變電站無功及其補償裝置的選擇

羅曉軍

摘要：無功功率它是用于電路內(nèi)電場與磁場的交換，并用來在電氣設(shè)備中建立和維持磁場的電功率。它不對外作功，而是轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰俊７彩怯须姶啪€圈的電氣設(shè)備，要建立磁場，就要消耗無功功率。典型的需要無功的設(shè)備為電動機和變壓器，由于它不對外做功，才被稱之為“無功”。但絕不是無用的功率，公司地面變電站主要服務(wù)于井下開采，大部分負荷為電動機類負荷，感性無功負荷比較集中和突出，本文就礦區(qū)地面變電站無功補償裝置及容量選擇做如下論述。

關(guān)鍵詞：無功功率;磁場;能量;電動機;變壓器

Abstract：reactive power is the electric power used for the exchange of electric field and magnetic field in the circuit，and used to establish and maintain the magnetic field in electrical equipment. It does not work externally，but is transformed into other forms of energy. All electrical equipment with electromagnetic coils must consume reactive power in order to establish a magnetic field. The typical equipment that needs reactive power is motor and transformer. Because it does not do external work，it is called "reactive power". However，it is by no means useless power. The ground substation of Shendong company mainly serves mine mining. Most of the loads are motor loads，and the inductive reactive load is relatively concentrated and prominent. This paper discusses the reactive power compensation device and capacity selection of ground substation in Shendong mining area as follows.

Key words：transmission line，lightning strike，overvoltage，lightning line

引言

電力系統(tǒng)中無功由于它不對外做功，才被稱之為“無功”。但絕不是無用的功率。盡管無功功率本身不存在功率的消耗，但是這種功率還是由電感元件或者電容元件與電源之間進行的，而且是以無功電流的流動來完成交換的，而電力系統(tǒng)中的線路及其它元件均存在電阻，無功電流在電阻上會產(chǎn)生消耗，所以電力系統(tǒng)中大量的無功流動還是會產(chǎn)生能量損失的，故在電力系統(tǒng)中應(yīng)該盡量減少無功電流的流動，以減少能量損失和電壓波動。

一、無功補償?shù)谋匾约把a償基本原則

電力系統(tǒng)中若配電室中不裝設(shè)無功補償裝置，則用電設(shè)備所需要的無功功率只能全部由電網(wǎng)提供，此情況下會存在以下問題：1、增加上一級變電站的無功補償容量，2、輸電線路傳送大量無功功率，增加線路損耗及電壓損失;3、本變電站電氣設(shè)備額定電流增大，增加設(shè)備投資;4、新建變電站需要增大變壓器容量以滿足無功傳送需求，已建成變電站變壓器容量得不到充分利用，增加變壓器過載的概率;5、功率因數(shù)達不到國家電網(wǎng)公司要求（35～220kV變電站在主變最大負荷時一次側(cè)功率因數(shù)不應(yīng)低于0.95），用戶被罰款。

基于以上分析可見無功補償?shù)闹匾裕瑹o功補償裝置應(yīng)在各級電網(wǎng)中分層分區(qū)就地補償，以減少無功電流在電網(wǎng)中的傳輸，提高輸電線路的帶負荷能力和變壓器等設(shè)備的利用率。

二、并聯(lián)補償裝置的類型、功能及優(yōu)缺點分析

中低壓電網(wǎng)大多采用并聯(lián)補償裝置進行無功功率的補償，并聯(lián)補償裝置主要分為兩大類，并聯(lián)電容補償裝置和靜補裝置。

1、并聯(lián)電容補償裝置

電容器由于其具有單位投資少，電能損耗小，維護簡單，搬遷方便等優(yōu)點，且隨著近年來我國電容器制造水平的不斷提高，電容器的可靠性達到了較高的標準，故在電力系統(tǒng)中電容器作為無功補償設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用，并聯(lián)電容補償裝置分為斷路器投切的并聯(lián)電容器裝置和可控硅投切的并聯(lián)電容器裝置，裝置的功能為向電網(wǎng)提供可階梯調(diào)節(jié)的容性無功，以補償多余的感性無功，減少電網(wǎng)損耗和提高電網(wǎng)電壓，

