CN104734163A

CN104734163A - 一种变压器轻载运行时的功率因数补偿装置、连接系统及其补偿方法

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Publication number: CN104734163A
Application number: CN201410697979.2A
Authority: CN
Inventors: 马国平
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-11-19
Filing date: 2014-11-19
Publication date: 2015-06-24

Abstract

一种变压器轻载运行时的功率因数补偿装置，包括箱体，箱体内设有并联设置的若干组补偿单元，补偿单元包括依次串联在一起的空气开关、熔丝、电容器，空气开关上连有连接导线，电容器上连有接地导线。还提供了一种使用上述功率因数补偿装置的连接系统，包括依次相连的高压侧计量装置、变压器、低压出线总开关、低压无功补偿装置以及用户负载，功率因数补偿装置与变压器低压母排相连接，功率因数补偿装置与变压器低压母排的连接点位于低压出线总开关上桩位置，且在低压无功补偿装置中控制器的电流信号取样点之前。其有益效果是：使变压器在轻载运行情况下高压侧输入功率因数达到标准值，避免高供高计用户负荷低时功率因数低所引起的力调电费的罚款。

Description

一种变压器轻载运行时的功率因数补偿装置、连接系统及其补偿方法

技术领域

本发明涉及一种功率因数补偿装置、连接系统及其补偿方法。

背景技术

通常我们认为电力系统中高压用户用电负荷理想情况下的运行状态是功率因数接近1.0，略微程感性，电流略微滞后电压。这种运行方式能保证变电所的出线功率因数接近1.0，通过变电所电容器组的自动投切保证主变压器二次侧输出功率因数也接近1.0，主变压器容量利用率达到最高，线损达到最小。供电部门为了保证变电所主变压器容量利用率达到最高、线损降到最低，对高压用户用电负荷的功率因数进行了考核，当用户的功率因数较好时给予其一定奖励，功率因数较差时给予一定处罚。

在实际用电过程中，大多数高压用户可以通过低压无功补偿装置自动补偿电容器，使总体功率因数达到考核标准。目前市面上普遍使用的低压无功补偿装置补偿原理为：从配电变压器低压侧出线总开关下桩头母排取电流信号，从低压母线取电压信号，通过控制器微机计算得到需补偿无功功率值，按照自动寻优或循环投切方式投切电容器，使功率因数达到设定标准。

该低压无功补偿装置存在以下缺点：①采样信号均取自配电变压器低压侧，因此其实际效果仅能保证变压器低压侧负荷输出功率因数补偿至设定标准以上，无法保证变压器高压侧输入功率因数达到标准值。②各厂家生产的无功补偿控制器工作条件均为变压器负荷达到一定值以上(各厂家产品不同，灵敏度不同)，未考虑变压器严重轻载甚至接近空载这一运行状态下的无功补偿，对严重轻载变压器无补偿措施。

因此少数高压用户由于各种原因(设备调试、季节性峰谷生产、节假日放假、业务量下降等)造成短时(几周、几个月)生产负荷下降甚至停产，仅剩办公照明生活等基础用电时，此时变压器严重轻载甚至接近空载，无法通过低压无功补偿装置进行补偿，实际功率因数很低。当供电部门考核其功率因数时，力调电费罚款往往占电费很大比重。实际根据供电部门统计：月力调电费罚款上万元的用户60％是由于变压器严重轻载功率因数低引起。因此，如何提高变压器轻载运行时的功率因数是急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足，提供一种变压器轻载运行时的功率因数补偿装置，可以提高变压器轻载甚至接近空载运行时的功率因数，避免高供高计用户负荷低时功率因数低所引起的力调电费罚款。

为了实现上述目的，本发明所设计的一种变压器轻载运行时的功率因数补偿装置，包括箱体，所述箱体内设有并联设置的若干组补偿单元，所述补偿单元包括依次串联在一起的空气开关、熔丝以及电容器，所述空气开关上连有可与变压器低压母排相连接的连接导线，所述电容器上连有接地导线。

