110kV變電站增設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置方案設(shè)計(jì)

王國(guó)光

[摘 ? ?要]中條動(dòng)能110 kV變電站配電線路較多，平均月用電量在3 000萬(wàn)kW·h，功率因數(shù)保持在0.91～0.92。為保證該站功率因數(shù)達(dá)0.95，從電容裝置的安裝位置、容量、電壓、控制方式等角度進(jìn)行分析，確定了補(bǔ)償裝置主要參數(shù)后，并對(duì)該站功率因數(shù)達(dá)到0.95后所產(chǎn)生的效益進(jìn)行計(jì)算分析。

[關(guān)鍵詞]電容器;功率因數(shù);容量;控制方式;效益計(jì)算

[中圖分類號(hào)]TM63 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2022）01–00–03

[Abstract]There are many distribution lines of 110 kV kinetic energy substation in Zhongtiaoshan， and the average monthly electricity consumption is 30 million kW.h/ month， and the power factor remains at 0.91-0.92. In order to ensure that the power factor of the station can reach 0.95， this paper analyzes the installation position， capacity， voltage and control mode of the capacitor device. After determining the main parameters of the compensation device， the benefits generated by the power factor of the station reaching 0.95 are calculated and analyzed.

[Keywords]capacitor power;factor;capacity;control method;benefit calculation

1 中條動(dòng)能110 kV變電站概述

中條動(dòng)能110 kV變電站現(xiàn)有主變壓器3臺(tái)，兩臺(tái)三卷變壓2×25 MVA，型號(hào)為SSZ10-25000/110。一臺(tái)兩卷變壓器，型號(hào)為SZ11-25000/110。電氣主接線分為110 kV，35 kV和6 kV三個(gè)電壓系統(tǒng)。

2 中條動(dòng)能110 kV變電站增加無(wú)功補(bǔ)償裝置立項(xiàng)理由

2.1 提高功率因數(shù)能夠減免電費(fèi)：電網(wǎng)電費(fèi)結(jié)算規(guī)定

功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)=（電量電費(fèi)+基本電費(fèi)）×功率因數(shù)增減百分比

功率因數(shù)調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)為0.9，0.9～0.95每增加一個(gè)百分點(diǎn)減免電費(fèi)0.15%，0.95以上按照0.95計(jì)算，如表1所示。

2.2 提高功率因數(shù)能夠降低損耗

提高功率因數(shù)還可以減少線路、變壓器損耗，降低電量消耗。

通過(guò)增加電容補(bǔ)償裝置，使中條動(dòng)能110 kV變電站110 kV側(cè)的功率因數(shù)達(dá)到0.95，節(jié)省電費(fèi)成本，同時(shí)降低線路及變壓器損耗。

3 中條動(dòng)能110 kV變電站功率因數(shù)現(xiàn)狀

3.1 中條動(dòng)能110 kV變電站110 kV側(cè)功率因數(shù)現(xiàn)狀

動(dòng)能變電站總進(jìn)線133線路功率因數(shù)自2019年11月—2021年10月的功率因數(shù)為0.910～0.926，平均為0.919，沒有達(dá)到減免費(fèi)用最高的0.95數(shù)值，功率因數(shù)有0.03的增補(bǔ)空間。

3.2 中條動(dòng)能110 kV變電站6 kV側(cè)功率因數(shù)現(xiàn)狀

動(dòng)能分公司變電站自2019年11月—2021年10月，三臺(tái)主變6 kV側(cè)功率因數(shù)為0.95～0.96。不滿足電網(wǎng)公司不低于0.98的要求。

4 中條動(dòng)能110 kV變電站增加無(wú)功補(bǔ)償裝置后功率因數(shù)目標(biāo)值

月平均功率因數(shù)達(dá)到0.95，即110 kV中條動(dòng)能站133線路功率因數(shù)提高到0.95，同時(shí)降低133線路及變壓器損耗。

