區(qū)域集中供冷項(xiàng)目10 kV冷水機(jī)組專用變壓器空載補(bǔ)償探討

葉宏偉

摘 要：研究了區(qū)域集中供冷項(xiàng)目10 kV冷水機(jī)組專用20/10 kV-10 000 kVA變壓器的系統(tǒng)部署方法和無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)置，并采用了全電磁一次投切的容性無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)和發(fā)揮了抗性無(wú)功補(bǔ)償?shù)南嗷プ饔?，有效解決了系統(tǒng)在空載時(shí)無(wú)功補(bǔ)償需求與全負(fù)荷時(shí)無(wú)功補(bǔ)償需求的巨大差異問題。

關(guān)鍵詞：區(qū)域集中供冷；冷水機(jī)組；專用變壓器；空載補(bǔ)償

中圖分類號(hào)：TM46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.06.065

區(qū)域供冷系統(tǒng)是為了滿足某一特定區(qū)域多個(gè)建筑物的空調(diào)冷源要求，由專門的供冷站集中制備冷水，并通過區(qū)域管網(wǎng)供給冷凍水的供冷系統(tǒng)。與各單體建筑獨(dú)立設(shè)中央空調(diào)系統(tǒng)相比，采用區(qū)域供冷系統(tǒng)可減少制冷機(jī)組總裝機(jī)容量的20%～30%，從而減少初投資、縮小占地面積。采用集中大型冷水機(jī)組有利于提高系統(tǒng)能效，具有節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。由于前期負(fù)荷較低、季節(jié)性因素等，導(dǎo)致變壓器的空載補(bǔ)償成為了非常重要的問題。本文以某區(qū)域集中供冷項(xiàng)目工程為例，集中探討、解決變壓器空載時(shí)的低功率因數(shù)補(bǔ)償問題。

1 工程實(shí)例分析

本區(qū)域集中供冷項(xiàng)目考慮到制冷主機(jī)大容量運(yùn)行時(shí)經(jīng)濟(jì)性較高、制冷站面積的局限性等問題，雙工況離心式冷水機(jī)組、機(jī)載離心式冷水機(jī)組均采用10 kV主機(jī)（國(guó)內(nèi)外區(qū)域供冷大型空調(diào)主機(jī)均為10 kV供電），可使冷水機(jī)組的安裝數(shù)量減少，從而降低工程的初期投資，具體如表1所示。

根據(jù)空調(diào)制冷主機(jī)的負(fù)荷特性，該區(qū)域供冷項(xiàng)目制冷站設(shè)置了1臺(tái) 10 000 kVA（一期） 20/10 kV 變壓器、1臺(tái)12 500 kVA（二期） 20/10 kV變壓器（供給10 kV冷水機(jī)組用電）和8臺(tái)2 000 kVA 20/0.4 kV 變壓器（供給冷站配套的照明動(dòng)力、制冷主機(jī)配套的一級(jí)和二級(jí)泵和融冰泵等用電），具體如表2所示。

2 無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的作用

采用無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)可根據(jù)功率因素進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，這是因?yàn)闊o(wú)功功率在電網(wǎng)中的消耗是巨大的，在輸、變和配電過程中，設(shè)備會(huì)大約消耗50%的無(wú)功功率，剩下的50%用于負(fù)載。因此，為了使無(wú)功功率消耗率降低，就必須減少電網(wǎng)中的無(wú)功功率流動(dòng)，從一開始運(yùn)作就增加無(wú)功補(bǔ)償，提高電負(fù)荷的功率因數(shù)，從而降低損耗。此外，還可根據(jù)網(wǎng)損微增率進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。如果電網(wǎng)的覆蓋范圍較大，則當(dāng)判斷它的無(wú)功補(bǔ)償分配是否合理，是否能達(dá)到最小總消耗時(shí)，往往通過簡(jiǎn)單提高功率和無(wú)用功的經(jīng)濟(jì)量是無(wú)法確定的，需要根據(jù)網(wǎng)損微增率的分配情況進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。

3 無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式

本項(xiàng)目的實(shí)際裝機(jī)容量達(dá)到了38 500 kVA，其中，僅一期就有10 kV大型冷水機(jī)組6臺(tái)，總裝機(jī)容量為10 000 kVA。由于前期的用戶接入量小，變壓器的最大有功負(fù)荷僅為20%左右，加之季節(jié)性因素的影響，很多時(shí)候其有功負(fù)荷可能低于10%，甚至空載，而通常變壓器空載的功率因數(shù)只有0.2～0.3.

