李 莉，徐金雄，張雙平

水布埡水利樞紐工程是當(dāng)今世界上最高的面板堆石壩，電站裝機(jī)容量為184萬kW，該工程的施工供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量為25000kWA，施工總用電量為4億 kWh，供電系統(tǒng)由兩回110 kV線路供電，主供電源為長93km的110kV長水線，備供電源為長17km的紅水線。水布埡10kV施工變電所 （終端變電所）布置了兩臺12500kVA的變壓器、十二回10kV出線和四組無功電容補(bǔ)償裝置 （4×1200 kvar）。110kV施工變電所由當(dāng)時(shí)剛建成的110kV備用線（紅水線）供電，變電所投運(yùn)之初，由于工區(qū)的用電負(fù)荷較小，且均為感應(yīng)式的交流電機(jī)負(fù)荷。鑒于建筑施工的特殊性，其用電負(fù)荷變化很大。所以，施工配電變壓器的備用容量較大，大馬拉小車的現(xiàn)象較為嚴(yán)重，致使工區(qū)用電負(fù)荷的自然功率因數(shù)在0.7～0.75之間（平均功率因數(shù)為0.725）。根據(jù)電力系統(tǒng) “無功功率就地平衡，用電負(fù)荷的功率因數(shù)必須在0.9以上”的原則，于是在110kV施工變電所內(nèi)采取無功電容補(bǔ)償，使主變壓器10kV側(cè)的功率因數(shù)超過0.9，從而使紅水線電源端的功率因數(shù)達(dá)到了0.9。

1 現(xiàn)狀分析

2001年12月底，110kV主供電線路—長水線建成并投入運(yùn)行，同時(shí)將備供線路—110kV紅水線空載，使其處于熱備用狀態(tài)。而水布埡110kV施工變電所仍采用無功補(bǔ)償?shù)姆绞绞菇K端的功率因數(shù)超過0.9以上。然而長水線電源端的功率因數(shù)卻截然相反，具體對照表見表1。

從表中的數(shù)據(jù)分析得知：終端的功率因數(shù)越高，而電源端的功率因數(shù)越低，平均電價(jià)也越高，有功損耗也越大。反之，當(dāng)終端的功率因數(shù)越低，電源端的功率因數(shù)就越高，有功損耗也就越小。對空載中的110kV紅水線抄表紀(jì)錄見表2。

根據(jù)上述情況，我們首先要弄清計(jì)量方式是否合理或者說弄清計(jì)量裝置有無問題，再弄清110kV線路無功功率的性質(zhì)—即是感性無功還是容性無功，并分析產(chǎn)生無功的原因，然后研究消除無功的方法。

2 無功產(chǎn)生原因分析

1）首先查清計(jì)量方式和表計(jì)的問題（先從空載中的紅水線入手）

紅水線電源端的計(jì)量表計(jì)量準(zhǔn)確級為0.2級，無功計(jì)量方式為感性無功與容性無功絕對值之和。根據(jù)以往電網(wǎng)的有功損耗進(jìn)行分析，有功計(jì)量方式是正確的，這說明電能表的接線是正確的，也說明無功計(jì)量是正確的。專門計(jì)量人員到110kV紅耀變電所進(jìn)行全天候抄表所得數(shù)據(jù)分析為：白天無功功率為537kvar，夜間的無功功率為643kvar，白天和夜間的綜合平均無功功率為600kvar。而從元月份至六月份對空載的紅水線情況看，其空載月平均無功功率為579kvar，這說明輸電線路中的無功功率與空氣的濕度有關(guān)。

表1 水布埡工程長水線電源端的功率因數(shù)對照表

表2 水布埡工程空載中的紅水線抄表紀(jì)錄

線路電抗 Xd=0.1445lg（Dd/r）Ω（Dd為導(dǎo)線幾何均距，r為導(dǎo)線的等值半徑），輸電線路電容為 C=0.024×10-6/3lg（Hpj/r）F（Hpj為導(dǎo)線對地鏡像距離，r為導(dǎo)線的等值半徑），由于輸電線路導(dǎo)線的幾何均距和對地的鏡像距離無法測量和計(jì)算，因此，輸電線路的電抗和電容也無法準(zhǔn)確計(jì)算。根據(jù)有關(guān)資料提供的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)得知：110kV線路的充電無功功率為3400kvar/hkm，LGJ-150導(dǎo)線的電抗為0.4Ω/km，而且線路的感性無功功率與線路中負(fù)荷電流的平方成正比。輸電線在空載時(shí)顯容性，在大負(fù)荷狀態(tài)下呈感性。由于110kV紅水線處于空載備用狀態(tài)，其負(fù)荷電流幾乎為零，因此線路中只有充電無功功率，沒有感性無功功率存在。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法可得出紅水線的充電功率為：3400kvar/h·km×0.17h·km=578kvar， 與計(jì)量表的計(jì)量數(shù)基本一致。

