陳煒煒， 王 磊， 詹躍東， 杜迎虎

(1.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動化學(xué)院，云南 昆明 650500；2.云南電力試驗研究院(集團)有限公司，云南 昆明 650200；3.西安森寶電氣工程有限公司，陜西 西安 710119)

0 引言

目前，我國的配網(wǎng)供電網(wǎng)絡(luò)，普遍存在線路傳輸?shù)臒o功功率過高導(dǎo)致功率因數(shù)較低的問題，從而導(dǎo)致電網(wǎng)線損較大。無功補償技術(shù)的出現(xiàn)，解決了上述問題給各行各業(yè)帶來的不便。將無功補償運用到配電供電網(wǎng)絡(luò)中，可以穩(wěn)定電壓，不會出現(xiàn)較大的波動；可以提高功率因數(shù)，從而解決電網(wǎng)線損較大的問題；可以平衡三相功率，進一步能夠提高系統(tǒng)運行的安全性，使之不會因功率不平衡而導(dǎo)致大面積停電事故、電壓崩潰等問題的發(fā)生。近些年來，無論是現(xiàn)代工業(yè)還是電力工業(yè)，對電能質(zhì)量的要求日益提高[1]，而其發(fā)展給電網(wǎng)帶來了巨大的無功負荷，使功率因數(shù)降低，線損變大，電壓出現(xiàn)不平衡狀態(tài)且波動較大。

無功補償技術(shù)最早出現(xiàn)在高電壓技術(shù)領(lǐng)域，在高壓側(cè)使用并聯(lián)電容器等無功補償裝置進行集中補償。并聯(lián)電容器因其補償性能優(yōu)越，現(xiàn)在仍是工程師所青睞的無功補償裝置之一。并聯(lián)電容器的主體部分一直未曾改變，只是控制器隨著科技的進步日益更新。與并聯(lián)電容器同時出現(xiàn)的還有一種同步補償器，其應(yīng)用原理是依靠勵磁電流來改變無功電流，但因其成本過高，維護困難的缺點，應(yīng)用范圍并沒有并聯(lián)電容器廣[3]。隨著無功補償技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了有載調(diào)壓變壓器和靜電電容器，這兩種無功補償裝置的共同缺點是無法實現(xiàn)實時無功補償，需人工手動調(diào)節(jié)，給技術(shù)人員帶來諸多不便。因此，本文主要使用無功補償裝置，降低功率因數(shù)，提高電壓穩(wěn)定性，以防止功率因數(shù)過低，電壓崩潰的現(xiàn)象發(fā)生[4]。

本文開發(fā)了一套中壓配電網(wǎng)快拆快裝無功補償裝置，裝置內(nèi)部元件采用模塊化設(shè)計，采用該無功補償裝置運行維護人員可以快速地對裝置及內(nèi)部元件模塊進行帶電拆裝作業(yè)，做到無功補償就地按需配置，隨用隨裝、隨壞隨換。當負荷特性、電源特性以及網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等發(fā)生變化，根據(jù)需求隨拆隨裝，既滿足了無功補償要求、電壓合格的需求，同時又提高了裝置的利用率，節(jié)約了投入資金。

1 無功補償原理及意義

為提高線路平均功率因數(shù)，常用電容器進行無功補償，如公式(1)所示。

Qc=P(tanφ1-tanφ2)=

(1)

式中：線路用電負荷平均有功功率為P，補償前的功率因數(shù)為cosφ1，補償后的功率因數(shù)為cosφ2，補償前的功率因數(shù)角為tanφ1，補償前的功率因數(shù)角為tanφ2，電容器的安裝容量為Qc。

在工程實踐中，無功補償要求需要將cosφ1提高到cosφ2左右，補償容量為計算值取整即可。

在某一額定電壓下，有功功率恒定不變，由于功率因數(shù)變化，其線路損耗發(fā)生變化。全國線路損耗約占12%，其中主要是由無功分量引起的損耗，若無功線損降低50%～60%，一年便可節(jié)電500億kW·h左右[5]。線損率的計算公式如公式(2)所示。

