關于配電網(wǎng)無功補償若干問題的探討

  摘要:電網(wǎng)無功補償是一項建設性的技術措施,對電網(wǎng)安全、優(yōu)質、經(jīng)濟運行有重要作用。因此,本文作者結合目前人們所關注的電網(wǎng)無功補償問題進行了分析和建議。

  關鍵詞:配網(wǎng),無功補償,分析

  1配電網(wǎng)無功補償方案比較

  配電網(wǎng)無功補償方案有變電所集中補償(方式1)、配電變壓器低壓補償(方式2)、配電線路固定補償(方式3)和用電設備隨機分散補償(方式4)。

  1.1變電所集中補償

  變電所集中補償裝置包括并聯(lián)電容器、同步調相機、靜止補償器等,主要目的是平衡輸電網(wǎng)的無功功率,改善輸電網(wǎng)的功率因數(shù),提高系統(tǒng)終端變電所的母線電壓,補償變電所主變壓器和高壓輸電線路的無功損耗。這些補償裝置一般集中接在變電所10kV母線上,因此具有易管理、方便維護等優(yōu)點,但這種補償方案對10kV配電網(wǎng)的降損不起作用。

  為實現(xiàn)變電所的電壓/無功綜合控制,通常采用并聯(lián)電容器組和變壓器有載調壓抽頭協(xié)調調節(jié)。但大量的實際應用表明,投切過于頻繁會影響電容器開關和變壓器分接頭的使用壽命,增大運行維護工作量,通常要限制變壓器抽頭調節(jié)和電容器組操作次數(shù)。采用電力電子開關控制成本比較高、開關自身功率損耗也很大,因此變電所高壓電壓/無功綜合控制技術仍有待進一步改善。

  鑒于變電所集中無功補償對提高高壓電網(wǎng)功率因數(shù)、維持變電所母線電壓和平衡系統(tǒng)無功有重要作用,因此應根據(jù)負荷的增長需要、設計好變電所的無功補償容量,運行中在保證電壓合格和無功補償效果最好的情況下,盡可能使電容器組投切開關的操作次數(shù)為最少。

  1.2配電變壓器低壓補償

  配電變壓器低壓補償是目前應用最普遍的補償方法。由于用戶的日負荷變化大,通常采用微機控制、跟蹤負荷波動分組投切電容器補償,總補償容量在幾十至幾百千乏不等。目的是提高專用變壓器用戶功率因數(shù),實現(xiàn)無功的就地平衡,降低配電網(wǎng)損耗和改善用戶電壓質量。

  配電變壓器低壓無功補償?shù)膬?yōu)點是補償后功率因數(shù)高、降損節(jié)能效果好。但由于配電變壓器的數(shù)量多、安裝地點分散,因此補償工作的投資較大,運行維護工作量大,因此要求廠家要盡可能降低裝置的成本,提高裝置的可靠性。

  采用接觸器投切電容器的沖擊電流大,影響電容器和接觸器的使用壽命;用晶閘管投切電容器能解決接觸器投切電容器存在的問題,但明顯的缺點是裝置存在晶閘管功率損耗,需要安裝風扇和散熱器來通風與散熱,而散熱器會增大裝置的體積,風扇則影響裝置的可靠性。

  為解決這些問題,開發(fā)、研制了機電一體開關無功補償裝置。該裝置采用固定補償與分組補償結合,以降低裝置的生產(chǎn)成本;裝置能實現(xiàn)分相補償,以滿足三相不平衡系統(tǒng)的需要。

  機電開關控制使裝置既有晶閘管開關的優(yōu)點,又具有接觸器無功率損耗的優(yōu)點。幾千臺裝置的現(xiàn)場運行、試驗表明,機電開關補償裝置體積小、可靠性高,能滿足戶外環(huán)境和長期工作需要。低壓補償裝置安裝地點分散、數(shù)量大,運行維護是補償工程需要重點考慮的問題;另外,配電系統(tǒng)負荷情況復雜,系統(tǒng)可能存在諧波、三相不平衡、出現(xiàn)過補償?shù)葐栴}。