5 中條動(dòng)能110 kV變電站增加無(wú)功補(bǔ)償裝置安裝位置的確定

5.1 不能安裝在110 kV側(cè)母線情況說(shuō)明

根據(jù)變電站運(yùn)行報(bào)表得知153線路總負(fù)荷曲線在42～55 MV·A波動(dòng)。若在110 kV側(cè)直接補(bǔ)償，需根據(jù)負(fù)荷波動(dòng)情況進(jìn)行分級(jí)投切補(bǔ)償。110 kV要做到分級(jí)補(bǔ)償，不但占地空間大，投切控制方式也較難實(shí)現(xiàn)。而且投資費(fèi)用很大，實(shí)施起來(lái)整個(gè)變電站需要停電，勢(shì)必整個(gè)站所有供電線路都要停電，影響到整個(gè)集團(tuán)公司的生產(chǎn)。且該站為20世紀(jì)70年代所建站，無(wú)安裝空間。所以補(bǔ)償裝置安裝地點(diǎn)不選擇110 kV側(cè)。

5.2 不能安裝在35 kV側(cè)母線情況說(shuō)明

（1）該站35 kV側(cè)系統(tǒng)直配線路只有兩回線路，其中一回只是古堆區(qū)變備用電源，平時(shí)在熱備狀態(tài);另一回306線路最大負(fù)荷3 300 kV·A左右，補(bǔ)償效果欠佳。

（2）1#和2#主變35 kV側(cè)容量?jī)H為另兩側(cè)容量的50%，為12.5 MV·A，如若補(bǔ)償量超過(guò)其容量，則可能會(huì)欠補(bǔ)，補(bǔ)償效果達(dá)不到預(yù)期效果。

（3）3#主變?yōu)閮删碜?，無(wú)35 kV出線。

（4）由于35 kV系統(tǒng)直配線路少，負(fù)荷小，35 kV系統(tǒng)系統(tǒng)運(yùn)行方式為單母運(yùn)行，兩臺(tái)三卷變一用一備，不適合將補(bǔ)償裝置安裝在該系統(tǒng)側(cè)。

5.3 安裝在6 kV側(cè)母線情況說(shuō)明

（1）動(dòng)能變電站主要負(fù)荷集中在6 kV側(cè)（共17回直配線路），負(fù)荷需求量也大，安裝在本側(cè)，可達(dá)到直補(bǔ)效果，補(bǔ)償效果較佳;

（2）低壓無(wú)功補(bǔ)償容量投切容易實(shí)現(xiàn);

（3）投資費(fèi)用與110 kV側(cè)比較要少;

（4）安裝過(guò)程不用停電，不會(huì)影響各單位的正常生產(chǎn)。

6 電抗器電抗率的選擇

（1）動(dòng)能變電站6 kV系統(tǒng)有個(gè)別線路負(fù)荷為電弧爐存在有3、5、7次諧波，總公司計(jì)劃在線路用戶端進(jìn)行治理，本次不考慮治理諧波。

（2）依據(jù)GB 50227—2017《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》，選擇電抗率用于抑制諧波，規(guī)范中指明當(dāng)并聯(lián)電容器裝置接入電網(wǎng)處的背景諧波為5次及以上時(shí)，宜取4.5%～6%;當(dāng)并聯(lián)電容器裝置接入電網(wǎng)處的背景諧波為3次及以上時(shí)，宜取12%。由于不考慮用戶端的諧波，不選12%，因此本次選電抗率為6%的電抗器。

（3）選擇電抗率6%還是5%：主要是考慮這兩種電抗率均有可能放大三次諧波：電容器阻抗Z=Xc1-KXc1，K為電抗率。當(dāng)n次諧波時(shí)電容器組阻抗值Z=Xc1/n-KnXc1=Xc1（1/n-Kn）=Xc1（1/n2-K）。電抗率6%時(shí)容器組阻抗在三次諧波時(shí)容性阻抗較5%時(shí)的值小。諧波放大的可能性較5%小。因此選擇6%電抗率，如表2所示。

7 電容電壓的選擇

（1）動(dòng)能分公司變電站6 kV母線運(yùn)行線電壓保持在6.4 kV左右。

（2）根據(jù)GB/T 38041—2014《高壓并聯(lián)電容器通用技術(shù)要求》第5.3.2.2裝置中電容器組額定電壓的選擇。電容器組的額定電壓選擇應(yīng)計(jì)及裝置接入電網(wǎng)處的運(yùn)行電壓與接入串聯(lián)電抗器引起的電容器運(yùn)行電壓的升高，以及考慮接入電網(wǎng)處諧波對(duì)電容器運(yùn)行電壓和電流的影響，既要確保電容器安全，又要盡量利用電容器的容量。當(dāng)電網(wǎng)標(biāo)稱電壓為6 kV時(shí)選擇6.6/。