(2)

無功補償前的功率因數(shù)定義為cosθ，無功補償后的功率因數(shù)定義為cosφ。由于cosφ>cosθ，即無功補償后的功率因數(shù)大于無功補償前的功率因數(shù)，功率因數(shù)提高，致使線損率下降[6]。

無功功率與有功功率相比，前者對電壓損耗的影響較大，因此，在配電供電網(wǎng)絡(luò)中，無功功率在電壓損耗方面占據(jù)了主導(dǎo)因素。線路的電抗隨著線路的位置而改變，因此合理安裝無功補償裝置可以更好地改善電能質(zhì)量[7]。

2 快拆快裝無功補償裝置的研制

目前，10 kV線路無功補償裝置較為成熟的是箱式一體化結(jié)構(gòu)。但是，該裝置難以應(yīng)用于處于偏遠山區(qū)的云南西雙版納地區(qū)。為了滿足西雙版納無功補償裝置項目設(shè)備帶電作業(yè)快速安裝及拆除、且便于更換元器件的要求，項目研制的中壓快裝快拆無功補償裝置必須具備質(zhì)量輕、體積小，且為分體式結(jié)構(gòu)的特點[8～11]。在已成熟的箱式一體化結(jié)構(gòu)研究改進的基礎(chǔ)上，確定其結(jié)構(gòu)主要包含開關(guān)電源單元、電容器單元、控制單元、電流采樣單元和其他附件五部分[12～17]。

開關(guān)電源單元選擇一種新型戶外投切電容器開關(guān)，并將保護CT集成于開關(guān)上，電源PT另置，該單元體積更小、重量更輕、更加便于運輸和安裝。新型戶外投切電容器開關(guān)，其型號定為FZW18-400/12。

電容器單元是將電容器外置，以便于電容器安裝、增減容量等。外置電容器可實現(xiàn)動靜結(jié)合補償方式，容量可在50 kVar～600 kVar范圍內(nèi)進行調(diào)整，滿足靈活化、精細化補償。

為了滿足快拆快裝無功補償裝置補償容量可調(diào)整性要求，中壓快拆快裝無功補償裝置控制器的控制策略必須能隨著設(shè)備補償容量的變化而做相應(yīng)的調(diào)整，以實現(xiàn)新的補償容量及補償方式下的最優(yōu)控制的目標。電流采樣單元采用戶外穿心式電流互感器，型號為LMZW7-10Q，采集線路電流，準確度不低于0.5級，變比為300/5，額定輸出10 VA。

3 無功補償裝置調(diào)試分析

3.1 線路概況

西雙版納供電局配電網(wǎng)所轄10 kV勐臘線，線路長度69.35 km，主干線型號為LGJ-120、LGJ-70，支線多為LGJ-50和LGJ-35。線路共有55臺配變，配變總?cè)萘? 885 kVA，其中，專變35臺，容量5 830 kVA，公變20臺，容量1 055 kVA。10 kV勐臘線線路存在無功補償不合理，功率因數(shù)低、線損大的問題。在10 kV勐臘線開展中壓快拆快裝無功補償裝置的開發(fā)與應(yīng)用項目，可實現(xiàn)該線路無功補償合理分布與無功就地平衡，提高功率因數(shù)，降低線損。

勐臘線37#桿處。額定補償容量 200 kVar；補償方式：兩模塊；現(xiàn)場情況：電桿為水泥電桿190×12，導(dǎo)線為LGJ-120鋼芯鋁絞線，現(xiàn)場為雙桿架線。

勐臘線66#桿處。額定補償容量 200 kVar；補償方式：兩模塊；現(xiàn)場情況：電桿為水泥電桿190×12，導(dǎo)線為LGJ-120鋼芯鋁絞線，現(xiàn)場為雙桿架線。

