中壓快拆快裝無(wú)功補(bǔ)償裝置應(yīng)用及效果分析

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(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500；2.云南電力試驗(yàn)研究院(集團(tuán))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(guó)的配網(wǎng)供電網(wǎng)絡(luò)，普遍存在線路傳輸?shù)臒o(wú)功功率過(guò)高導(dǎo)致功率因數(shù)較低的問(wèn)題，從而導(dǎo)致電網(wǎng)線損較大。無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的出現(xiàn)，解決了上述問(wèn)題給各行各業(yè)帶來(lái)的不便。將無(wú)功補(bǔ)償運(yùn)用到配電供電網(wǎng)絡(luò)中，可以穩(wěn)定電壓，不會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)；可以提高功率因數(shù)，從而解決電網(wǎng)線損較大的問(wèn)題；可以平衡三相功率，進(jìn)一步能夠提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，使之不會(huì)因功率不平衡而導(dǎo)致大面積停電事故、電壓崩潰等問(wèn)題的發(fā)生。近些年來(lái)，無(wú)論是現(xiàn)代工業(yè)還是電力工業(yè)，對(duì)電能質(zhì)量的要求日益提高[1]，而其發(fā)展給電網(wǎng)帶來(lái)了巨大的無(wú)功負(fù)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(dòng)較大。

無(wú)功補(bǔ)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(wú)功補(bǔ)償裝置進(jìn)行集中補(bǔ)償。并聯(lián)電容器因其補(bǔ)償性能優(yōu)越，現(xiàn)在仍是工程師所青睞的無(wú)功補(bǔ)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(jìn)步日益更新。與并聯(lián)電容器同時(shí)出現(xiàn)的還有一種同步補(bǔ)償器，其應(yīng)用原理是依靠勵(lì)磁電流來(lái)改變無(wú)功電流，但因其成本過(guò)高，維護(hù)困難的缺點(diǎn)，應(yīng)用范圍并沒(méi)有并聯(lián)電容器廣[3]。隨著無(wú)功補(bǔ)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(wú)功補(bǔ)償裝置的共同缺點(diǎn)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)無(wú)功補(bǔ)償，需人工手動(dòng)調(diào)節(jié)，給技術(shù)人員帶來(lái)諸多不便。因此，本文主要使用無(wú)功補(bǔ)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(guò)低，電壓崩潰的現(xiàn)象發(fā)生[4]。

本文開(kāi)發(fā)了一套中壓配電網(wǎng)快拆快裝無(wú)功補(bǔ)償裝置，裝置內(nèi)部元件采用模塊化設(shè)計(jì)，采用該無(wú)功補(bǔ)償裝置運(yùn)行維護(hù)人員可以快速地對(duì)裝置及內(nèi)部元件模塊進(jìn)行帶電拆裝作業(yè)，做到無(wú)功補(bǔ)償就地按需配置，隨用隨裝、隨壞隨換。當(dāng)負(fù)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(wú)功補(bǔ)償要求、電壓合格的需求，同時(shí)又提高了裝置的利用率，節(jié)約了投入資金。

1 無(wú)功補(bǔ)償原理及意義

為提高線路平均功率因數(shù)，常用電容器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，如公式(1)所示。

Qc=P(tanφ1-tanφ2)=

(1)

式中：線路用電負(fù)荷平均有功功率為P，補(bǔ)償前的功率因數(shù)為cosφ1，補(bǔ)償后的功率因數(shù)為cosφ2，補(bǔ)償前的功率因數(shù)角為tanφ1，補(bǔ)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(shí)踐中，無(wú)功補(bǔ)償要求需要將cosφ1提高到cosφ2左右，補(bǔ)償容量為計(jì)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(guó)線路損耗約占12%，其中主要是由無(wú)功分量引起的損耗，若無(wú)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(jì)算公式如公式(2)所示。

(2)

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

無(wú)功功率與有功功率相比，前者對(duì)電壓損耗的影響較大，因此，在配電供電網(wǎng)絡(luò)中，無(wú)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(wú)功補(bǔ)償裝置可以更好地改善電能質(zhì)量[7]。