  1.3配電線路固定補償

  大量配電變壓器要消耗無功,很多公用變壓器沒有安裝低壓補償裝置,造成很大無功缺額需要變電所或發(fā)電廠承擔。大量的無功沿線傳輸使得配電網(wǎng)的網(wǎng)損居高難下,這種情況下可考慮配電線路無功補償,提出了配電線路無功補償?shù)谋匾院头椒ā?/p>

  線路補償是通過在線路桿塔上安裝電容器實現(xiàn)無功補償。由于線路補償遠離變電所,因此存在保護難配置、控制成本高、維護工作量大、受安裝環(huán)境限制等問題。因此,線路補償?shù)难a償點不宜過多;控制方式應從簡,一般不采用分組投切控制;補償容量也不宜過大,避免出現(xiàn)過補償現(xiàn)象;保護也要從簡,可采用熔斷器和避雷器作為過電流和過電壓保護。

  線路補償主要提供線路和公用變壓器需要的無功,工程問題關鍵是選擇補償?shù)攸c和補償容量。線路補償適用于功率因數(shù)低、負荷重的長線路。線路補償一般采用固定補償,因此存在適應能力差、重載情況下補償度不足等問題。

  1.4用電設備隨機分散補償

  在10kV以下電網(wǎng)的無功消耗總量中,變壓器消耗占30%左右,低壓用電設備消耗占65%以上。由此可見,在低壓用電設備上實施無功補償

  十分必要。從理論計算和實踐中證明,低壓設備無功補償?shù)慕?jīng)濟效果最佳,是值得推廣的一種節(jié)能措施。

  與前三種補償方式相比,隨機補償更能體現(xiàn)以下優(yōu)點:①線損率可減少20%;②改善電壓質量,減小電壓損失,進而改善用電設備啟動和運行條件;③釋放系統(tǒng)能量,提高線路供電能力。

  由于隨機補償?shù)耐顿Y大,確定補償容量需要進行計算,以及受管理體制限制重視不夠和應用不方便等原因,目前隨機補償?shù)膽煤托Ч疾焕硐搿R虼?對隨機補償需加強宣傳力度,應針對不同用電設備的特點和需要,開發(fā)研制體積小、造價低、易安裝、免維護的智能型用電設備無功補償裝置。

  2無功補償?shù)恼{壓作用分析

  2.1典型實例的計算

  某工程變電站10kV母線A線路簡化接線。該線路自變電所端開始一段與B線                  

  為同桿雙回線,其中B線較短些,接有18臺配電變壓器;而A線路較長,接有31臺配電變壓器,變壓器總容量為9895kVA。

  A線路31臺變壓器容量為50~1000kVA大小不等,為計算和分析方便,對實際的31臺變壓器就近進行了等值處理。根據(jù)變壓器節(jié)點的總容量,假設各節(jié)點變壓器在負載系數(shù)Kf=0.65(相當于較大負荷情況)狀態(tài)下工作,各臺變壓器均取功率因數(shù)cosφ=0.85,可計算節(jié)點變壓器和各段線路的有功負荷;再假設變電所母線電壓分別為10.5kV和11.4kV,運用負荷矩法可分別計算不同情況下線路的各節(jié)點電壓。依此方法計算的幾種結果如表2所示。                          

  2.2計算結果分析

  表2中變電所母線電壓10.5kV為負荷高峰期正常逆調壓的要求電壓;11.4kV是為保證和滿足線路末端用戶(節(jié)點8和節(jié)點9)母線電壓在額定范圍內,變電所母線應達到的電壓,也是實際系統(tǒng)中經(jīng)常需要的運行電壓。

  按GB1232521990對供電電壓允許偏差的規(guī)定,10kV及以下三相供電電壓允許偏差為額定電壓的±7%。因此,從表2計算結果可以看出:1)該線路依靠正常的分接頭逆調壓,功率因數(shù)cosφ=0.85時,節(jié)點6到節(jié)點9電壓超標;功率因數(shù)cosφ=0.95時,節(jié)點7到節(jié)點9電壓超標。因此,僅靠變壓器分接頭逆調壓,不能滿足線路末端用戶的電壓質量要求。