勐臘線133#桿處。額定補償容量 200 kVar；補償方式：兩模塊；現(xiàn)場情況：電桿為水泥電桿190×12,導(dǎo)線為LGJ-70鋼芯鋁絞線,現(xiàn)場為雙桿架線。

3.2 仿真分析

根據(jù)該線路10 kV勐臘線單線圖，搭建潮流分析模型[18，19]，根據(jù)線路負荷運行情況設(shè)置電氣參數(shù)，并用ETAP軟件進行潮流計算。裝置投運前潮流分析結(jié)果如圖1所示。

經(jīng)過理論及仿真分析并通過現(xiàn)場調(diào)研，在所研究的10 kV勐臘線37#桿、66#桿及133#桿分別安裝3套容量均為200 kVar自適應(yīng)中壓快拆快裝無功補償設(shè)備。裝置投運后潮流仿真結(jié)果如圖2所示。

圖1 裝置投運前潮流計算仿真結(jié)果圖

仿真分析結(jié)果與后臺系統(tǒng)軟件監(jiān)測線路變電站出口、37#桿、66#桿及133#桿功率因數(shù)數(shù)據(jù)對比如表1所示。

表1 10 kV勐臘線各節(jié)點功率因數(shù)前后對比

圖2 裝置投運后潮流計算仿真結(jié)果圖

由表1可以看出，線路變電站出口功率因數(shù)提高至0.951，37#桿、66#桿及133#桿塔處功率因數(shù)均高于0.95，裝置投運后線路無功補償?shù)膶嵤┬Чc仿真結(jié)果基本一致，由此可知10 kV勐臘線線路達到無功補償目標。

3.3 實例分析

3.3.1 裝置投運前監(jiān)測數(shù)據(jù)及分析

以西雙版納供電局配電網(wǎng)所轄10 kV勐臘線工程37#桿為例，選取時間為2017年10月11日—2017年10月13日，00:00-24:00的數(shù)據(jù)(由于裝置于10月11日14:00以后投運使用，并未記錄00:00-14:00的數(shù)據(jù))。圖3為3天的功率因數(shù)走勢折線圖。

圖3 2017.10.11～2017.10.13功率因數(shù)

根據(jù)國家標準，高壓用戶的功率因數(shù)應(yīng)達到0.9以上，低壓用戶的功率因數(shù)應(yīng)達到0.85以上。鑒于電力生產(chǎn)的特點，用戶用電功率因數(shù)的高低，對發(fā)、供、用電設(shè)備的充分利用，節(jié)約電能和改善電壓質(zhì)量有著重要影響。提高用戶的功率因數(shù)并保持均衡可以提高供用電雙方和社會經(jīng)濟效益[20]，根據(jù)文獻[21]可參考功率因數(shù)的標準值及使用范圍。

由圖4所示折線圖走勢及表2數(shù)據(jù)分析表可以看出，裝置未投運前功率因數(shù)波動較大，且大多數(shù)時間段功率因數(shù)值均未達到標準值0.85以上，無法滿足電力生產(chǎn)水平，影響正常電力生產(chǎn)和生活。

圖4 2017.10.20～2018.1.23功率因數(shù)

時間最大值時刻最小值時刻平均值是否達標2017.10.110.9017∶35∶320.6823∶35∶440.83否2017.10.120.9407∶25∶520.6104∶25∶470.78否2017.10.130.9920∶47∶490.6301∶55∶470.82否

功率因數(shù)過低，會產(chǎn)生無功功率，相應(yīng)的電流在電力線上傳輸，會造成發(fā)熱損耗，產(chǎn)生電壓降，增加供電線路的損耗，降低了電壓質(zhì)量[22]。

功率因數(shù)過低且波動大的原因主要歸結(jié)為以下3點：

(1)西雙版納地區(qū)多為山區(qū)，地勢復(fù)雜，配網(wǎng)供電網(wǎng)絡(luò)接線較為簡單，供電半徑長，結(jié)構(gòu)薄弱，季節(jié)變化較為明顯，負荷隨季節(jié)變化上下波動，造成功率因數(shù)低，線損率高；