同時(shí)，當(dāng)10 kV壓縮機(jī)M啟動(dòng)時(shí)，變壓器負(fù)荷常超過90%，這是因?yàn)槠淙菪月╇娯?fù)荷基本消失，無(wú)功負(fù)荷的形式從容性無(wú)功變?yōu)榭剐詿o(wú)功。當(dāng)變壓器負(fù)荷在90%時(shí)，其抗性無(wú)功可占到其容量的70%，進(jìn)而給35 kV總線帶來(lái)的抗性升壓更加明顯。

因此，基于小容量變壓器的容性無(wú)功狀態(tài)和抗性無(wú)功狀態(tài)反復(fù)切換，本文提出的新系統(tǒng)基本不需要基于SCM的多級(jí)無(wú)功補(bǔ)償方法，而需要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際負(fù)荷和壓縮機(jī)M的啟停變化，在變壓器前置布置1個(gè)可切換的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。

基于SCM的多級(jí)無(wú)功補(bǔ)償方法是將系統(tǒng)可能發(fā)生的最大無(wú)功補(bǔ)償劃分為5～7個(gè)分級(jí)，由SCM系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)的無(wú)功狀態(tài)選擇投入的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備狀態(tài)。雖然本文提出的新系統(tǒng)也存在無(wú)功狀態(tài)的變化，但不需要進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆旨?jí)切換，只需要使系統(tǒng)快速判斷壓縮機(jī)M的運(yùn)行狀態(tài)，從而確定投入全部容性無(wú)功設(shè)備，還是投入全部抗性無(wú)功設(shè)備。

4 無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用

由于容性無(wú)功在變壓器滿載時(shí)基本無(wú)法體現(xiàn)，所以，本文需求的無(wú)功補(bǔ)償主要是在變壓器空載時(shí)充分補(bǔ)償變壓器空載的容性漏電無(wú)功，且在變壓器滿載時(shí)及時(shí)變更以抗性無(wú)功為主的無(wú)功補(bǔ)償策略。

4.1 容性補(bǔ)償選型

從上述分析得出，本文使用的電容器容量應(yīng)達(dá)到每組20/10 kV，共3組，分別并聯(lián)至相間。斷路器采用氣動(dòng)動(dòng)作，開合周期<100 ms，拉焰時(shí)間<50 ms。

4.2 抗性補(bǔ)償選型

從上述分析得出，本文使用的電抗器應(yīng)達(dá)到每組20/10 kV

每組，共3組，分別并聯(lián)至相間。投切開關(guān)使用10 kV/5 A斷路器，分別布置在電容器兩端。斷路器采用氣動(dòng)動(dòng)作，開合周期<100 ms，拉焰時(shí)間<50 ms。

2組共12個(gè)斷路器，相互之間形成聯(lián)動(dòng)和互斥的關(guān)系。斷路器通過遙控線相互關(guān)聯(lián)。本系統(tǒng)采用電磁控制的原理，當(dāng)空壓機(jī)M的10 kV/60 A-J閉合時(shí)，通過耦合線圈取得信號(hào)，抗性補(bǔ)償6個(gè)斷路器閉合，容性補(bǔ)償6個(gè)斷路器彈開；當(dāng)壓縮機(jī)M的10 kV/60 A-J斷開時(shí)，耦合線圈丟失信號(hào)，使用12 V補(bǔ)償電源的常閉開關(guān)給出信號(hào)，容性補(bǔ)償6個(gè)斷路器閉合，抗性補(bǔ)償6個(gè)斷路器彈開。從理論上看，容性補(bǔ)償開關(guān)和抗性補(bǔ)償開關(guān)之間應(yīng)布置互斥閉鎖線路，但如果此兩者的互斥性得到閉鎖，就必須存在開關(guān)提前拉閘接觸閉鎖的情況，斷路器投切時(shí)間難以保證在100 ms內(nèi)完成。一旦投切時(shí)間超過100 ms，系統(tǒng)內(nèi)的無(wú)功過電壓故障可能會(huì)在剛性變壓器中向下傳輸，給下級(jí)10 kV母線帶來(lái)超過5個(gè)周期的浪涌電壓。該模式對(duì)10 kV母線的損害較大，甚至?xí)斐?0 kV/60 A-D斷路器過電壓跳閘，給系統(tǒng)帶來(lái)不必要的麻煩。因此，本系統(tǒng)沒有使用容性補(bǔ)償開關(guān)和抗性補(bǔ)償開關(guān)之間的互斥閉鎖。

即使是在智能化用電系統(tǒng)和全柔性用電系統(tǒng)中，電磁系統(tǒng)仍然是必不可少的部分。系統(tǒng)的最終動(dòng)作是通過電磁系統(tǒng)執(zhí)行的，本系統(tǒng)除下層400 V各接觸器外，其他高壓部分的開關(guān)（含400 V母線電源斷路器400 V/125 A-D）只有5個(gè)。在這種簡(jiǎn)單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，部署智能化設(shè)備的必要性不大，反而通過降低系統(tǒng)復(fù)雜度的全電磁控制設(shè)計(jì)可完全滿足本系統(tǒng)的需要。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了小容量變壓器在大容量固定負(fù)荷的狀態(tài)下使用全電磁控制進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆绞?。由于系統(tǒng)空載狀態(tài)下的容性漏電負(fù)荷和滿負(fù)荷狀態(tài)下的抗性無(wú)功負(fù)荷相互切換較為直接，所以，本系統(tǒng)采用了2組斷路器直接控制高壓側(cè)的無(wú)功補(bǔ)償，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速、無(wú)條件的無(wú)功補(bǔ)償切換，且此無(wú)功補(bǔ)償切換直接在大容量用電器的接觸器上引線遙控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)無(wú)SCM控制的快速無(wú)功投切，有效防止了下級(jí)負(fù)荷因無(wú)功增壓而引起的浪涌。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：張思楠〕