當(dāng)電網(wǎng)持續(xù)運(yùn)行電壓高于1.05倍標(biāo)稱電壓時(shí)，則可按其與1.05的比值相應(yīng)增高電容器組的額定電壓。動(dòng)能變電站母線運(yùn)行線電壓為6.4 kV左右，為標(biāo)稱電壓的1.07倍，所以應(yīng)選擇電容器線電壓為6.6×1.05/=6.9 kV，因無(wú)6.9 kV電容器組，因此選用電容器組線電壓為7.2 kV。依GB 50227—2017《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.2.2電容器額定電壓選擇，應(yīng)符合：接入串聯(lián)電抗器引起的電容器運(yùn)行電壓升高，電容器電壓應(yīng)按下式計(jì)算：Uc=（Us/）S×1/（1-k）其中Uc為電容器端子運(yùn)行電壓（kV）;Us為并聯(lián)電容器裝置的母線電壓（kV）;S為電容器組每相的串聯(lián)段數(shù)，K為電抗率。電容器組相電壓值Uc=Us/×1/（1-6%）=0.61 Us，則電容器相電壓為6.4×0.61=3.9 kV。線電壓為×3.9 kV=6.8 kV，因無(wú)6.9 kV電容器組，因此選用電容器組線電壓為7.2 kV。

（3）綜合兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)考慮，最后確定選用電容器組線電壓為7.2 kV，相電壓4.2 kV。

8 中條動(dòng)能110 kV變電站需增加無(wú)功補(bǔ)償裝置容量計(jì)算

（1）統(tǒng)計(jì)變電站110 kV系統(tǒng)133線路。功率因數(shù)為0.91至0.926到0.95時(shí)應(yīng)增補(bǔ)的無(wú)功量從3097至5 124 kvar。此次補(bǔ)償目標(biāo)值以133線路無(wú)功補(bǔ)償最大值5 100 kvar進(jìn)行考慮。

（2）6 kV側(cè)無(wú)功補(bǔ)償裝置安裝量的確定。

該站無(wú)功補(bǔ)償量依照110 kV側(cè)計(jì)算的補(bǔ)償量5100 kVar來(lái)考慮。

安裝容量QNb依據(jù)公式QN=[UN/（1-k）UNb]2（QNb-QNl）。其中：QN電容器裝置的額定無(wú)功輸出容量;QNb并聯(lián)電容器組的額定容量即安裝容量;UNb并聯(lián)電容器組額定相電壓;UN系統(tǒng)運(yùn)行線電壓。QNl串聯(lián)電抗器的額定容量為KQNb。UNb=7.2/=4.157無(wú)功補(bǔ)償裝置總安裝容量（1-0.06）QNb=5 100/6.4/1.732×（1-0.06）×4.157]2=5 700 kvar。

9 6 kV側(cè)總無(wú)功補(bǔ)償裝置分配和分級(jí)分析

9.1 6 kV側(cè)無(wú)功安裝增補(bǔ)量5700 kVar分配方案

依據(jù)中條動(dòng)能變電站主接線圖，6 kV系統(tǒng)為三段母線并列運(yùn)行。在6 kV系統(tǒng)其中一段母線上僅安裝一套補(bǔ)償裝置，雖然投資少，所用間隔少。但缺點(diǎn)是設(shè)備容量大，所占空間最大;而且當(dāng)三臺(tái)變壓器分列運(yùn)行時(shí)，會(huì)造成母線欠補(bǔ)或過(guò)補(bǔ)現(xiàn)象，達(dá)不到功率因數(shù)0.95的要求。

在三段母線上各安裝一套補(bǔ)償裝置，共三套。這樣補(bǔ)償方式雖然投資有點(diǎn)大，但最大優(yōu)點(diǎn)是操作靈活，母線運(yùn)行方式如何切換，補(bǔ)償裝置可以跟著調(diào)整到相應(yīng)母線進(jìn)行補(bǔ)償。

由于2#主變母線側(cè)所帶負(fù)荷較多，功率因數(shù)較其它主變稍低，因此2#主變母線側(cè)安裝補(bǔ)償容量為2100 kVar;1#和3#主變母線側(cè)安裝補(bǔ)償容量為均1800 kVar。