2）對110kV長水線進(jìn)行現(xiàn)場測試：

空載狀態(tài)下儀表讀數(shù)為：Ia=Ic=15.7A；ΣP=4.62kW； ΣQ=-3169.32kvar； ΣS=3168kVA。

圖1 空載狀態(tài)相量圖

相量圖如圖1所示。從圖1中可以看出：A、B相的電流比相應(yīng)的相電壓超前90°。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法可知空載線路上的充電容性無功功率Qc=3400kvar/h·km×0.93h·km=3162kvar。由于線路上的電感幾乎是沿線均勻分布，而容性電流卻是逐漸減少，因此可以將電感考慮為集中元件掛接于線路的中部，其值為線路的總電抗。流過電感元件的電流為電源端的二分之一，線路中的感性無功功率為：QL=3XdI2×10-3=7.14kvar。

根據(jù)以上計(jì)算，空載線路上的充電無功功率為：Q=Qc-QL=3162-7.14=3154.9kvar。其值與實(shí)際測試值 (3169.32 kvar)相吻合。負(fù)載狀態(tài)下儀表數(shù)據(jù)：Ia=Ic=15.7A；ΣP=2782.56kW；ΣQ=484.44kvar； ΣS=2904kVA； cos準(zhǔn)=0.958(16.7°)。

圖2 負(fù)荷狀態(tài)相量圖

相量圖如圖2所示。從圖2中可以看出：A、B相的電流比相應(yīng)的相電壓超前16.7°。這說明盡管負(fù)荷有2782.56KW的有功功率，但線路仍顯容性。

負(fù)荷端-水布埡變電所的功率因數(shù)cos準(zhǔn)2取0.725，則準(zhǔn)2=43.53°，負(fù)荷端的感應(yīng)無功功率為：

QL2=tg準(zhǔn)2·P=2643.4 kvar

線路上感性無功功率為：

QL1=3XdI2×10-3=25kvar

線路上和負(fù)荷端的感性感無功和為：

QL=QL1+QL2=2643.4+25=2668.4kvar

線路電源端總無功功率為：

Q=Qc-QL=3400×0.93－2668.4=493.6kvar

從以上計(jì)算可知：負(fù)載情況下的無功功率493.6kvar與實(shí)際測試值484.4kvar基本相符。要使線路電源端的容性無功與感性無功相平衡，在水布埡變電所自然功率因數(shù)下，負(fù)荷電流必須達(dá)到：

線路上感性無功QL1+負(fù)荷感性無功QL2=電路的充電無功QC。即：

解得：I≈23.7A

故水布埡變電所在自然功率因數(shù)情況下運(yùn)行，當(dāng)長水線負(fù)荷電流達(dá)到或超過23.7A時(shí)才能開始加投無功電容補(bǔ)償。而在2002年元月份至七月份，運(yùn)行人員沒有考慮到線路上的充電無功功率，片面地注重了終端的功率因數(shù)而加投無功電容補(bǔ)償裝置形成過補(bǔ)償，使線路電源端的容性無功功率過量得越大，從而使計(jì)量點(diǎn)的功率因數(shù)下降越厲害，同時(shí)也增加了輸電線路的電流，使輸電線路的有功損耗也越大。同樣可計(jì)算出由紅水線供電，當(dāng)變電所的負(fù)荷電流達(dá)到或越過4.4A時(shí)，就應(yīng)該投入無功補(bǔ)償裝置。

3 無功補(bǔ)償方案實(shí)施

根據(jù)以上的分析計(jì)算，得出長水線功率因數(shù)低的原因是由于水布埡變電所的過補(bǔ)償原因所造成，而計(jì)量裝置并沒有問題，針對上述原因，在2002年八、九月份，水布埡變電所將無功補(bǔ)償裝置退出運(yùn)行，完全在自然功率因數(shù)下運(yùn)行，雖然水布埡變電所側(cè)的功率因數(shù)只有0.725左右，然而長水線電源端的功率因數(shù)卻達(dá)到了0.94和0.98，有功損耗降至1.5%和1.3%，平均每度電比前幾個(gè)月下降0.045元，再加上損耗的降低，則每度電節(jié)約0.05元，若水布埡工程扣除2002年八月份以前所消耗的電量三千萬，則功率因數(shù)的解決節(jié)約成本0.185億元。

4 結(jié)論

通過對水布埡水電站工程施工供電系統(tǒng)的分析和研究，采取終端變電所低功率因數(shù)運(yùn)行的方式，增大終端的感應(yīng)無功功率，以沖減輸電線路的充電無功功率，從而可以有效提高供電系統(tǒng)的功率因數(shù)，減少了輸電線路的有功損耗，為工程建設(shè)節(jié)約了成本。

[1]尹克寧．電力工程[M]．北京：水利電力出版社，1987．

[2]工廠配電設(shè)計(jì)手冊[M].水利電力出版社，1983．

[3]趙云花.無功補(bǔ)償提高功率因數(shù)的節(jié)能與降耗淺析[J].科技信息，2011，32（5）：25-29．

[4]詹學(xué)磊，陳濤，楊勇．湖北省節(jié)能調(diào)度重在“水火互濟(jì)”[J]．電力企業(yè)管理，2007，26（5）：70-74．

[5]周文濤.淺談提高功率因數(shù)的意義及途徑[J].科技咨詢，2010，30（3）：58-51．