劉川川, 黃鳴俊, 史煥弘, 周和平

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1 研究背景

依據(jù)供用電營業(yè)規(guī)則[1]，10kV電力用戶無功補(bǔ)償普遍采用欠補(bǔ)償運(yùn)行方式，投入運(yùn)行的補(bǔ)償電容器組無功容量QC小于用電負(fù)荷所需要的無功容量QL，即QC

2 無功的構(gòu)成

沿10kV線路流動(dòng)的無功主要包括用電負(fù)荷剩余部分無功QSY、變壓器空載勵(lì)磁無功QKZ和漏磁無功QLC。這三部分無功需要從電源向電力用戶側(cè)輸送[2-3]，即：

QDY=∑(QSY+QKZ+QLC)

(1)

式中：QDY為電源向電力用戶側(cè)輸送無功。

線路流動(dòng)的無功越大，所造成的線路有功損耗及電壓降就越大，同時(shí)，變電站側(cè)變壓器輸出效率將隨之降低。因此，在變電站10kV母線上安裝無功補(bǔ)償電容器組，并向電力用戶側(cè)輸送無功，可以減輕變電站變壓器輸出無功的負(fù)擔(dān)，提高效率，但不能達(dá)到降低 10kV 線路有功損耗的目的。10kV線路有功和無功負(fù)荷分布如圖1所示，無功負(fù)荷曲線如圖2所示[4-5]。

圖1 10kV線路有功、無功負(fù)荷分布

圖2 10kV線路無功負(fù)荷曲線

圖中，P1-n為第1個(gè)到第n個(gè)電力用戶所需要的有功功率之和，即變電站主變10kV側(cè)輸出的有功功率；-jQ1-n為補(bǔ)償電容器組發(fā)出的無功功率。無功功率在線路中的流動(dòng)勢必會(huì)造成有功損耗及電壓降增大，針對這一問題，可以通過無功全補(bǔ)償方式來解決。

3 補(bǔ)償方案實(shí)例

應(yīng)用無功全補(bǔ)償方案，結(jié)合具體實(shí)例展開分析。一家10kV電力用戶，變壓器參數(shù)見表1。

表1 10kV電力用戶變壓器參數(shù)

此10kV電力用戶在改造前，無功補(bǔ)償采用的是欠補(bǔ)償運(yùn)行方式，電容器組安裝在0.4kV側(cè)，變壓器所帶有功負(fù)荷P為215kW，補(bǔ)償前功率因數(shù)cosφ1為0.8，補(bǔ)償后功率因數(shù)cosφ2為0.95，則補(bǔ)償容量Qqb為[6]：

Qqb=P×[tan(arccosφ1)-tan(arccosφ2)]
=215×(0.749-0.328)=90.5kW

將補(bǔ)償容量分為4組，每組平均容量為 22.6kW。改造后，無功補(bǔ)償采用全補(bǔ)償方案，除用電負(fù)荷功率因數(shù)補(bǔ)償至cosφ=1外，變壓器所需要的勵(lì)磁無功和漏磁無功均由0.4kV側(cè)電容器組進(jìn)行補(bǔ)償，接線方式如圖3所示[2,7]。

圖3 無功全補(bǔ)償方案接線方式

圖中，-jQT為電容器組向變壓器輸送的勵(lì)磁和漏磁無功，-jQF為電容器組向負(fù)荷輸送的無功，D為無功補(bǔ)償平衡點(diǎn)。為實(shí)時(shí)考核無功補(bǔ)償時(shí)的運(yùn)行狀況，無功控制器安裝在10kV電源側(cè)。原功率因數(shù)控制器改為無功控制器，原因是控制功率因數(shù)進(jìn)行無功補(bǔ)償存在一定缺陷。根據(jù)功率三角形原理，當(dāng)無功一定時(shí)，有功過大，功率因數(shù)就會(huì)被提升，無功將被掩蓋起來，而直接通過控制無功進(jìn)行投切補(bǔ)償電容器組，可提高補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確度，即不能吸收系統(tǒng)無功，也不能向系統(tǒng)輸送無功。無功補(bǔ)償電容器組向負(fù)荷輸送無功，要求功率因數(shù)由cosφ=0.8補(bǔ)償至cosφ=1，需補(bǔ)償容量Qb1= 161kW，則補(bǔ)償電容器組向變壓器輸送的空載勵(lì)磁無功QKZ和漏磁無功QLC分別為：

QKZ=Io%/100×Se=0.008×315

=2.52kW

QLC=K2uk%/100×Se

=0.85×0.04/100×315

=9.1kW

式中：Io%為變壓器空載電流百分?jǐn)?shù)；Se為變壓器容量，kVA；K為負(fù)荷視在功率占變壓器容量的比例因數(shù)，K=P/cosφ×1/Se=215/0.8×1/315=0.85；uk%為短路阻抗百分?jǐn)?shù)。