優(yōu)點：利用真空斷路器或者接觸器分組自動投切并聯(lián)電容器，操作簡單，維護方便。

缺點：涌流大，降低開關(guān)的使用壽命，不能隨著負載的變化而實現(xiàn)快速而精準的調(diào)節(jié)，在保證母線功率因數(shù)的同時容易造成向系統(tǒng)倒送無功，抬高母線電壓，危害用電設(shè)備及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2、靜補裝置

靜止無功補償器是一種靜止型的動態(tài)無功補償設(shè)備，其靜止是相對調(diào)相機等旋轉(zhuǎn)設(shè)備而言的，分為SVC和SVG兩大類，SVC是在機械投切電容器和電抗器設(shè)備的基礎(chǔ)上，采用大量的晶閘管（可控硅）替代機械式開關(guān)設(shè)備而發(fā)展起來的，是靈活交流輸電技術(shù)的第一代產(chǎn)品，這種容量依據(jù)無功負荷和電壓的變化，快速做出反應(yīng)，迅速而連續(xù)地改變無功功率的大小和方向（容性和感性），其響應(yīng)時間一般不大于20ms，從而能有效抑制沖擊負荷（主要是無功負荷）引起的電壓波動，有利于系統(tǒng)電壓穩(wěn)定水平，SVC主要由三種組合方式：1）飽和電抗器（SR）+固定電容器（FC）;2） 晶閘管控制電抗器（TCR）+晶閘管控制電容器（TSC）;

3）晶閘管控制電抗器（TCR）+機械斷路器控制電容器（MSC），上述三種方式均因為噪聲大、能耗高等因素被淘汰。

靜止無功發(fā)生器（SVG）

SVG是近年來出線的一種新型動態(tài)無功補償裝置，裝置采用大功率全控型電力電子器件（IGBT）組成的三相逆變器，核心部件是自換相電壓源型變流器。它的直流儲能元件一般采用直流電容器，交流側(cè)通過電抗器或耦合變壓器以并聯(lián)方式接入系統(tǒng)，實際上這是一個接入電力系統(tǒng)的對電壓幅值和相角可控的無功功率電源，SVG可以根據(jù)負載特點和工況，自動調(diào)節(jié)其輸出的無功功率的大小和性質(zhì)（容性或者感性）。SVG是目前最為先進的無功補償技術(shù)，它不再采用大容量的電容、電感器件，而是通過大功率電力電子器件的高頻開關(guān)實現(xiàn)無功能量的變換。從技術(shù)上講，SVG較傳統(tǒng)的無功補償裝置有如下優(yōu)勢：

（1）響應(yīng)時間更快，SVG響應(yīng)時間：<5ms。傳統(tǒng)動補裝置響應(yīng)時間：≥10ms。

SVG可在極短的時間之內(nèi)完成從額定容性無功功率到額定感性無功功率的相互轉(zhuǎn)換，這種無可比擬的響應(yīng)速度完全可以勝任對沖擊性負荷的補償。

（2）抑制電壓閃變能力更強

（3）運行范圍更寬，SVG能夠在額定感性到額定容性的范圍內(nèi)工作，所以比其他類型動補的運行范圍寬很多。更重要的是，在系統(tǒng)電壓變低時，SVG還能夠輸出與額定工況相近的無功電流。而其他類型動補均靠電容器提供容性無功，其輸出的無功電流與電網(wǎng)電壓成正比，電網(wǎng)電壓越低，其輸出的無功電流也越低，所以對電網(wǎng)的補償能力也相應(yīng)變?nèi)酢＿@是其他類型動補技術(shù)上的本質(zhì)缺點。

（4）有源濾波功能，不僅自身產(chǎn)生的諧波含量極低，還能夠?qū)ω撦d的諧波和無功進行補償，實現(xiàn)有源濾波的功能，真正做到多功能化。

（5）占地面積較小，由于無需大容量的電容器和電抗器做儲能元件，SVG的占地面積通常只有相同容量其他類型動補的50%，甚至更小。所以，在一些廠礦改造中SVG具有很大的優(yōu)勢。