进一步，还包括若干电抗器，所述电抗器串联在熔丝与电容器之间。

进一步，还包括若干通过熔丝与空气开关相连接的指示灯。

优选的，所述电容器为三相电容器，内部接线方式为三角形连接。

优选的，所述补偿单元为三组，让补偿更精确。

通过控制空气开关的分合调节电容器的电容量大小或者电容器与电抗器的组合电容量的大小，从而提高变压器在轻载甚至接近空载运行的情况下的功率因数，从而避免高供高计用户负荷低时功率因数低所引起的力调电费的罚款。

本发明还提供了一种使用上述的变压器轻载运行时的功率因数补偿装置的连接系统，包括依次相连的高压侧计量装置、变压器、低压出线总开关、低压无功补偿装置以及用户负载，所述功率因数补偿装置与变压器低压母排相连接，所述功率因数补偿装置与变压器低压母排的连接点位于低压出线总开关上桩位置，且在低压无功自动补偿装置中控制器的电流信号取样点之前。将功率因数补偿装置与变压器低压母排的连接点设置在低压无功自动补偿装置中控制器的电流信号取样点之前，可以提高变压器轻载运行时系统整体功率因数补偿的灵敏度。

其中低压无功补偿装置为现有技术，如JKW、RVC等型号，不再赘述

本发明还提供了一种使用上述变压器轻载运行时的功率因数补偿装置的连接系统的补偿方法，包括以下步骤：

a、对变压器轻载运行时消耗的无功功率进行估算，以该估算值为基础选择相适应型号的功率因数补偿装置并接入该连接系统中；

b、对用户实际变压器轻载运行消耗的无功功率以及照明、办公、生活等基础用电消耗的无功功率进行测算，从而得到该用户该运行状态下从电网吸收的无功功率，再根据无功功率调节功率因数补偿装置中的电容器的电容量或者电容器与电抗器的组合电容量，从而使变压器在轻载运行时能够提高功率因数达到标准值。

进一步，所述对用户实际变压器轻载运行消耗的无功功率以及照明、办公、生活等基础用电消耗的无功功率的测算公式为：Q＝(W₂-W₁)/24*n，其中，W₂、W₁表示用户仅基础用电期间不同日期的无功电能表读数，n表示W₂、W₁的天数差，W₂、W₁可以直接从供电部门电力用户用电信息采集系统中得到。

进一步，所述变压器轻载运行消耗的无功功率进行估算公式为：Q_T＝I₀(％)*S_N/100，其中I₀(％)：变压器的空载电流百分比；S_N：变压器的额定容量。

优选的，所述电容器的电容量或者电容器与电抗器的组合电容量的调节范围为0-10kVar。

本发明得到的一种变压器轻载运行时的功率因数补偿装置、连接系统及其补偿方法，其技术效果是：1、可以直接补偿配电变压器轻载甚至接近空载运行情况下的无功损耗以及照明、办公、生活等基础用电消耗的无功，使变压器在轻载运行甚至在接近空载运行情况下高压侧输入功率因数达到标准值；2、该装置接入系统无功容量可调节，且调试方式简单，仅需控制空气开关的分合即可将电容器打到合理值，适合用户电工操作，无安全隐患；3、该装置和低压无功补偿装置配合使用，不影响用户正常负荷下用电；4、该装置结构简单，成本低；5、经济效益明显，可以避免因用户负荷低时功率因数低所引起的力调电费的罚款；6、该装置一旦调节完成后用户无需再操作本装置，无需维护。

