變電站無(wú)功及其補(bǔ)償裝置的選擇

羅曉軍

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

關(guān)鍵詞：無(wú)功功率;磁場(chǎng);能量;電動(dòng)機(jī);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(wú)功由于它不對(duì)外做功，才被稱(chēng)之為“無(wú)功”。但絕不是無(wú)用的功率。盡管無(wú)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(jìn)行的，而且是以無(wú)功電流的流動(dòng)來(lái)完成交換的，而電力系統(tǒng)中的線(xiàn)路及其它元件均存在電阻，無(wú)功電流在電阻上會(huì)產(chǎn)生消耗，所以電力系統(tǒng)中大量的無(wú)功流動(dòng)還是會(huì)產(chǎn)生能量損失的，故在電力系統(tǒng)中應(yīng)該盡量減少無(wú)功電流的流動(dòng)，以減少能量損失和電壓波動(dòng)。

一、無(wú)功補(bǔ)償?shù)谋匾约把a(bǔ)償基本原則

電力系統(tǒng)中若配電室中不裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置，則用電設(shè)備所需要的無(wú)功功率只能全部由電網(wǎng)提供，此情況下會(huì)存在以下問(wèn)題：1、增加上一級(jí)變電站的無(wú)功補(bǔ)償容量，2、輸電線(xiàn)路傳送大量無(wú)功功率，增加線(xiàn)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(mǎn)足無(wú)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(guò)載的概率;5、功率因數(shù)達(dá)不到國(guó)家電網(wǎng)公司要求（35～220kV變電站在主變最大負(fù)荷時(shí)一次側(cè)功率因數(shù)不應(yīng)低于0.95），用戶(hù)被罰款。

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

二、并聯(lián)補(bǔ)償裝置的類(lèi)型、功能及優(yōu)缺點(diǎn)分析

中低壓電網(wǎng)大多采用并聯(lián)補(bǔ)償裝置進(jìn)行無(wú)功功率的補(bǔ)償，并聯(lián)補(bǔ)償裝置主要分為兩大類(lèi)，并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置和靜補(bǔ)裝置。

1、并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置

電容器由于其具有單位投資少，電能損耗小，維護(hù)簡(jiǎn)單，搬遷方便等優(yōu)點(diǎn)，且隨著近年來(lái)我國(guó)電容器制造水平的不斷提高，電容器的可靠性達(dá)到了較高的標(biāo)準(zhǔn)，故在電力系統(tǒng)中電容器作為無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用，并聯(lián)電容補(bǔ)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(wú)功，以補(bǔ)償多余的感性無(wú)功，減少電網(wǎng)損耗和提高電網(wǎng)電壓，

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

缺點(diǎn)：涌流大，降低開(kāi)關(guān)的使用壽命，不能隨著負(fù)載的變化而實(shí)現(xiàn)快速而精準(zhǔn)的調(diào)節(jié)，在保證母線(xiàn)功率因數(shù)的同時(shí)容易造成向系統(tǒng)倒送無(wú)功，抬高母線(xiàn)電壓，危害用電設(shè)備及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2、靜補(bǔ)裝置

靜止無(wú)功補(bǔ)償器是一種靜止型的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，其靜止是相對(duì)調(diào)相機(jī)等旋轉(zhuǎn)設(shè)備而言的，分為SVC和SVG兩大類(lèi)，SVC是在機(jī)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(jī)械式開(kāi)關(guān)設(shè)備而發(fā)展起來(lái)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(wú)功負(fù)荷和電壓的變化，快速做出反應(yīng)，迅速而連續(xù)地改變無(wú)功功率的大小和方向（容性和感性），其響應(yīng)時(shí)間一般不大于20ms，從而能有效抑制沖擊負(fù)荷（主要是無(wú)功負(fù)荷）引起的電壓波動(dòng)，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(jī)械斷路器控制電容器（MSC），上述三種方式均因?yàn)樵肼暣蟆⒛芎母叩纫蛩乇惶蕴?/p>

靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）

SVG是近年來(lái)出線(xiàn)的一種新型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)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(chǔ)能元件一般采用直流電容器，交流側(cè)通過(guò)電抗器或耦合變壓器以并聯(lián)方式接入系統(tǒng)，實(shí)際上這是一個(gè)接入電力系統(tǒng)的對(duì)電壓幅值和相角可控的無(wú)功功率電源，SVG可以根據(jù)負(fù)載特點(diǎn)和工況，自動(dòng)調(diào)節(jié)其輸出的無(wú)功功率的大小和性質(zhì)（容性或者感性）。SVG是目前最為先進(jìn)的無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)，它不再采用大容量的電容、電感器件，而是通過(guò)大功率電力電子器件的高頻開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)無(wú)功能量的變換。從技術(shù)上講，SVG較傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）響應(yīng)時(shí)間更快，SVG響應(yīng)時(shí)間：<5ms。傳統(tǒng)動(dòng)補(bǔ)裝置響應(yīng)時(shí)間：≥10ms。

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

（2）抑制電壓閃變能力更強(qiáng)