補(bǔ)償電容器組容量合計(jì)為：

QΣ=Qb1+QKZ+QLC=173kW

從理論上而言，電容器分組越多，補(bǔ)償無功的效果就越好，但在實(shí)際操作中會(huì)受到一定制約。為提高無功補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確度，同時(shí)盡量減少分組，將電容器總?cè)萘康?/2分為一組，即86.5kW，作為補(bǔ)償基礎(chǔ)容量。考慮夜間、公休日及節(jié)假日，變壓器上承受的基本上是照明負(fù)荷，這時(shí)所消耗的無功基本上是空載勵(lì)磁無功，因此再分出一組補(bǔ)償變壓器勵(lì)磁無功，容量為2.52kW。剩余容量QSY= 173-86.5-2.52 = 83.98kW，再將剩余容量分為三組，每組平均容量為27.9kW，這樣共計(jì)分為五組。當(dāng)然，也可以根據(jù)無功負(fù)荷曲線，選出有代表性的四五個(gè)點(diǎn)所對應(yīng)的無功容量進(jìn)行電容器分組。

4 補(bǔ)償原理

由上述分析可知，無功控制器由原來采集 0.4kV 側(cè)相電壓、相電流及相互之間的功率因數(shù)角，改為采集變壓器10kV側(cè)相關(guān)的電壓與電流參數(shù)，從而達(dá)到補(bǔ)償無功的目的。一般，10kV配電系統(tǒng)采用中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式，依據(jù)基爾霍夫節(jié)點(diǎn)電流定律，流入節(jié)點(diǎn)的電流等于流出節(jié)點(diǎn)的電流，即IA+IB+IC=0，三相電流對稱相等，這樣采集一相電流就可以了。但是，采集10kV系統(tǒng)相電壓需要電壓互感器一次側(cè)繞組為Y/Y接線，并且中性點(diǎn)接地，這樣在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，電壓互感器電感線圈與導(dǎo)線對地電容較易產(chǎn)生并聯(lián)諧振，不利于系統(tǒng)安全運(yùn)行。因此，經(jīng)電流互感器采集A相電流，315kVA變壓器一次側(cè)額定電流為18.18A，選擇電流互感器變比為20A/5A，電壓互感器采集B、C相間線電壓，變比為10kV/0.1kV。無功控制器接線方式如圖4所示，電壓、電流向量如圖5所示[8-9]。

圖4 無功控制器接線圖

圖5 無功控制器向量圖

無功控制器由單片機(jī)采集10kV側(cè)電流互感器二次A相電流IA，電壓互感器二次側(cè)B、C相間線電壓UBC，以及它們之間的夾角θ。因?yàn)閁BC與UA的夾角為90°，所以功率因數(shù)角φ=90°-θ，這樣三相有功和無功功率分別為[10-11]：

(2)

(3)

根據(jù)式(2)、式(3)，通過C語言編程寫入單片機(jī)存儲器中。因φ=90°-θ，當(dāng)UBC與IA之間的夾角θ<90°時(shí)，無功控制器將繼續(xù)投入電容器組；當(dāng)補(bǔ)償?shù)溅?90°時(shí)，φ=0°，功率因數(shù)cosφ=1，則維持補(bǔ)償現(xiàn)狀；當(dāng)θ>90°時(shí)，將切除一部分電容器組。考慮到電容器組投入運(yùn)行后，不易準(zhǔn)確補(bǔ)償?shù)溅?90°，并且要防止出現(xiàn)過補(bǔ)償現(xiàn)象，一般設(shè)定允許誤差為 -5°。此10kV電力用戶采用無功全補(bǔ)償，并與之前欠補(bǔ)償相比較，每月節(jié)約無功電量為：

AQ=QKZh1+QLCh2+(Qb1-Qqb)h2
=2.52×720+9.1×200
+(161-90.5)×200
=17734.4kWh

式中：h1為每月平均運(yùn)行時(shí)間，取h1=720h；h2為每月雙休日與節(jié)假日時(shí)間，取h2=200h。

5 結(jié)束語

該電力用戶改造后，每月節(jié)約無功電量約 17430kWh，線路共帶15處負(fù)荷，經(jīng)1年時(shí)間全部改造完畢，目前正處在試運(yùn)行期間，實(shí)際線損率由原來的6.25%降低至5.37%，線路末端電壓有所提高，運(yùn)行狀況良好，未發(fā)現(xiàn)運(yùn)行異常現(xiàn)象。通過實(shí)踐可知，安裝在110kV變電站10kV母線上的無功補(bǔ)償電容器組，通過10kV線路進(jìn)行無功輸送，并不能起到降低線路線損的作用，而僅是減輕變電站主變輸出無功的負(fù)擔(dān)，提高帶有功負(fù)荷的效率，而對沿線10kV電力用戶采用無功全補(bǔ)償方案后，線路流動(dòng)的無功已接近為0，視在功率減小，線路有功損耗及電壓降也隨之減小，真正實(shí)現(xiàn)了無功補(bǔ)償就地就近平衡的目的。

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