  2)提高變壓器功率因數(shù),對該線路電壓有調節(jié)作用,但只能部分地解決電壓問題。

  3)變電所電壓提高到11.4kV能滿足末端用戶電壓要求,但變電所母線電壓屬嚴重超標。

  會造成變電所10kV電容器和部分低壓電容器的保護超過1.1UN(系額定電壓,下同)的定值,迫使無功補償裝置退出運行,這將使電網(wǎng)損耗明顯增大。

  2.3原因和解決措施

  系統(tǒng)電壓問題的主要原因是導線截面小、供電半徑大。例如,在線路4.5km范圍內(5節(jié)點之前),電壓不會超標。因此,對更換導線或插入新變電所是解決該線路電壓問題的根本措施。

  節(jié)點6位置安裝一臺晶閘管電壓調節(jié)器(TVR),是解決該線路電壓問題的更有效措施。TVR可使節(jié)點6電壓在方案1和方案2基礎上調高500V,有TVR調壓的各節(jié)點電壓計算結果如表3所示。TVR方案優(yōu)點是一臺設備解決全線路的電壓問題,經(jīng)濟性顯而易見的。                      

  3產(chǎn)品選型及工程應注意的問題

  低壓無功補償安裝地點分散、數(shù)量多,且配電網(wǎng)電壓、負荷情況復雜。工程中相關問題考慮不周,不僅影響裝置正常運行,也帶來很多維護、管理等問題,工程問題必須引起重視。

  3.1運行及產(chǎn)品可靠性問題

  與配電變壓器相比,低壓補償裝置的維護量無疑要高很多;控制系統(tǒng)越復雜、功能越多,維護工作量越大。

  低壓補償裝置的可靠性決定于開關和電容器。電容器壽命與工作條件有關,因此裝置的投切開關是關鍵。

  3.2產(chǎn)品類型和功能選擇問題

  對配電臺變的補償控制,有多種類型和不同功能的產(chǎn)品可供選擇。城市電網(wǎng)臺上變壓器多以無功補償為主,很多要求有綜合監(jiān)測功能。農(nóng)村電網(wǎng)不同場合要求不同,可考慮配電+補償、補償+計量,特殊用戶可用配電+補償+計量或補償+綜合監(jiān)測。

  3.3控制量選取和控制方式問題

  很多專用變壓器補償裝置根據(jù)電壓控制電容器補償無功量,這種方式有助于保證用戶的電壓質量,但對電力系統(tǒng)無功補償不可取。若只按電壓的高、低來控制,無功補償量可能與實際需求相差很大,容易出現(xiàn)無功過補償或欠補償。從電網(wǎng)降低網(wǎng)損角度,取無功功率為控制量是最佳控制方式。

  3.4補償效果和補償容量問題

  前面實例分析表明,配電變壓器低壓無功補償可提高功率因數(shù),降低損耗,但只在節(jié)點6配電變壓器裝補償,對10kV線路降損作用很小。

  配電網(wǎng)日負荷變化大,負荷性質不同,補償容量要求也不同。大量工程實踐表明,動態(tài)補償容量在配變容量20%~30%內。同時,對個別情況可能需要進行特殊處理。

  3.5無功倒送和三相不平衡問題

  無功倒送會增加線路和變壓器的損耗,加重線路供電負擔。為防止三相不平衡系統(tǒng)的無功倒送,應要求控制器檢測、計算三相無功和進行投切控制。固定補償容量過大,容易出現(xiàn)無功倒送,一般動態(tài)補償能有效避免無功倒送。

  系統(tǒng)三相不平衡同樣會增大線路和變壓器損耗。對三相不平衡較大的負荷,比如機關、學校等單相負荷多的用戶,應考慮采用分相無功補償裝置。并不是所有廠家的控制器都具有分相控制功能,這是工程必須注意的問題。

  3.6諧波影響和電容器保護問題

  諧波影響會使電容器過早損壞或造成控制失靈,諧波放大會使干擾更加嚴重。工程中應掌握用戶負荷性質,必要時應對補償系統(tǒng)的諧波進行測試,存在諧波但不超標可選抗諧波無功補償裝置,而諧波超標則應治理諧波。電容器耐壓標準為1.1UN,補償控制器過電壓保護一般取1.2UN,超過必須跳閘。在實際工程中,對電壓較高電網(wǎng)的裝置應予以關注。

  總之,由于配電網(wǎng)負荷、場合的復雜性,雖然裝置容量小、電壓低,卻有很多值得認真分析和思考的問題。特別是臺變補償在戶外,使用環(huán)境差,工程上應給予足夠的重視。