李在友

（神華北電勝利能源有限公司，內蒙古錫林浩特026015）

機電與自動化

勝利110 kV變電站動態(tài)無功補償改造與分析

李在友

（神華北電勝利能源有限公司，內蒙古錫林浩特026015）

為了提高勝利110 kV變電站的功率因數(shù)，在勝利110 kV變電站加裝1套動態(tài)無功補償裝置，經過改造后的勝利110 kV變電站，無功消耗降低，系統(tǒng)的功率因數(shù)和電壓質量滿足國家標準，使得整個電網的質量得到了明顯的提高，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

無功補償；補償裝置；功率因數(shù)

1 背景及原理優(yōu)勢

1.1 選題背景

隨著經濟的高速發(fā)展，企業(yè)的用電量增多，致使電廠的發(fā)電量增加，對煤的需求也增多。現(xiàn)如今的電網結構日趨龐大、復雜，致使整個電網系統(tǒng)無功補償?shù)男枨笠苍谠黾?。電網對無功補償?shù)男枨笠舶l(fā)生了根本變化。從以前的只需要容性無功補償，發(fā)展到不僅需要補償容性無功，感性無功補償也需要進行補償，且要求實現(xiàn)連續(xù)可調節(jié)。具體表現(xiàn)為：一方面要在用電高峰期能夠提供較多的容性無功補償給整個電力系統(tǒng)，以滿足電網的無功需量；另一方面又要具備提供足夠感性無功補償?shù)哪芰?，以平衡消化輕負荷時因電力電纜等設備而帶來的容性無功，保證供電系統(tǒng)的電壓不致過高[1-3]。

隨著大型電力電子裝置的廣泛使用，諧波污染和電磁干擾問題引起人們越來越多的關注。大量高頻開關器件裝置的使用，會產生頻段很寬的電磁干擾信號，這些電子干擾信號是嚴重的電磁干擾源，對電力系統(tǒng)的正常運行和設備構成相當大的危害。

勝利110 kV變電站受礦山擴能和大型采礦設備的投入使用影響，也存在上述問題。大功率的非線性負載大幅度增加，整個供電系統(tǒng)在運行過程中，受到的電磁干擾、無功沖擊和諧波污染情況也越來越厲害。同時由于大量的感性負荷的存在，而且缺乏有效無功調節(jié)手段，電壓波動很大，電網線損增加，輸電能力降低。造成了母線電壓隨運行方式的變化很大，使得電力系統(tǒng)電壓合格率很低，太重生產的WK-35電鏟經常因電壓低無故跳閘停機，對安全生產造成了嚴重的影響。由于電能損耗增加和輸配電設備效率降低，致使配電系統(tǒng)運行中消耗大量的無功功率，造成供電系統(tǒng)功率因數(shù)低。勝利110 kV變電站的功率因數(shù)最低時只有0.65，而變電站功率因數(shù)是衡量電力系統(tǒng)經濟運行的重要指標,勝利變電站每個月的力率考核電費將近5萬元；勝利110 kV變電站現(xiàn)場存在的問題：①35 kV移動變電站無無功補償裝置；②6 kV側電容器容量不夠，且不能自動投切，不能及時補充無功，從而導致勝利110 kV變電站存在電能質量差、功率因素低、無功功率補償不合理等現(xiàn)狀，致使整個電網的供電質量較差。對勝利110 kV變電站無功補償裝置改造，可以很大程度讓35 kV和6 kV整個電網中的電壓更加穩(wěn)定，減少電網的無功功率，提高功率因數(shù)，使得電網的運行更為安全，推動整個電網的運行質量，電能質量也會得到提升，從而使整個電網運行穩(wěn)定。

當今，磁控式動態(tài)無功補償裝置已在電力系統(tǒng)、煤炭、冶金、化工、電解熔煉、工礦、機場港口公設、光伏發(fā)電、風力發(fā)電等各行各業(yè)中廣泛應用[4-6]。隨著電力負荷的不斷增加，非線性負載對電力系統(tǒng)安全運行的危害越來越大，人們對電能質量的要求越來越高，這就需要開發(fā)研究更好的無功補償設備，以滿足企業(yè)和用戶對電能質量的要求。

1.2 原理及優(yōu)勢

磁控電抗器（MCR）采用直流助磁原理，通過附加直流勵磁磁化鐵心，來改變鐵心磁導率，實現(xiàn)電抗值的連續(xù)可調，其內部全靜態(tài)結構，無運動零件，工作穩(wěn)定性高，安全可靠。