附图说明

图1是本发明的一种变压器轻载运行时的功率因数补偿装置的整体结构示意图。

图2是本发明的一种变压器轻载运行时的功率因数补偿装置的连接系统结构示意图。

图3是本发明的一种变压器轻载运行时的功率因数补偿装置的连接系统的部分电路示意图。

图4是实施例1、实施例2、实施例3中的功率因数补偿装置内部结构示意图。

图5是实施例4、实施例5中的功率因数补偿装置内部结构示意图。

图6是实施例6改造前的设备系统部分电路图。

图7是实施例6改造后的设备系统部分电路图。

图8是实施例7中的功率因数与负载变化曲线对照图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：

如图1、4所示，本发明提供的一种变压器轻载运行时的功率因数补偿装置1，包括箱体11，所述箱体11内设有并联设置的三组补偿单元，所述补偿单元包括依次串联在一起的空气开关12、熔丝13、电抗器14以及电容器15，所述空气开关12上连有可与变压器2低压母排相连接的连接导线16，所述电容器15上连有接地导线17，所述箱体11上设有三个通过熔丝13与空气开关12相连接的指示灯18。

本实施例中，所述电容器15为三相电容器，内部接线方式为三角形连接。

本发明还提供了一种使用上述功率因数补偿装置1的连接系统，如图2、3所示，包括依次相连的高压侧计量装置6、变压器2、低压出线总开关3、低压无功补偿装置4以及用户负载5，所述功率因数补偿装置1与变压器2低压母排相连接，所述功率因数补偿装置1与变压器2低压母排的连接点8位于低压出线总开关3的上桩位置，且在低压无功自动补偿装置4中控制器的电流信号取样点7之前。将功率因数补偿装置1与变压器2低压母排的连接点8设置在低压无功补偿装置4中控制器的电流信号取样点7之前，可以提高变压器轻载运行时系统整体功率因数补偿的灵敏度。

本实施例中的功率因数补偿装置1中的元件配置参数如表1所示：

表1

组合电容调节范围：1.713kVar-7.706kVar，共分为7档，如表2所示：

表2

1档

2档

3档

4档

5档

6档

7档

1.713kVar

2.569kVar

3.425kVar

4.281kVar

5.139kVar

5.994kVar

7.706kVar

本实施例中的功率因数补偿装置1的适用范围：高供高计用户的用电负荷含3次及3次以上谐波。

将本实施例中的功率因数补偿装置1中的连接导线16与变压器2低压母排相连接，分合3个空气开关进行调档，选择合适的调节范围，使变压器2轻载运行时的功率因数达到标准值。

实施例2：

本实施例同实施例1，区别仅在于元件配置参数不同，本实施例中的功率因数补偿装置的元件配置参数如表3所示：

表3

组合电容调节范围：1.620kVar-7.292kVar，共分为7档，如表4所示：

表4

1档

2档

3档

4档

5档

6档

7档

1.620kVar

2.431kVar

3.241kVar

4.051kVar

4.861kVar

5.672kVar

7.292kVar

本实施例中的功率因数补偿装置1的适用范围：高供高计用户的单台变压器容量较小，且用电负荷含5次及5次以上谐波。

实施例3：

本实施例同实施例2，区别仅在于元件配置参数不同，本实施例中的功率因数补偿装置的元件配置参数如表5所示：

表5

组合电容调节范围：1.620kVar-8.912kVar，共分为7档，如表6所示：

表6

1档

2档

3档

4档

5档

6档

7档

1.620kVar

3.241kVar

4.051kVar

4.861kVar

5.672kVar

7.292kVar

8.912kVar

本实施例中的功率因数补偿装置1的适用范围：高供高计用户的单台变压器容量较大，且用电负荷含5次及5次以上谐波。

实施例4：

如图1、5所示，本发明提供的一种变压器轻载运行时的功率因数补偿装置1，包括箱体11，所述箱体11内设有并联设置的三组补偿单元，所述补偿单元包括依次串联在一起的空气开关12、熔丝13以及电容器15，所述空气开关12上连有可与变压器2低压母排相连接的连接导线16，所述电容器15上连有接地导线17，所述箱体11上设有三个通过熔丝13与空气开关12相连接的指示灯18。本实施例中，所述电容器15为三相电容器，内部接线方式为三角形连接。