(2)經(jīng)濟發(fā)展相對落后，計量設(shè)備更換不到位，大量淘汰計量設(shè)備的超期運行造成計量不準；變電設(shè)備的負載率過低，并沒有配置相應(yīng)的電容補償設(shè)備；

(3)大量采用感應(yīng)電動機或其他各種電感性用電設(shè)備，如電焊機，感應(yīng)電爐等，且電感性的用電設(shè)備配套不合適或使用不合理，造成用電設(shè)備長期輕載或空載運行，造成功率因數(shù)低。

3.3.2 裝置投運后監(jiān)測數(shù)據(jù)及分析

由圖4所示折線圖走勢及表3數(shù)據(jù)分析表可以看出，裝置投運后功率因數(shù)波動較小，尤其以2017年12月22日折線圖走勢較為明顯，4日功率因數(shù)平均值均達到標準值0.85以上，最大值達到0.99，大多數(shù)時間段功率因數(shù)值均在0.80～0.99之間，滿足電力生產(chǎn)水平。

表3 裝置投運后功率因數(shù)數(shù)據(jù)分析

3.3.3 裝置投運前后數(shù)據(jù)對比

根據(jù)無功補償?shù)亩x可知，在電網(wǎng)中安裝無功補償設(shè)備以后，可以提供感性電抗所消耗的無功功率，減少了電網(wǎng)電源向感性負荷提供由線路輸送的無功功率，減少無功功率在電網(wǎng)中的流動，因此可以降低線路和變壓器因輸送無功功率造成的電能損耗[23，24]。

以西雙版納供電局配電網(wǎng)所轄10kV勐臘線工程37#桿為例，取裝置投運前2017年10月11日～2017年10月13日，裝置投運后2017年10月20日，2017年10月25日，2017年11月21日，2017年11月26日，2017年12月22日，2017年12月27日，2018年1月23日，2018年1月28日，11組時間的功率因數(shù)平均值，有功功率平均值，無功功率平均值進行對比。數(shù)據(jù)對比如表4。

表4 裝置投運前后數(shù)據(jù)對比

由表4裝置投運前后數(shù)據(jù)對比可以看出，裝置投運前，功率因數(shù)均未達到標準值0.85以上，10月12日甚至低于0.80，10月11日～13日，線路輸送的無功功率過高，均超過了0.10 kVar。裝置投運后，8組無功功率值較投運前都有了明顯的降低，最高值為0.10 kVar，最低值為0.08 kVar，降低了無功功率在電網(wǎng)線路中的流動，功率因數(shù)有了明顯的提高，且均超過了標準值0.85，最高值為0.98，最低值為0.88，滿足生產(chǎn)水平。證明了該快拆快裝無功補償裝置在提高線路功率因數(shù)，節(jié)能降損，改善電能質(zhì)量方面具有可行性及高效性。

4 結(jié)論

通過仿真結(jié)果及后臺監(jiān)控系統(tǒng)對線路的實時監(jiān)控所得的數(shù)據(jù)分析對比，完成了對10 kV勐臘線三點集中無功優(yōu)化，最大程度地發(fā)揮10 kV勐臘線37#桿、66#桿及133#桿3臺中壓快拆快裝無功補償裝置的作用，提高設(shè)備利用率，實現(xiàn)線路無功優(yōu)化，達到無功就地平衡，提高線路功率因數(shù)，減少線損的目標，解決了10 kV勐臘線無功功率因數(shù)低，線損高的問題。同時實現(xiàn)了10 kV勐臘線無功實時在線監(jiān)控管理，提高了該線路無功自動化管理水平。

參考文獻：

[1] 陳洋, 李蘭, 陳紅光, 等. 諧波對10 kV電容器補償回路合閘影響的分析[J]. 電力電容器與無功補償, 2011, 32 (6):40-46.