2 快拆快裝無(wú)功補(bǔ)償裝置的研制

目前，10 kV線路無(wú)功補(bǔ)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(yuǎn)山區(qū)的云南西雙版納地區(qū)。為了滿足西雙版納無(wú)功補(bǔ)償裝置項(xiàng)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(xiàng)目研制的中壓快裝快拆無(wú)功補(bǔ)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(diǎn)[8～11]。在已成熟的箱式一體化結(jié)構(gòu)研究改進(jìn)的基礎(chǔ)上，確定其結(jié)構(gòu)主要包含開(kāi)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(kāi)關(guān)電源單元選擇一種新型戶外投切電容器開(kāi)關(guān)，并將保護(hù)CT集成于開(kāi)關(guān)上，電源PT另置，該單元體積更小、重量更輕、更加便于運(yùn)輸和安裝。新型戶外投切電容器開(kāi)關(guān)，其型號(hào)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(shí)現(xiàn)動(dòng)靜結(jié)合補(bǔ)償方式，容量可在50 kVar～600 kVar范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，滿足靈活化、精細(xì)化補(bǔ)償。

為了滿足快拆快裝無(wú)功補(bǔ)償裝置補(bǔ)償容量可調(diào)整性要求，中壓快拆快裝無(wú)功補(bǔ)償裝置控制器的控制策略必須能隨著設(shè)備補(bǔ)償容量的變化而做相應(yīng)的調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)新的補(bǔ)償容量及補(bǔ)償方式下的最優(yōu)控制的目標(biāo)。電流采樣單元采用戶外穿心式電流互感器，型號(hào)為L(zhǎng)MZW7-10Q，采集線路電流，準(zhǔn)確度不低于0.5級(jí)，變比為300/5，額定輸出10 VA。

3 無(wú)功補(bǔ)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(zhǎng)度69.35 km，主干線型號(hào)為L(zhǎng)GJ-120、LGJ-70，支線多為L(zhǎng)GJ-50和LGJ-35。線路共有55臺(tái)配變，配變總?cè)萘? 885 kVA，其中，專變35臺(tái)，容量5 830 kVA，公變20臺(tái)，容量1 055 kVA。10 kV勐臘線線路存在無(wú)功補(bǔ)償不合理，功率因數(shù)低、線損大的問(wèn)題。在10 kV勐臘線開(kāi)展中壓快拆快裝無(wú)功補(bǔ)償裝置的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用項(xiàng)目，可實(shí)現(xiàn)該線路無(wú)功補(bǔ)償合理分布與無(wú)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(bǔ)償容量 200 kVar；補(bǔ)償方式：兩模塊；現(xiàn)場(chǎng)情況：電桿為水泥電桿190×12，導(dǎo)線為L(zhǎng)GJ-120鋼芯鋁絞線，現(xiàn)場(chǎng)為雙桿架線。

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

勐臘線133#桿處。額定補(bǔ)償容量 200 kVar；補(bǔ)償方式：兩模塊；現(xiàn)場(chǎng)情況：電桿為水泥電桿190×12,導(dǎo)線為L(zhǎng)GJ-70鋼芯鋁絞線,現(xiàn)場(chǎng)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(fù)荷運(yùn)行情況設(shè)置電氣參數(shù)，并用ETAP軟件進(jìn)行潮流計(jì)算。裝置投運(yùn)前潮流分析結(jié)果如圖1所示。

經(jīng)過(guò)理論及仿真分析并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。裝置投運(yùn)后潮流仿真結(jié)果如圖2所示。

圖1 裝置投運(yùn)前潮流計(jì)算仿真結(jié)果圖

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

表1 10 kV勐臘線各節(jié)點(diǎn)功率因數(shù)前后對(duì)比

圖2 裝置投運(yùn)后潮流計(jì)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(yùn)后線路無(wú)功補(bǔ)償?shù)膶?shí)施效果與仿真結(jié)果基本一致，由此可知10 kV勐臘線線路達(dá)到無(wú)功補(bǔ)償目標(biāo)。

3.3 實(shí)例分析

3.3.1 裝置投運(yùn)前監(jiān)測(cè)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(shí)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(yùn)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(shì)折線圖。