本实施例中的功率因数补偿装置1的使用方式也同实施例1。

本发明还提供了一种使用上述的功率因数补偿装置1的连接系统，如图2所示，包括依次相连的高压侧计量装置6、变压器2、低压出线总开关3、低压无功补偿装置4以及用户负载5，所述功率因数补偿装置1与变压器2低压母排相连接，所述功率因数补偿装置1与变压器2低压母排的连接点8位于低压出线总开关3的上桩位置，且在低压无功自动补偿装置4中控制器的电流信号取样点7之前。将连接点8设置在低压无功补偿装置4的控制器电流信号取样点7之前，可以提高变压器轻载运行时系统整体功率因数补偿的灵敏度。

本实施例中的功率因数补偿装置1中的元件配置参数如表7所示：

表7

组合电容调节范围：1.507kVar-8.289kVar，共分为7档，如表8所示：

表8

1档

2档

3档

4档

5档

6档

7档

1.507kVar

3.014kVar

3.767kVar

4.521kVar

5.274kVar

6.781kVar

8.289kVar

本实施例中的功率因数补偿装置1的适用范围：高供高计用户的单台变压器容量较大，且用户的用电负荷无谐波。

实施例5：

本实施例同实施例4，区别仅在于元件配置参数不同，本实施例中的功率因数补偿装置的元件配置参数如表9所示：

表9

组合电容调节范围：1.507kVar-6.782kVar，共分为7档，如表10所示：

表10

1档

2档

3档

4档

5档

6档

7档

1.507kVar

2.261kVar

3.014kVar

3.768kVar

4.521kVar

5.275kVar

6.782kVar

本实施例中的功率因数补偿装置1的适用范围：高供高计用户的单台变压器容量较小，且用电负荷无谐波。

实施例6：

本发明提供了一种使用变压器轻载运行时的功率因数补偿装置1的连接系统的补偿方法，包括以下步骤：

b、对用户实际变压器轻载运行消耗的无功功率以及照明、办公、生活等基础用电消耗的无功功率进行测算，从而得到该用户该运行状态下从电网吸收的无功功率，再根据无功功率调节功率因数补偿装置1中的电容器的电容量或者电容器与电抗器的组合电容量，从而使变压器2在轻载运行时能够提高功率因数达到标准值。

所述对用户实际变压器轻载运行消耗的无功功率以及照明、办公、生活等基础用电消耗的无功功率的测算公式为：Q＝(W2-W1)/24*n，其中，W2、W1表示用户仅基础用电期间不同日期的无功电能表读数，n表示W2、W1的天数差，W2、W1可以直接从供电部门电力用户用电信息采集系统中得到。所述变压器轻载运行消耗的无功功率进行估算公式为：QT＝I0(％)*S_N/100，其中I0(％)：变压器的空载电流百分比；S_N：变压器的额定容量。

所述电容器的电容量或者电容器与电抗器的组合电容量的调节范围为0-10kVar。

本实施例中以某公司为例，该用户配电室于2014年1月14日送电投入运行，配电室内安装有一台630kVA变压器，设备系统如图6所示，后因生产设备延迟进场，厂区内基本无生产用电设备，仅门卫照明用电及办公、生活等基础用电。用户低压无功补偿装置一直处于自动补偿状态，实际无电容器投入。至2014年2月15日供电部门抄表读数(表计倍率1000)如表11所示；电费结算情况如表12所示：

表11 公司表计2月15日读数(表计倍率1000)

正向有功总	尖	峰	谷	I象限无功	IV象限无功
						1.51kWh	0.11kWh	0.65kWh	0.75kWh	3.15kvarh	0

表12 公司1月电费/缴费信息

基本电费	用电量	电度电费	实际功率因数	力调电费罚款	总电费
						18900元	1510kwh	1077.93元	0.43	11730.7元	31708.63元