[2] 任丕德, 劉發(fā)友, 周勝軍. 動態(tài)無功補償技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2004, 28 (23): 81-83.

[3] 劉曉東. 淺析電力系統(tǒng)無功功率補償技術(shù)[J]. 科技致富向?qū)? 2012 (32): 156-156.

[4] 楊東升. 提高電壓連續(xù)穩(wěn)定與無功補償?shù)谋匾訹J]. 才智, 2012 (28): 296-297.

[5] 秦印平. 靜止型動態(tài)無功補償裝置在煤礦110kv變電站的應(yīng)用[J]. 科技與企業(yè), 2013 (10): 364-364.

[6] 吳文卿. 無功補償對電網(wǎng)的補償效益[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報, 2011 (12): 90-90.

[7] 陽麗, 蔣正忠, 韋佳祥. 電力系統(tǒng)無功補償?shù)难芯縖J]. 電氣開關(guān), 2012, 50(3): 46-49.

[8] 邵宗岐. 10 kV線路柱上式無功補償裝置故障分析與改進措施[J]. 電力電容器與無功補償, 2012, 33(3): 10-15.

[9] 張勇軍, 任震, 廖美英, 李本河. 10 kV長線路桿上無功優(yōu)化補償[J]. 中國電力, 2000, 33(9): 50-52.

[10] 李泳泉, 金華芳, 胡惜超. 10 kV配電線路無功補償?shù)倪x擇[J], 電力電容器與無功補償, 2008, 29(2): 1-5.

[11] 周星. 10 kV及以下配網(wǎng)電容無功補償及節(jié)能分析[J]. 低碳世界, 2016(22): 88-89.

[12] 張輝亮,宋戈,李曉明. 靜止無功補償裝置在某鋼鐵廠中的應(yīng)用[J]. 電氣技術(shù), 2016, 17 (4):110-114.

[13] 顏偉, 陳思柔, 沈海江, 等. 配變低壓無功補償裝置的運行狀態(tài)評估指標體系[J].電力自動化設(shè)備, 2016, 36 (4):25-31.

[14] 鐘開虎, 沈林明, 王建任. 中壓無功補償裝置分組改造的實踐應(yīng)用[J]. 中國錳業(yè), 2017 (s1):75-77.

[15] 王艷, 王東, 焦彥軍, 等.中壓配電網(wǎng)無功補償裝置對PLC信道特性的影響分析[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2017, 45 (10):62-68.

[16] 張紅麗, 劉福鎖, 李威. 動態(tài)無功補償裝置提高多饋入直流恢復(fù)的布點方法[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2016 (5):133-138.

[17] 黃敏, 陳晶晶. 同步關(guān)合技術(shù)在無功補償系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J]. 科技風, 2018 (3):164-165.

[18] 林濤, 王思源, 鄭杰. 基于ETAP的電力系統(tǒng)電能質(zhì)量問題研究與分析[J]. 電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報, 2010, 25(1): 27-34.

[19] 朱慧. 基于ETAP軟件的電力系統(tǒng)潮流仿真分析[J]. 青島大學(xué)學(xué)報(工程技術(shù)版), 2015, 30(1): 63-67.

[20] 許秀敏. 試論林網(wǎng)供電工業(yè)售電平均單價分析[J]. 民營科技, 2012 (8): 194-194.

[21] 白振書. 無功功率補償技術(shù)特性的應(yīng)用[J]. 中國氯堿, 2010 (7): 30-33.

[22] 劉瑞云, 許偉. 功率因數(shù)對電力系統(tǒng)的影響及對策[J]. 科技信息, 2010 (36): 338-338.

[23] 周國威, 李欣. 配電網(wǎng)無功補償及補償效益分析[J]. 電力電容器, 2005(1): 1-5.

[24] 肖中波. 電網(wǎng)無功補償?shù)难芯縖J]. 電子世界, 2017 (1):53-54.