大小进行分配。这种补偿方式适合负载较分散的场合。其优点主要有：

a.有利于实行无功分区控制，分区平衡，被补偿网络能较经济地运行；

b.电容投切时冲击电流小。其缺点主要有：a.只能减少高压配电线路和变压器无功负荷，不能减少低压配电线路的无功损耗；b.补偿设备的利用率较低；

c.安装分散，维护不方便。

3）就地补偿。将电容器直接安装在用电设备附近，对系统最末端负载所消耗的无功功率进行就地补偿。当负载中大中型电机比重较大，或单体整流负荷较大，利用小时数又较高时，这种补偿方式效果最佳。但在对年利用小时数较低的设备进行补偿时利用率较低，而且补偿容量选择不当时，可能产生自励磁过电压，损坏电机。

2 动态无功补偿

并联电容器组具有运行可靠、维护方便、容量组合容易、可以分组投切等特点，在钢铁企业中得到广泛应用。钢铁企业配电系统的主要特征之一是非线性，即存在分布广泛的高次谐波，而谐波对并联电容器运行有很大影响，并联电容器对谐波具有放大作用，严重时还可能产生谐振，对设备的安全运行造成威胁。因此，必须合理配置电容器和串联电抗器，避免谐振发生，控制谐波电流放大，保证整个电网的安全运行。

随着电力电子技术的发展，静态无功补偿器以其可连续调节、性能好、响应快等特点，近些年得到了快速发展和越来越广泛的应用。静止型无功设备大致可分为静态无功补偿装置（SVC）和静态无功发生器（SVG）。

2.1 静态无功补偿装置（SVC）

SVC采用电力电子开关器件代替传统的机械式开关，能够克服机械式开关响应时间慢、维护不方便、抗冲击能力不强等缺点，提供连续变化的感性无功功率或容性无功功率，实时跟踪补偿电网的无功负荷，自动控制补偿量，在一定的范围内实现平稳的电压控制，减小损耗，提高功率因数，吸收高次谐波，补偿三相负荷的不平和特性。

2.2 静态无功发生器（SVG）

SVG的基本原理是将自换相桥式电路通过电抗器或直接并联到

电网上，适当调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，使电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。

3 无功补偿节能分析

功率因数反映了电源输出的视在功率被有效利用的程度，功率因数达到理想范围，供配电系统中的无功功率就可以降低到最小程度，因而视在功率就可以更多地供给有功功率，提供电能利用效率。

3.1 减小系统压降

通过无功补偿，可有效减少电压损失。系统负荷电压损失ΔU简化计算公式为

ΔU=（PR+QX）/U （1）

式中，U为线路额定电压，kV；R为线路电阻，Ω；P为有功功率，kW；X为线路电抗，Ω；Q为无功功率，kvar。

安装补偿设备容量Q c后，线路电压降为ΔU1，计算公式为

ΔU1= [ PR+（Q-Q c）X ] /U （2）由（1）、（2）式可知接入无功补偿容量Q c后电压升高量为

ΔU-ΔU1= Q c X / U （3）由于越靠近末端，线路的电抗X越大，因此，从（3）式可以看出，越靠近线路末端装设无功补偿装置效果越好。

3.2 提高设备利用率

1）在设备容量不变的条件下，因为减少了无功功率的输出，所以可以多输出有功功率，从而充分发挥设备潜力，提供设备利用率。可多输出的有功功率为

ΔP=P1-P=S（cosφ1 -cosφ）（4）

式中，P1为无功补偿后的系统有功功率，kW；S为系统视在功率，kV A，无功补偿前后不变；cosφ，cosφ1分别为补偿前后的功率因数。