由表11、12可得，该用户1月份总用电量为：有功1510kWh，无功3150kvarh，变压器严重轻载，实际功率因数为0.43，远低于供电部门考核标准0.9。用户总共需缴纳电费31708.63元，其中11730.7元是力调电费罚款，力调电费罚款比例为59.0％。

目前我们国内普遍使用的电子式多功能智能电表，第I象限计量的是从电网吸收的无功电能；第IV象限计量的是向电网倒送的无功电能。该用户计量方式为高供高计，计量点位于高压侧。照明、办公、生活用电的自然功率因数一般为0.8左右，远高于该用户实际功率因数0.43。用户低压电缆呈容性，产生容性无功，有助于减少从电网吸收无功。因此造成用户表计第I象限从电网吸收无功的主要原因由变压器自身引起，变压器绕组呈感性，正常运行情况下消耗感性无功。

实际运行过程中，低压功率因数补偿柜一直处于自动补偿状态，无功补偿控制器功率因数电流取样自低压总开关下桩A相CT，电压取样自B、C相低压母线。用户补偿电容器配置参数为：BCMJ 0.44-20-3，共10组，总计200kVar。由于无功补偿控制器电流采样自低压总柜，因此变压器的励磁电流及自身有功损耗电流无法通过实际采样点采得，实际低压无功补偿装置的效果是只能将变压器二次侧负荷输出功率因数补偿至设定标准以上。

用户在1月14日至2月15日这段时间内实际照明、办公、生活等基础用电量较小，加上变压器有功损耗，总计2.5kW左右，因此流过低压总柜的电流值很小，变压器接近空载运行。低压无功补偿控制器采样电流信号很小，达不到控制器启动电流(超过灵敏度极限)。用户配置的电容器单个电容量较大为20kVar，无功补偿控制器采样计算补偿值达不到电容投入门限值，因此用户虽将低压无功补偿装置打到自动补偿位置，实际并无电容器投入运行。

如用户改变无功补偿装置运行方式，将其打到手动补偿模式，并手动投入一组电容器。由于用户配置的单个电容器电容量为20kVar，远大于该运行方式下实际消耗的无功，则会出现无功倒送的现象，实际电能表计量的功率因数反而会更低。

采用上述的补偿方法对该用户进行改造，改造后的设备系统如图7所示，根据变压器出厂试验报告可知：I₀(％)为0.56(％)，S_N为630KVA，从而估算得到无功功率为3.528kVar，实际变压器消耗的感性无功功率Q_T略大于3.528kVar，我们在选择接入功率因数补偿装置的电容量时应以3.528kVar为参照值，选择相对应的功率因数补偿装置，再根据用户实际照明、办公、生活等基础用电情况适当调节电容器的电容量。

通过电力信息采集系统无功电能表读数来计算用户从电网吸收的无功功率，以2014年2月5日至2014年2月15日为例(表计倍率1000)：2014年2月15日的无功电能表读数为3.15kVar，2014年2月5日的无功电能表读数为2.28kVar，由此可知Q＝(3.15-2.28)*1000/10*24＝3.625kVar，从而相应的调节功率因数补偿装置的电容量大小。由于该用户的用电负荷无谐波，可以采用实施例4所述的功率因数补偿装置的第3档。

经过改造后该用户在实际用电负荷未发生大变化的情况下，月均功率因数达到0.96以上。该用户在7月份中旬改造完成并投入使用，8月份的力调电费就做到了不罚反奖，大大节省了其用电成本。实际该用户8月份电费分为2笔，经过改造后功率因数及力调电费情况对比数据如表13、14所示：

