關于提高箱式變電站功率因數的方法探討

劉立敬

摘 ?要：功率因數是電力系統中的重要技術參數，如何提高箱式變電站的功率因數是電力系統維護的重要工作之一。文章重點闡述了箱式變電站無功補償的原理，并且根據箱式變電站實際運行狀態，通過相應計算和分析，提出了兩種提高功率因數的解決方案。

關鍵詞：無功補償;功率因數;靜止無功發生器

中圖分類號：TM63 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）28-0120-03

Abstract： Power factor is an important technical parameter in power system. How to improve the power factor of box type substation is one of the important work of power system maintenance. This paper focuses on the principle of reactive power compensation of box type substation. According to the actual operation state of box type substation and through corresponding calculation and analysis， this paper puts forward two solutions so as to improve the power factor.

Keywords： reactive power compensation; power factor; static var generator

引言

隨著經濟社會的發展與科技的進步，箱式變電站在我國配電系統中得到廣泛的應用，它不僅具有箱變結構緊湊、占地少，外型美觀的優點，而且能夠提高供電質量、減少線路損耗，縮短送電周期。在箱式變電站的電力系統中，由于電動機等感性負載使電網產生感性無功電流，無功電流產生無功功率，從而引起箱式變電站功率因數下降，增加供電線路損耗以及電壓損失，從而降低供電質量，如何提高箱式變電站的功率因數是電力系統維護的重要工作之一。下面結合我單位箱式變電站實際運行情況，淺談一下提高箱式變電站功率因數的方法。

1 箱式變電站無功補償的原理

在箱式變電的電力系統中，存在電感（電動機、燈泡、變頻器等）、電容以及電阻等負載。當電流在電感元件中做功時，感性電流超前電壓90°;當電流在電容元件做功時，容性電流滯后電壓90°。在同一電路中，如果電感電流與電容電流方向相反，那么它們之間相差180°。為了抵消感性電流，我們可以在感性負載電路中有比例的安裝電容元件，則可使感性電流和容性電流所產生的無功功率可以互相補償。因此在感性負荷的兩端并聯適當容量的電容器，利用容性電流抵消感性電流將不做功的無功電流減小到一定的范圍內，這就是箱式變電站無功補償的原理。

2 箱式變電站無功補償現狀與數據分析

我單位800kVA箱式變電站自2019年下半年投入使用，無功補償柜為傳統的電容補償，主要有無功補償控制器、空氣開關、接觸器（電容器型）、自愈式低壓電力電容器（共補型，10個，型號為：BSMJ0.45-30-3）、指示燈等電氣元件連接而成，圖1為箱式變電站無功補償裝置的原理圖。

當無功補償柜投入運行時，無功補償控制器通過電流互感器（CT）采集電流信號，并通過相應的線路采集電壓信號（相電壓或者線電壓采樣）。當無功補償控制器檢測到箱變電力系統中的功率因數小于設定的投入門限（設定為滯后0.90）時，經過一定的時間延時（避免補償電容頻繁投切），無功補償系統將進行投入下一組補償電容;若大于設定的切除門限（滯后0.96）或功率因數為負時，經過一定的時間延時，補償系統將切除下一組補償電容。在無功補償控制系統中，控制器以繼電器的輸出方式控制10路接觸器的通斷以此來控制低壓電容器的投入與退出。

表1為我單位箱式變電站從2019年10月至2020年5月高壓計量與低壓計量分析比對表。

通過表格對比，可以看出在2019年11月和2020年5月份兩個月份的功率因數較低，電能利用率低，電容未投入使用，因此需分析原因。經查記錄，這兩個月為淡季，用電量較少，平均有功功率為50kW左右;其余月為正常用電負荷正常，平均有功功率為300kW左右。

現要計算需要投入電容量（這里僅討論共補的形式。）

補償容量大小的計算公式為：

Q=P（tgφ1-tgφ2）

式中：Q-補償電容器的無功功率;P-負載的有功功率;tgφ1-補償前功率因數的正切角;tgφ2-補償后功率因數的正切角。

利用三角函數表格可知，當cosφ1=0.80時，tgφ1=1.25;當cosφ2=0.96時，Tgφ2=1.04;P=50kW，帶入公式得：

Q1=50*（1.25-1.04）=10.5≈11（kvar）

Q2=300*（1.25-1.04）=63（kvar）

電容補償需要補償的功率范圍為11Kvar≤Q≤63kvar。

現場電容柜為300kvar（10組，單組為30kvar），當用電負荷不是很大的情況下，電容柜需要投入電容為11kvar，若投入一組自愈式低壓電容器（30kvar），那么整個電力系統的功率因數超過切除門限（滯后0.96），因此補償電容柜不投入，這也造成了箱式變電站功率因數過低的原因;當用電負荷正常時，電容柜的低壓電容器正常投入使用。

3 提高箱式變電站功率因數方法

3.1 采用靜止無功發生器裝置

靜止無功發生器是一種用于補償無功以及電力系統三相不平衡的新型電力電子裝置，該裝置可以替代傳統的電容補償柜。它采用IGBT半導體模塊，功率密度大，可靠性高，并且利用DSP高速檢測和運算的數字控制系統，能夠對電力系統中不斷變化的無功需求進行快速連續的補償，它可以克服傳統的電容補償柜響應速度慢、補償效果不能精確控制、容易與電網發生并聯諧振和投切震蕩等缺點。

靜止無功發生器基本原理如圖2所示， 當發生器運行時，它在線不斷的檢測補償對象的電壓和電流，經指令電流運算電路計算得出補償電流的指令信號，該信號經補償電流發生電路放大，得出補償電流，補償電流與負載電流中要補償的無功電流抵消，最終得到期望的電源電流，從而動態的實現無功補償的目的。

圖3為單個靜止發生器的連接示意圖，無功靜止發生器通過采集電力系統中三相的電流、三相電壓與零線等信號以此來工作。

3.2 調整電容器柜內電容的容量

在不改變現有電容柜電路的前提下，改變現有電容容量，采取措施如下：

（1）將無功補償控制器的工作模式更改為順序投切，

控制器將按照從前到后的順序投入補償電容，從后到前的順序切除已投入的電容。

（2）根據電容補償柜實際的運行狀態，將電力電容器的容量更改為100kvar（10組，型號為BSMJ0.45-30-3自愈式低壓電力電容器）。

4 結束語

在實際運行中，提高箱式變電站的功率因數，不僅可以改善電力系統中電能質量、降低線路電能損耗以及變壓器損耗，而且還提高設備的利用率。本文僅針對800kVa箱式變電站運行中功率因數過低的情況進行計算分析，并提出了兩種合理方案，以解決用電負荷較低時箱式變電站功率因數較低的問題。

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