（3）運(yùn)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(lèi)型動(dòng)補(bǔ)的運(yùn)行范圍寬很多。更重要的是，在系統(tǒng)電壓變低時(shí)，SVG還能夠輸出與額定工況相近的無(wú)功電流。而其他類(lèi)型動(dòng)補(bǔ)均靠電容器提供容性無(wú)功，其輸出的無(wú)功電流與電網(wǎng)電壓成正比，電網(wǎng)電壓越低，其輸出的無(wú)功電流也越低，所以對(duì)電網(wǎng)的補(bǔ)償能力也相應(yīng)變?nèi)酢＿@是其他類(lèi)型動(dòng)補(bǔ)技術(shù)上的本質(zhì)缺點(diǎn)。

（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?fù)載的諧波和無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)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(wú)需大容量的電容器和電抗器做儲(chǔ)能元件，SVG的占地面積通常只有相同容量其他類(lèi)型動(dòng)補(bǔ)的50%，甚至更小。所以，在一些廠(chǎng)礦改造中SVG具有很大的優(yōu)勢(shì)。

三、35kV變電站無(wú)功補(bǔ)償裝置現(xiàn)狀

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

1、全站均為固定電容器補(bǔ)償，固定電容器通過(guò)電容器出線(xiàn)柜接于10.5（6.3）kV母線(xiàn)上，常用的補(bǔ)償容量有1800kVar、2400kVar、3000 kVar、3600 kVar極個(gè)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(yùn)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(wú)功補(bǔ)償裝置（SVG）補(bǔ)償，電容器接線(xiàn)與補(bǔ)償方式1中的接線(xiàn)相同，運(yùn)行方式為當(dāng)所需無(wú)功功率小于固定電容器的補(bǔ)償容量時(shí)，靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置投入運(yùn)行，當(dāng)所需無(wú)功功率大于固定電容器的補(bǔ)償容量時(shí)此時(shí)成套電容器裝置投入運(yùn)行，剩余缺額無(wú)功功率由SVG補(bǔ)償。

上述兩種補(bǔ)償裝置補(bǔ)償型式優(yōu)缺點(diǎn)分析

1）全站固定電容器補(bǔ)償裝置優(yōu)缺點(diǎn)分析

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

電容器為例，全套裝置價(jià)格約為15-17萬(wàn)元，而同樣容量的靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置價(jià)格約為90-100萬(wàn)元。②產(chǎn)品成熟、可靠性高，維護(hù)工作量少，電力電容器行業(yè)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，目前已經(jīng)成為國(guó)產(chǎn)化做得最好的電器制造業(yè)之一，基本能夠做到戶(hù)外安裝免維護(hù)。

固定電容器補(bǔ)償裝置缺點(diǎn)：①部分變電站受負(fù)荷較多、開(kāi)關(guān)柜數(shù)量限制等因素，現(xiàn)有的部分單套補(bǔ)償裝置補(bǔ)償容量過(guò)大，如BRT變電站單套補(bǔ)償容量達(dá)到3600kVar，實(shí)際使用時(shí)出現(xiàn)功率因數(shù)過(guò)低而電容器由于出現(xiàn)過(guò)電壓嚴(yán)重的情況而不能投入使用，嚴(yán)重的限制了補(bǔ)償裝置的使用，未能達(dá)到預(yù)期的補(bǔ)償效果。

②電容器的投切使變電站母線(xiàn)電壓波動(dòng)較大，

2）全站以固定電容器+靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVG）補(bǔ)償

固定電容器+靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVG）補(bǔ)償主要優(yōu)點(diǎn)

1）無(wú)功負(fù)荷小時(shí)靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置投入運(yùn)行，此時(shí)補(bǔ)償容量全部由SVG

補(bǔ)償，無(wú)功負(fù)荷大時(shí)兩套裝置均投入運(yùn)行，固定電容器補(bǔ)償后剩余的無(wú)功缺額由SVG來(lái)補(bǔ)償，兩種補(bǔ)償情況，補(bǔ)償容量根據(jù)所需的無(wú)功負(fù)荷補(bǔ)償，用多少補(bǔ)多少，能夠有效的抑制快速變化的負(fù)荷所產(chǎn)生的電壓波動(dòng)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(wú)功補(bǔ)償裝置（SVG）補(bǔ)償主要缺點(diǎn)

該補(bǔ)償裝置的主要缺點(diǎn)為，設(shè)備投資大，需要專(zhuān)用的配電室安裝。

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

總結(jié)：無(wú)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(bǔ)償，補(bǔ)償應(yīng)該結(jié)合設(shè)備造價(jià)等因素，盡量減少對(duì)系統(tǒng)的沖擊，避免母線(xiàn)過(guò)電壓水平超過(guò)額定電壓的1.1倍，同時(shí)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(lèi)型的無(wú)功補(bǔ)償裝置，均有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)中根據(jù)實(shí)際情況將它們予以組合以實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償方案的最優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

[1]宋森，并聯(lián)電容器裝置技術(shù)及應(yīng)用，中國(guó)電力出版社 2011

[2]弋東方，電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè) 電氣一次部分，中國(guó)電力出版社 2014

[3]并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范 GB50227-2008 中國(guó)計(jì)劃出版社 2010

[4]關(guān)志成，朱英浩，周小謙等.中國(guó)電氣工程大典第10卷（第一版）[M].北京：中國(guó)電力出版社，2010.

[5]付建華，許之敏，烏榮康等.煤礦生產(chǎn)能力核定與管理指南[M].北京：中國(guó)經(jīng)濟(jì)出版社，2006：91.

[6]劉屏周，卞鎧生，任元會(huì)等.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2016.