基于無功消耗機(jī)理分析的配電網(wǎng)感性無功補(bǔ)償

朱 偉，周新國，吳雪萍，王文強(qiáng)

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314033；2.天地電研(北京)科技有限公司，北京 昌平 102206）

配電網(wǎng)感性無功補(bǔ)償裝置主要安裝在變電站的主變低壓側(cè)，就地補(bǔ)償變電站范圍內(nèi)倒送的充電功率，以及將用戶自然功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)礁行?.95[1]所需的無功；其中變電站范圍內(nèi)倒送的無功等于中壓電纜充電功率減去變壓器和線路的無功消耗。本文從變壓器、線路、用戶這3類元件的無功消耗機(jī)理出發(fā)，結(jié)合設(shè)備典型參數(shù)計(jì)算低負(fù)載時變壓器無功消耗抵消的感性無功補(bǔ)償度以及線路充電功率、用戶高自然功率因數(shù)所需的感性無功補(bǔ)償度，最終得到變電站主變低壓側(cè)感性無功補(bǔ)償度。

1 變壓器無功消耗抵消無功補(bǔ)償度

變壓器的無功消耗包括空載勵磁消耗和勵磁繞組的負(fù)載消耗兩部分，計(jì)算公式如下：

式中：ΔQT、ΔQ0、ΔQk分別為變壓器總無功消耗、勵磁消耗、繞組短路消耗，Mvar；I0%為空載電流百分?jǐn)?shù)；Uk%為短路電壓百分?jǐn)?shù)，對于三繞組變壓器取高中、高低、中低歸算到一側(cè)的短路電壓百分?jǐn)?shù)的最大值；β為變壓器負(fù)載率；SN為變壓器額定容量，MVA。

對于主變壓器，不失一般性，取空載電流0.1%，短路電壓15%。由式（1）得到主變壓器消耗無功的估算方法：

負(fù)載率為10%時，帶入上式，得到主變自身無功消耗抵消補(bǔ)償度0.25%。

對于配電變壓器，空載電流在0.2%～1.8%之間，短路電壓在4%～4.5%之間。不失一般性，前者取0.7%，后者取4.5%。

配變自身無功消耗與配變?nèi)萘恐葹?.75%，換算成以主變?nèi)萘繛榛鶞?zhǔn)，按照一臺主變50 MVA、10回10 kV出線、每回出線掛接配變?nèi)萘?000 kVA計(jì)算，可以抵消補(bǔ)償度1.34%；按照一臺主變80 MVA、10回20 kV出線、每回出線掛接配變?nèi)萘?2000 kVA計(jì)算，可抵消補(bǔ)償度1.07%。

2 線路充電功率所需無功補(bǔ)償度

線路無功包括兩部分，一部分是串聯(lián)電感產(chǎn)生的感性無功，一部分是對地電容產(chǎn)生的充電功率。考慮負(fù)荷均勻分布，線路總的無功損耗為：

式中：ΔQLX、ΔQLC分別為串聯(lián)電感、對地電容產(chǎn)生的無功功率，Mvar；I為線路首端電流，A；X為線路電抗，Ω；B為對地電納，10-6S/km；UN為線路額定電壓，kV。

對于中、低壓電纜線路，電抗值較小，為簡化計(jì)算，低負(fù)載時的感性無功消耗可以忽略不計(jì)。線路充電功率與電壓的平方成正比，低壓線路充電功率非常小，因此其充電功率也可以忽略。

中壓電纜線路電納經(jīng)驗(yàn)取值為150。則有，中壓電纜線路充電功率：

以中壓線路平均主干電纜長度6 km計(jì)算，10 kV線路充電功率所需感性無功補(bǔ)償度為1.8%，20 kV線路充電功率所需感性無功補(bǔ)償度為4.5%，依次計(jì)算出主干電纜長度為5 km、4 km、3 km、2 km時，中壓線路充電功率所需無功補(bǔ)償度如表1所示。

表1 不同長度電纜線路充電功率所需無功補(bǔ)償度

3 用戶高自然功率因數(shù)所需無功補(bǔ)償度

將用戶從當(dāng)前功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)侥繕?biāo)功率因數(shù)所需無功補(bǔ)償容量計(jì)算公式如下：

式中：Pload為用戶有功，MW；ΔQ為需要補(bǔ)償?shù)臒o功容量，Mvar；cosφ1、cosφ2為補(bǔ)償前、后功率因數(shù)。

低谷負(fù)荷時，用戶自然功率因數(shù)較大，根據(jù)嘉興實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)取0.995，補(bǔ)償?shù)侥繕?biāo)功率因數(shù)感性0.95時，所需補(bǔ)償度為2.28%。

4 變電站主變低壓側(cè)感性無功補(bǔ)償度

得到變電站負(fù)載率為10%的情況下，目標(biāo)功率因數(shù)為感性0.95，中壓出線平均主干電纜長度6 km時，10 kV系統(tǒng)變電站無功補(bǔ)償度為2.5%，20 kV系統(tǒng)補(bǔ)償度為5.4%。不同的中壓主干平均電纜長度對應(yīng)變電站無功補(bǔ)償度計(jì)算結(jié)果如表2所示。

5 案例應(yīng)用及分析

以嘉興110 kV凌公變電站為例對感性無功配置策略進(jìn)行說明。變電站2012年投運(yùn)，主變構(gòu)成為2×80 MVA，電壓變比為110/20 kV，目前低壓側(cè)出線及運(yùn)行都較為成熟。20 kV出線20回，主干電纜線長101.33 km，平均電纜長度為5.1 km。

表2 不同長度電纜出線變電站感性無功補(bǔ)償策略

春節(jié)期間變電站最小負(fù)荷9.11 MW，對應(yīng)無功-4.62 Mvar，高壓側(cè)功率因數(shù)為-0.892。高壓側(cè)母線電壓為120 kV，已經(jīng)越上限。因此有必要對其進(jìn)行感性無功補(bǔ)償。對照表2，20 kV系統(tǒng)主干電纜長度5 km的條件下，無功補(bǔ)償度為4.7%，對應(yīng)安裝電抗器容量7.52 Mvar，得到每臺主變低壓側(cè)需分別安裝一組電抗器4 Mvar。補(bǔ)償后，變電站高壓側(cè)無功值約3.38 Mvar，功率因數(shù)調(diào)整至感性0.938，滿足感性無功配置的要求；此時連接變電站與上級電源點(diǎn)的110 kV線路上電壓降為正值，高壓側(cè)母線電壓降至117.2 kV。

6 結(jié)束語

針對缺乏感性無功補(bǔ)償而在負(fù)荷低谷時期出現(xiàn)的無功倒送等問題，本文適時提出一套感性無功配置方案，從配電網(wǎng)無功產(chǎn)生源頭出發(fā)分析研究變電站感性無功補(bǔ)償容量。運(yùn)用該方案能夠合理估算設(shè)備的無功消耗值，建立起配電網(wǎng)無功平衡的模型，無功配置策略更為細(xì)化更加直觀，進(jìn)而經(jīng)濟(jì)有效地指導(dǎo)配電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償。