1.2.1 可靠性

1）從最小容量到最大容量的過渡時間很短，并且通過控制可控硅的控制角進行自動控制，實現(xiàn)容量連續(xù)可調，因此可以真正實現(xiàn)柔性補償。

2）所有繞組的聯(lián)接很簡單，網側繞組也不需要抽頭，保證了高壓或特高壓磁控電抗器的穩(wěn)定性和可靠性。

3）磁控電抗器沒有外接直流勵磁電源，完全由電抗器的內部繞組本身來實現(xiàn)，自動控制，穩(wěn)定性高。

1.2.2 安全性

1）MCR與TCR相比，MCR僅僅需2只可控硅、1只二極管，并且可控硅兩端電壓只有系統(tǒng)電壓的1%～2%，無需并、串聯(lián)，且不容易被擊穿，運行可靠穩(wěn)定。

2）可控硅整流控制產生的諧波不流入外交流電力系統(tǒng)，不會產生2次諧波污染。

3）即使二極管或可控硅受到損壞，磁控電抗器也僅相當于1臺空載變壓器，不會影響整個系統(tǒng)其他設備的正常運行。

4）接入電力三相系統(tǒng)的MCR采用△連接，而不是將磁控電抗器取代濾波電容中的串聯(lián)電抗器，所以與電容器不會產生諧振；當電容器容量與MCR容量相等時，會發(fā)生并聯(lián)諧振，等效阻抗達到無窮大，相當于MCR從系統(tǒng)中斷開。

1.2.3 經濟優(yōu)勢

1）磁控電抗器采用低電壓可控硅控制，不僅設備投資少，而且后期免維護。

2）磁控電抗器在相同電壓下可提高35%的輸電容量，大大地降低了輸電線路的損耗。

3）磁控電抗器結構簡單、占地面積小，并可取消自耦變壓器第三繞組和補償電容器，降低了工程總造價。

4）磁控電抗器自身有功損耗低，比TCR的至少低50%。

2 勝利變電站實際情況

勝利110 kV變電站于2006年11月正式投入使用，站內裝設有2臺型號都是SSZ9-40000/110的主變壓器，容量為40 000 kVA，2臺互為備用，一用一備的運行方式；勝利110 kV變電站的變壓器為三繞組變壓器，110/35/6 kV，即高壓繞組電壓等級為110 kV，中壓繞組電壓等級為35 kV，低壓繞組電壓等級為6 kV；35 kV設有I、II段母線，正常運行母聯(lián)開關閉合，共帶有6座容量均為5 000 kVA移動變電站和2臺500 kVA的變壓器，勝利110 kV變電站負責給全礦供電，主要是采場的主采設備、地面膠帶系統(tǒng)以及生活用電，主采設備由6臺WK-35電鏟、2臺WK-10B電鏟、2臺EX2500電動液壓挖掘機組成，由變電站通過2條35 kV的高壓環(huán)坑線路送電至采場，經過6臺35 kv移動變電站進行降壓，變?yōu)? kV電壓，再通過高壓供電電纜給電鏟供電，負荷在20 000 kW；6 kV設有I、II段母線，為地面膠帶系統(tǒng)供電，包括破碎站、膠帶運輸、裝車站、儲煤場及油庫組成，通過12條6 kV架空線路和4條電纜線路供電，負荷在10 000 kW；生活用電主要包括辦公用電和鍋爐房用電，通過2條6 kV架空線路供電，負荷在3 500 kW。

整個供電系統(tǒng)所需要的無功在4 500 kVar?，F(xiàn)在6 kV I、II段母線上各投運有1套容量為325 kVar的分組投切型補償裝置，由于補償容量較小，無法滿足供電系統(tǒng)的需求，勝利110 kV變電站月平均功率因數(shù)較低，月平均功率因數(shù)在0.83左右，不能滿足電力系統(tǒng)的考核要求，電力部門每月都要考核很多的力率電費，每月近5萬元；同時供電系統(tǒng)運行電壓波動較大，設備經常因電壓波動造成非正常停機現(xiàn)象[7-8]。

3 整改方案

3.1 方案設計

根據(jù)勝利110 kV變電站的相關數(shù)據(jù)研究分析，對比了各廠家的無功補償裝置方案，最終選定在35 kV母線裝設1套容量為6 000 kVar的MSVC型動態(tài)補償裝置，提高供電系統(tǒng)的功率因數(shù)和改善電能質量。由于露天礦負荷的特性，有時負荷小的時候無功需求很小，因此配備的磁控電抗器容量必須能完全吸收所有電容器組投入系統(tǒng)時的容性無功。35 kV側無功補償一次原理圖如圖1。

通過數(shù)據(jù)分析，同時在6 kV側裝設1套總容量為6 000 kVar的MSVC型動態(tài)補償裝置來滿足工況的需要，以保證功率因數(shù)穩(wěn)定在0.97以上，提高功率因數(shù)，改善電能質量。由于露天礦負荷的特性，有時負荷小的時候無功需求很小，因此配備的磁控電抗器容量必須能完全吸收所有電容器組投入系統(tǒng)時的容性無功。正常運行時2組3 000 kVar的電容器組均投入運行，配一臺容量為5 000 kVar的磁控電抗器，以實現(xiàn)補償容量連續(xù)平滑可調。6 kV側無功補償一次原理如圖2。

