中壓快拆快裝無功補償裝置應用及效果分析

陳煒煒， 王 磊， 詹躍東， 杜迎虎

(1.昆明理工大學 信息工程與自動化學院，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，我國的配網供電網絡，普遍存在線路傳輸的無功功率過高導致功率因數較低的問題，從而導致電網線損較大。無功補償技術的出現，解決了上述問題給各行各業帶來的不便。將無功補償運用到配電供電網絡中，可以穩定電壓，不會出現較大的波動；可以提高功率因數，從而解決電網線損較大的問題；可以平衡三相功率，進一步能夠提高系統運行的安全性，使之不會因功率不平衡而導致大面積停電事故、電壓崩潰等問題的發生。近些年來，無論是現代工業還是電力工業，對電能質量的要求日益提高[1]，而其發展給電網帶來了巨大的無功負荷，使功率因數降低，線損變大，電壓出現不平衡狀態且波動較大。

無功補償技術最早出現在高電壓技術領域，在高壓側使用并聯電容器等無功補償裝置進行集中補償。并聯電容器因其補償性能優越，現在仍是工程師所青睞的無功補償裝置之一。并聯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。與并聯電容器同時出現的還有一種同步補償器，其應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，應用范圍并沒有并聯電容器廣[3]。隨著無功補償技術的發展，出現了有載調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實時無功補償，需人工手動調節，給技術人員帶來諸多不便。因此，本文主要使用無功補償裝置，降低功率因數，提高電壓穩定性，以防止功率因數過低，電壓崩潰的現象發生[4]。

本文開發了一套中壓配電網快拆快裝無功補償裝置，裝置內部元件采用模塊化設計，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部元件模塊進行帶電拆裝作業，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、電源特性以及網架結構等發生變化，根據需求隨拆隨裝，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，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，補償前的功率因數為cosφ1，補償后的功率因數為cosφ2，補償前的功率因數角為tanφ1，補償前的功率因數角為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，由于功率因數變化，其線路損耗發生變化。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定義為cosθ，無功補償后的功率因數定義為cosφ。由于cosφ>cosθ，即無功補償后的功率因數大于無功補償前的功率因數，功率因數提高，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，在配電供電網絡中，無功功率在電壓損耗方面占據了主導因素。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構。但是，該裝置難以應用于處于偏遠山區的云南西雙版納地區。為了滿足西雙版納無功補償裝置項目設備帶電作業快速安裝及拆除、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量輕、體積小，且為分體式結構的特點[8～11]。在已成熟的箱式一體化結構研究改進的基礎上，確定其結構主要包含開關電源單元、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]。

開關電源單元選擇一種新型戶外投切電容器開關，并將保護CT集成于開關上，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，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。外置電容器可實現動靜結合補償方式，容量可在50 kVar～600 kVar范圍內進行調整，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備補償容量的變化而做相應的調整，以實現新的補償容量及補償方式下的最優控制的目標。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 無功補償裝置調試分析

3.1 線路概況

西雙版納供電局配電網所轄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，配變總容量6 885 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與應用項目，可實現該線路無功補償合理分布與無功就地平衡，提高功率因數，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；現場情況：電桿為水泥電桿190×12，導線為LGJ-120鋼芯鋁絞線，現場為雙桿架線。

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

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

3.2 仿真分析

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

經過理論及仿真分析并通過現場調研，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自適應中壓快拆快裝無功補償設備。裝置投運后潮流仿真結果如圖2所示。

圖1 裝置投運前潮流計算仿真結果圖

仿真分析結果與后臺系統軟件監測線路變電站出口、37#桿、66#桿及133#桿功率因數數據對比如表1所示。

表1 10 kV勐臘線各節點功率因數前后對比

圖2 裝置投運后潮流計算仿真結果圖

由表1可以看出，線路變電站出口功率因數提高至0.951，37#桿、66#桿及133#桿塔處功率因數均高于0.95，裝置投運后線路無功補償的實施效果與仿真結果基本一致，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 裝置投運前監測數據及分析

以西雙版納供電局配電網所轄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的數據(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的數據)。圖3為3天的功率因數走勢折線圖。

圖3 2017.10.11～2017.10.13功率因數

根據國家標準，高壓用戶的功率因數應達到0.9以上，低壓用戶的功率因數應達到0.85以上。鑒于電力生產的特點，用戶用電功率因數的高低，對發、供、用電設備的充分利用，節約電能和改善電壓質量有著重要影響。提高用戶的功率因數并保持均衡可以提高供用電雙方和社會經濟效益[20]，根據文獻[21]可參考功率因數的標準值及使用范圍。

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

圖4 2017.10.20～2018.1.23功率因數

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

功率因數過低，會產生無功功率，相應的電流在電力線上傳輸，會造成發熱損耗，產生電壓降，增加供電線路的損耗，降低了電壓質量[22]。

功率因數過低且波動大的原因主要歸結為以下3點：

(1)西雙版納地區多為山區，地勢復雜，配網供電網絡接線較為簡單，供電半徑長，結構薄弱，季節變化較為明顯，負荷隨季節變化上下波動，造成功率因數低，線損率高；

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

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

3.3.2 裝置投運后監測數據及分析

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

表3 裝置投運后功率因數數據分析

3.3.3 裝置投運前后數據對比

根據無功補償的定義可知，在電網中安裝無功補償設備以后，可以提供感性電抗所消耗的無功功率，減少了電網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組時間的功率因數平均值，有功功率平均值，無功功率平均值進行對比。數據對比如表4。

表4 裝置投運前后數據對比

由表4裝置投運前后數據對比可以看出，裝置投運前，功率因數均未達到標準值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線路中的流動，功率因數有了明顯的提高，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，節能降損，改善電能質量方面具有可行性及高效性。

4 結論

通過仿真結果及后臺監控系統對線路的實時監控所得的數據分析對比，完成了對10 kV勐臘線三點集中無功優化，最大程度地發揮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，提高設備利用率，實現線路無功優化，達到無功就地平衡，提高線路功率因數，減少線損的目標，解決了10 kV勐臘線無功功率因數低，線損高的問題。同時實現了10 kV勐臘線無功實時在線監控管理，提高了該線路無功自動化管理水平。

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