9.2 無(wú)功補(bǔ)償裝置采集數(shù)據(jù)信號(hào)的選擇

采集數(shù)據(jù)信號(hào)有兩種方式。①每臺(tái)控制器采集相應(yīng)主變110 kV側(cè)電流、電壓信號(hào)、對(duì)應(yīng)側(cè)6 kV電流、電壓信號(hào)，以起到防止過(guò)補(bǔ)、電容投入后造成母線電壓過(guò)高的保護(hù)作用。500、700母聯(lián)斷路器位置信號(hào)以及無(wú)功補(bǔ)償裝置斷路器的位置信號(hào)均需接入。這樣做的最大缺點(diǎn)當(dāng)其中一臺(tái)主變退出運(yùn)行時(shí)，相對(duì)應(yīng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置因采集不到110 kV信號(hào)，不會(huì)投入運(yùn)行，總無(wú)功補(bǔ)償量是另外兩臺(tái)總無(wú)功量的總和。便線路需補(bǔ)償總量并不會(huì)因主變停運(yùn)減少，可能會(huì)造成欠補(bǔ)，依目前負(fù)荷計(jì)算欠補(bǔ)量很小。待尾礦園子溝尾礦增加負(fù)荷后，欠補(bǔ)量會(huì)有所增加。②不對(duì)133線路功率因數(shù)做精確控制，則可只采集6 kV側(cè)電流、電壓信號(hào)。以6 kV電壓、無(wú)功做為判定依據(jù)進(jìn)行投切容量的選擇，不會(huì)出現(xiàn)欠補(bǔ)現(xiàn)象，但有可能133功率因數(shù)超過(guò)0.95。即將1#和3#主變控制器均接入503、510低壓電流、電壓信號(hào)，1#和2#接入503、527兩主變高、低壓兩主變電流、電壓信號(hào)，可以避免這種現(xiàn)象發(fā)生因其中一臺(tái)主變停運(yùn)而使其中一套補(bǔ)償裝置不投入運(yùn)行。

9.3 控制器控制方式的選擇

控制器的選擇：每套裝置各選擇一臺(tái)控制器，共三臺(tái)控制器。每套控制器要能根據(jù)所需的無(wú)功量估算后進(jìn)行自動(dòng)投切，三組投切控制方式選擇全部選擇自動(dòng)投切。多組裝置自動(dòng)投切，采用循環(huán)投切方式，防止部分裝置及開關(guān)電器長(zhǎng)期使用和頻繁操作，并盡量減小對(duì)系統(tǒng)的沖擊。不得發(fā)生各組之間搶投，或發(fā)生投切振蕩。

補(bǔ)償總量為1800 kVar分三組容量為600 kvar+ 600 kvar+600 kvar

補(bǔ)償總量為2100 kvar分三組容量為600 kvar+ 600 kvar+900 kvar

10 效益計(jì)算

10.1 計(jì)算依據(jù)

（1）110 kV平均電費(fèi)含稅價(jià)：0.458 2元/kW·h;

（2）變壓器基本電費(fèi)24元/月，三臺(tái)主變?nèi)曜鶛C(jī)費(fèi)75000×24×12=2160（萬(wàn)元）;

（3）以2019年11月至2020年5月累計(jì)電量209 267 760（kW·h）。平均每月29 866 823（kW·h），全年用電量：358 401 874（kW·h）。

10.2 效益計(jì)算

（1）安裝無(wú)功補(bǔ)償裝置后，133線路功率因數(shù)可以達(dá)到0.95，每年減免電費(fèi)：（35840.1874萬(wàn)度×0.4582元+座機(jī)費(fèi)2160萬(wàn)元）×0.45%=83.6189萬(wàn)元（加補(bǔ)償前按0.92，補(bǔ)償后0.95計(jì)算）;

（2）同時(shí)降低了線路損耗，每年節(jié)約費(fèi)用：60927.3kW·h×0.4582元/kW·h=2.79169萬(wàn)元，計(jì)算見表3。

參考文獻(xiàn)

[1] 高壓并聯(lián)電容器裝置的通用技術(shù)要求：GB/T 30841—2014[S].

[2] 并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50227—2017[S].