三、35kV變電站無功補償裝置現(xiàn)狀

現(xiàn)有的變電站均設(shè)置有無功補償裝置，補償型式主要有以下兩種方式：

1、全站均為固定電容器補償，固定電容器通過電容器出線柜接于10.5（6.3）kV母線上，常用的補償容量有1800kVar、2400kVar、3000 kVar、3600 kVar極個別站采用4000 kVar，為了限制電網(wǎng)高次諧波放大及限制電容器合閘涌流，并聯(lián)電容器需要和串聯(lián)電抗器串聯(lián)連接，運行方式為每套電容器組全部投入或者退出。

2、全站以固定電容器+靜態(tài)無功補償裝置（SVG）補償，電容器接線與補償方式1中的接線相同，運行方式為當所需無功功率小于固定電容器的補償容量時，靜態(tài)無功補償裝置投入運行，當所需無功功率大于固定電容器的補償容量時此時成套電容器裝置投入運行，剩余缺額無功功率由SVG補償。

上述兩種補償裝置補償型式優(yōu)缺點分析

1）全站固定電容器補償裝置優(yōu)缺點分析

固定電容器補償裝置優(yōu)點：①投資少、見效快，以一套2400kVar的固定

電容器為例，全套裝置價格約為15-17萬元，而同樣容量的靜態(tài)無功補償裝置價格約為90-100萬元。②產(chǎn)品成熟、可靠性高，維護工作量少，電力電容器行業(yè)經(jīng)過多年的發(fā)展，目前已經(jīng)成為國產(chǎn)化做得最好的電器制造業(yè)之一，基本能夠做到戶外安裝免維護。

固定電容器補償裝置缺點：①部分變電站受負荷較多、開關(guān)柜數(shù)量限制等因素，現(xiàn)有的部分單套補償裝置補償容量過大，如BRT變電站單套補償容量達到3600kVar，實際使用時出現(xiàn)功率因數(shù)過低而電容器由于出現(xiàn)過電壓嚴重的情況而不能投入使用，嚴重的限制了補償裝置的使用，未能達到預(yù)期的補償效果。

②電容器的投切使變電站母線電壓波動較大，

2）全站以固定電容器+靜態(tài)無功補償裝置（SVG）補償

固定電容器+靜態(tài)無功補償裝置（SVG）補償主要優(yōu)點

1）無功負荷小時靜態(tài)無功補償裝置投入運行，此時補償容量全部由SVG

補償，無功負荷大時兩套裝置均投入運行，固定電容器補償后剩余的無功缺額由SVG來補償，兩種補償情況，補償容量根據(jù)所需的無功負荷補償，用多少補多少，能夠有效的抑制快速變化的負荷所產(chǎn)生的電壓波動和閃變。2） 改善了系統(tǒng)電壓質(zhì)量和提高電力系統(tǒng)在小干擾和大干擾下的穩(wěn)定性。

固定電容器+靜態(tài)無功補償裝置（SVG）補償主要缺點

該補償裝置的主要缺點為，設(shè)備投資大，需要專用的配電室安裝。

基于以上兩種補償裝置的比較，可以發(fā)現(xiàn)，全站以固定電容器+靜態(tài)無功補償裝置（SVG）補償無功效果較好，技能滿足無級調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)無功的要求，又能減少對電力系統(tǒng)的沖擊，避免向系統(tǒng)倒送無功等情況的出現(xiàn)，且設(shè)備造價一般的企業(yè)均可以接受。

總結(jié)：無功功率作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，必須分層分區(qū)就地補償，補償應(yīng)該結(jié)合設(shè)備造價等因素，盡量減少對系統(tǒng)的沖擊，避免母線過電壓水平超過額定電壓的1.1倍，同時注意電容器本身的額定電壓要高于系統(tǒng)的額定電壓，各類型的無功補償裝置，均有自己的優(yōu)缺點，設(shè)計中根據(jù)實際情況將它們予以組合以實現(xiàn)無功補償方案的最優(yōu)化。

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