圖1 35kV側無功補償一次原理

3.2 控制方式

本方案使用的控制器型號為YMB3型，動態(tài)無功補償控制裝置安裝在2樓主控制室內，通過采集考核點電壓和電流計算功率因數(shù)，及所需的感性無功情況，并快速控制磁控電抗器，動態(tài)輸出感性無功功率，以滿足整個電力系統(tǒng)的需求?？刂蒲b置通過采集磁控電抗器的電壓和電流信號，實現(xiàn)無功功率的閉環(huán)調節(jié)，可同時采集兩段母線的電壓和電流，最多可同時控制2臺磁控。控制裝置具有報警輸出功能、“四遙”功能，且可以通過RS485通信接口，將所有實時數(shù)據(jù)傳遞至后臺，實現(xiàn)控制狀態(tài)的實施監(jiān)控。裝置具有故障記錄和電能參數(shù)實時波形顯示功能，可對故障參數(shù)進行記錄及查詢。

3.3 無功系統(tǒng)保護功能

采用了北京清華紫光生產的eDCAP-605A電容器保護測控裝置，保護裝置穩(wěn)定可靠。此型號的電容器保護測控裝置可適用于各種補償電容器組的保護和測控；并支持IEC61850站控層通訊協(xié)議、支持通過GOOSE網絡發(fā)布和訂閱變電站事件的查詢。裝置的整體構成框如圖3。

圖3 保護裝置原理

3.4 改造前后的效果對比

通過安裝MSVC型動態(tài)無功補償裝置，勝利110 kV變電站電能質量得到明顯改善，功率因數(shù)明顯提高，具體實例如下：

3.4.1 改造后功率因數(shù)和電壓運行情況

改造后6 kV側運行電壓6.2 kV，功率因數(shù)為1.00；改造后35 kV側運行電壓36.4 kV,功率因數(shù)0.98。滿足設計要求。

3.4.2 改造前后功率因數(shù)和力率電費情況

改造前后有功功率和無功功率消耗情況以及對應的功率因數(shù)和力率電費情況見表1、表2。

表1 改造前4個月電量消耗及功率因數(shù)情況

表2 改造后4個月電量消耗及功率因數(shù)情況

通過表1和表2，對比改造前和改造后4個月的功率因數(shù)和力率電費情況，可以看出改造后功率因數(shù)提高了，力率電費降低了（負數(shù)為獎勵的金額），達到設計要求。

3.4.3 改造前后無功功率對比情況

無功補償裝置投入運行前，所需無功從400 kVar到4 500 kVar，投入運行后所需無功從200 kVar到800 kVar，而且無功變化范圍較小，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 結語

經過改造后的勝利110 kV變電站，無功功率消耗降低，系統(tǒng)的功率因數(shù)和電壓質量完全滿足國家標準，降低了力率電費，使得整個電網的質量得到了明顯的提高，從而使整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

［1］劉銳力．變電站無功補償技術探討［J］．機電信息，2011（14）：10-13.

［2］林瑞宗.500 kV福州變電站無功補償技術的若干問題［J］．福建電力與電工，2003（1）：10-13.

［3］周佃民，李凱，李關定．無功補償技術在寶鋼供配電系統(tǒng)的應用［J］．電力需求側管理，2012（1）：21-25.

［4］張建平．淺談無功補償技術在電氣自動化中的應用［J］．機電信息，2012（6）：8-15.

［5］班正超.變電站動態(tài)無功補償技術的探討［J］．民營科技，2012（6）：39.

［6］戴曉亮．無功補償技術在配電網中的應用［J］．電網技術，2009，23（6）：11-14.

［7］栗春，姜齊榮，王仲鴻．電壓控制系統(tǒng)性能分析［J］．中國電機工程學報，2000，20（8）：46-50.

［8］周佃民，李凱，李關定.無功補償技術在寶鋼供配電系統(tǒng)的應用［J］．電力需求側管理，2010（1）．

【責任編輯：張東旭】

Transformation and analysis of dynamic reactive power compensation in 110 kV substation

LI Zaiyou
(Shenhua Beidian Shengli Energy Co.,Ltd.,Xilinhaote 026015,China)

In order to improve the power factor of Shengli 110 kV substation,the company retrofits a set of dynamic reactive power compensation device in 110 kV substation.110 kV substation after the transformation,the reactive power consumption reduces, power factor and voltage quality of system meet the national standard,which make the quality of the power grid improved and the operation of the whole system stable.

reactive power compensation;compensation device;power factor

TD613

B

1671－9816（2017）02－0057－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.02.016

李在友.勝利110 kV變電站動態(tài)無功補償改造與分析［J］.露天采礦技術，2017，32（2）：57-60.

2016-08-13

李在友（1981—），男，漢族，山東濰坊人，工程師，2006年畢業(yè)于太原理工大學電氣及自動化專業(yè)，現(xiàn)任神華北電勝利能源有限公司勝利露天煤礦采掘隊隊長。