圖3 2017.10.11～2017.10.13功率因數(shù)

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，高壓用戶的功率因數(shù)應(yīng)達(dá)到0.9以上，低壓用戶的功率因數(shù)應(yīng)達(dá)到0.85以上。鑒于電力生產(chǎn)的特點(diǎn)，用戶用電功率因數(shù)的高低，對(duì)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(huì)經(jīng)濟(jì)效益[20]，根據(jù)文獻(xiàn)[21]可參考功率因數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值及使用范圍。

由圖4所示折線圖走勢(shì)及表2數(shù)據(jù)分析表可以看出，裝置未投運(yùn)前功率因數(shù)波動(dòng)較大，且大多數(shù)時(shí)間段功率因數(shù)值均未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值0.85以上，無(wú)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(shí)間最大值時(shí)刻最小值時(shí)刻平均值是否達(dá)標(biāo)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(guò)低，會(huì)產(chǎn)生無(wú)功功率，相應(yīng)的電流在電力線上傳輸，會(huì)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(guò)低且波動(dòng)大的原因主要?dú)w結(jié)為以下3點(diǎn)：

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

(2)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)落后，計(jì)量設(shè)備更換不到位，大量淘汰計(jì)量設(shè)備的超期運(yùn)行造成計(jì)量不準(zhǔn)；變電設(shè)備的負(fù)載率過(guò)低，并沒(méi)有配置相應(yīng)的電容補(bǔ)償設(shè)備；

(3)大量采用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)或其他各種電感性用電設(shè)備，如電焊機(jī)，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(zhǎng)期輕載或空載運(yùn)行，造成功率因數(shù)低。

3.3.2 裝置投運(yùn)后監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及分析

由圖4所示折線圖走勢(shì)及表3數(shù)據(jù)分析表可以看出，裝置投運(yùn)后功率因數(shù)波動(dòng)較小，尤其以2017年12月22日折線圖走勢(shì)較為明顯，4日功率因數(shù)平均值均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值0.85以上，最大值達(dá)到0.99，大多數(shù)時(shí)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(yùn)后功率因數(shù)數(shù)據(jù)分析

3.3.3 裝置投運(yùn)前后數(shù)據(jù)對(duì)比

根據(jù)無(wú)功補(bǔ)償?shù)亩x可知，在電網(wǎng)中安裝無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備以后，可以提供感性電抗所消耗的無(wú)功功率，減少了電網(wǎng)電源向感性負(fù)荷提供由線路輸送的無(wú)功功率，減少無(wú)功功率在電網(wǎng)中的流動(dòng)，因此可以降低線路和變壓器因輸送無(wú)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(yùn)前2017年10月11日～2017年10月13日，裝置投運(yùn)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(shí)間的功率因數(shù)平均值，有功功率平均值，無(wú)功功率平均值進(jìn)行對(duì)比。數(shù)據(jù)對(duì)比如表4。

表4 裝置投運(yùn)前后數(shù)據(jù)對(duì)比

由表4裝置投運(yùn)前后數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，裝置投運(yùn)前，功率因數(shù)均未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)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(wú)功功率過(guò)高，均超過(guò)了0.10 kVar。裝置投運(yùn)后，8組無(wú)功功率值較投運(yùn)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(wú)功功率在電網(wǎng)線路中的流動(dòng)，功率因數(shù)有了明顯的提高，且均超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)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(wú)功補(bǔ)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(guò)仿真結(jié)果及后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)線路的實(shí)時(shí)監(jiān)控所得的數(shù)據(jù)分析對(duì)比，完成了對(duì)10 kV勐臘線三點(diǎn)集中無(wú)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(tái)中壓快拆快裝無(wú)功補(bǔ)償裝置的作用，提高設(shè)備利用率，實(shí)現(xiàn)線路無(wú)功優(yōu)化，達(dá)到無(wú)功就地平衡，提高線路功率因數(shù)，減少線損的目標(biāo)，解決了10 kV勐臘線無(wú)功功率因數(shù)低，線損高的問(wèn)題。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了10 kV勐臘線無(wú)功實(shí)時(shí)在線監(jiān)控管理，提高了該線路無(wú)功自動(dòng)化管理水平。

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