表13 7月15日至7月24日产生电费情况数据分析表

表14 7月25日至8月25日产生电费情况数据分析表

由表13、14可知，当用户用电负荷比较低时，提高功率因数所节省的电费尤其明显，8月份的电费总共节省了4953.55元，改造效果明显。

实施例7：

本实施例采用S11-M-630/10变压器，该用户的生产负荷平均功率因数为0.7，照明、办公、生活基础用电为6kW，空载变压器功率因数为0.21，用户低压无功补偿装置配置的单个电容器容量为20kVar，对其在变压器轻载运行时低压无功自动补偿装置单独使用状态下以及功率因数补偿装置和低压无功自动补偿装置配合使用状态下的功率因数与负载变化曲线进行比较，如图8所示。

通过传统的低压无功补偿装置单独作用，当用电负荷小于25kW时，无功补偿装置不动作，无生产负荷、仅6kW照明、办公、生活基础用电时功率因数为0.53，随着生产负荷上升，在6-25kW之间，功率因数缓慢增长，但始终小于0.62。

通过功率因数补偿装置与低压无功补偿装置配合使用情况下，无生产负荷、仅6kW照明、办公、生活基础用电时功率因数为1.0，随着生产负荷上升，在6-25kW之间，功率因数缓慢降低，但始终大于0.8。由此可见变压器在轻载运行时功率因数得到大大改善。

Claims

1.一种变压器轻载运行时的功率因数补偿装置，包括箱体，其特征在于：所述箱体内设有并联设置的若干组补偿单元，所述补偿单元包括依次串联在一起的空气开关、熔丝以及电容器，所述空气开关上连有可与变压器低压母排相连接的连接导线，所述电容器上连有接地导线。

2.根据权利要求1所述的变压器轻载运行时的功率因数补偿装置，其特征在于：还包括若干电抗器，所述电抗器串联在熔丝与电容器之间。

3.根据权利要求1或2所述的变压器轻载运行时的功率因数补偿装置，其特征在于：还包括若干通过熔丝与空气开关相连接的指示灯。

4.根据权利要求3所述的变压器轻载运行时的功率因数补偿装置，其特征在于：所述电容器为三相电容器，内部接线方式为三角形连接。

5.根据权利要求3所述的变压器轻载运行时的功率因数补偿装置，其特征在于：所述补偿单元为三组。

6.一种使用权利要求3所述变压器轻载运行时的功率因数补偿装置的连接系统，包括依次相连的高压侧计量装置、变压器、低压出线总开关、低压无功补偿装置以及用户负载，其特征在于：所述功率因数补偿装置与变压器低压母排相连接，所述功率因数补偿装置与变压器低压母排的连接点位于低压出线总开关上桩位置，且在低压无功自动补偿装置中控制器的电流信号取样点之前。

7.一种权利要求6所述使用变压器轻载运行时的功率因数补偿装置的连接系统的补偿方法，其特征在于：包括以下步骤：

a、对变压器轻载运行时消耗的无功功率进行估算，以该估算值为基础选择相适应型号的变压器轻载运行时的功率因数补偿装置并接入该连接系统中；

8.根据权利要求7所述的使用变压器轻载运行时的功率因数补偿装置的连接系统的补偿方法，其特征在于：所述对用户实际变压器轻载运行消耗的无功以及照明、办公、生活等基础用电消耗的无功功率的测算公式为：Q＝(W₂-W₁)/24*n，其中，W₂、W₁表示用户仅基础用电期间不同日期的无功电能表读数，n表示W2、W1的天数差。

9.根据权利要求7所述的使用变压器轻载运行时的功率因数补偿装置的连接系统的补偿方法，其特征在于：所述变压器轻载运行消耗的无功功率进行估算公式为：Q_T＝I₀(％)*S_N/100，其中I₀(％)：变压器的空载电流百分比；S_N：变压器的额定容量。

10.根据权利要求7所述的使用变压器轻载运行时的功率因数补偿装置的连接系统的补偿方法，其特征在于：所述电容器的电容量或者电容器与电抗器的组合电容量的调节范围为0-10kVar。