无功补偿技术在变电站的应用实践

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摘要：通过对东北轻合金有限责任公司1#变电站安装无功补偿装置后的实践运行，发现不但可以满足权术参数要求，同时降低运营成本。

关键词：无功补偿；功率因数；VQC；降低损耗

中图分类号：TM63 文献标识码：A

文章编号：1005-913X（2013）02-0114-02

近年来，随着电力电子技术、节能和控制技术的飞速发展，在国民经济各个部门大量使用了各种电力整流、换流设备以及交流调速装置、轧机、电弧炉、电力机车等非线性负荷，使现代电力系统中的暂态和冲击性无功负荷增加，严重影响电网电压质量，同时给电力系统用电设备的安全、经济运行带来了严重危害。为了稳定电压、改善功率因数、降低能耗，必须对这些无功负荷进行动态无功补偿。在东北轻合金有限责任公司（简称东轻公司）也同样存在上述问题，由于近年来的设备实施改造，控制系统大量选用电力电子器件，由于负荷增加及原有的同步电动机老化等原因，已不能满足系统无功补偿要求，使该公司1#变电站总的功率因数较低，每月因功率因数的考核，需要多支出近十万元的处罚，根据实际情况，必须对东轻公司1#变电站实施无功补偿。

一、无功补偿量的计算

东轻公司1#变电站未安装无功补偿装置前的年用电量统计见表1。

根据表1中的数据经计算，东轻公司1#变电站小时平均有功电量约为28000KWh，平功功率因数约为0.86，按补偿后功率因数能达到0.92。

则所需补偿容量为Q=P（tanΦ1-tanΦ2）

经过计算，得3900KVarh，考系统的增容及设备工作冗余，补偿的容量确定为5000KVar。

为了得到最好的补偿效果，笔者把电容分为5组，5组电容容量可以相等，也可以有一定的梯度，要想达到最好效果，可将电容器容量分为500 KVarh，800 KVarh，1000 KVarh，1200 KVarh，1500 KVarh，这样系统缺少多少无功，就把相近容量的组合投到电网中，补偿效果最好；但不同容量的电容器电流不同，所选择的断路器原则上就不应相同，考虑到电容出现故障后的替换，经讨论把电容器分成每组容量相等均为1000KVar。

二、无功补偿控制方案与实施

由于在电力系统中并联电容器，用容性电流来抵消感性电流，回路中的总电流变小，线路压降变小，从而在投入电容后，系统电压会有所升高，所以在电容器投到系统之前要进行判断投入电容后，会不会产生过电压，由于东轻公司两台主变压器采用有载调压，可以根据系统电压变化及负荷变化进行电压的调节，所以必须进行综合的电压无功控制方式，即VQC控制方式。

由无功控制器进行系统采集数据，送入电压分析模块和无功分析模块进行综合分析，形成变电所主变分接头调节指令、变电所电容器投切指令，由调度中心、集控中心、配调中心控制系统执行，循环往复。无功电压实时控制流程见下图1所示。

（一）无功补偿与电压优化的控制原理??

电力系统电压无功限值区间的划分（动态9区图）见图2。根据该图在各区内，以最优的控制顺序和电压无功设备组合使运行点进入无功、电压均满足要求的第9区。

电压控制按照逆调压原则，当电压变化超出电压曲线的允许偏差范围（UH—UL）或超出无功功率允许偏差范围（QH—QL）时，根据整定的偏移量发出电容器投切指令或变压器分接头调整指令，从而达到调整电压和无功潮流的目的。

其中，UH、UL分别为电压约束上、下限，QH、QL分别为无功约束上、下限，各区动作方案如下。

1区：电压超下限，无功超上限。设定电容器投入容量，并发出电容器投入指令，当电容器全部投入后，电压仍低于UL时，发出变压器分接头升压调节指令。

2区：电压合格，无功超上限。发出电容器投入指令，当电容器全部投入后运行点仍在该区，则维持运行点。

3区：电压超上限，无功超上限。发出变压器分接头降压调节指令；当有载调压已处于下限时，再发出上一级变压器分接头调节指令。

4区：电压超上限，无功合格。动作方案同3区。

5区：电压超上限，无功超下限。发出电容器切除指令，当电容器全部切除后，电压仍高于UH时，再发出变压器分接头降压调节指令。

6区：电压合格，无功超下限。发出电容器切除指令，当电容器全部切除后，运行点仍在该区，则维持该运行点。

7区：电压超下限，无功超下限。发出变压器分接头升压调节指令，当有载调压已处于上限时，再发出电容器投入指令。

8区：电压超下限，无功合格。动作方案同7区。

9区：电压、无功均合格。维持该运行点，不发调整指令。

（二）无功补偿方案的确定

根据补偿安装地点可分为就地补偿、分散补偿和集中补偿。经过综合分析，确定了在1#变电站6KV母线上安装集中无功补偿装置。目前电容器投切无件有三种，分别是真空接触器、断路器与晶闸管，采用晶闸管投切需要进行电压过零点进行投切，控制装置复杂，投资巨大；断路器投切速度较慢，投资也较大，真空接触器动作速度快，价格较低，综合分析采用真空接触器进行投切电容器。自动进行无功补偿的调节物理量不同也可将无功补偿装置分为调容式、调感式与调压式，调感式需要安装较大的电抗器，而调容式需要安装多抽头的有载调压变压器，这两种方案都需要较大的占地面积，控制与保护设备也相对复杂，投资较高，所以选择调容式补偿方案。

由于该变电站6KV系统是双母线接线，并且双母线并列运行，所以设计只安装一套无功补偿设备，可满足系统无功补偿要求。变电站一次系统图如图3所示。无功补偿一次系统图如图4所示。

无功补偿装置通过甲乙刀闸根据需要接在不同的母线上，电流互感器测量电容电流；熔断器起保护作用；电抗器设计容量应与电容器在5次或7次谐波下谐振，用来抑制5次或7次谐波；电容器是无功补偿的核心器件起补偿感性无功电流作用；放电线圈是用来对电容停电后有一个放电回路，使停运的电容器上无电压，既保护了电容器为下次投入作准备，又保证停电检修人员的人身安全，电压互感器来替代放电线圈，还可以用来测量运行的电容器电压。

（三）控制设备与保护元件选择

要实现自动无功补偿，必须根据9区图进行电压无功综合控制，选用国内知名企业生产的VQC控制装置作为无功补偿系统的控制核心，而保护装置采用与综合自动化系统相匹配的高可靠性与灵敏性的微机保护装置。

三、运行中出现的问题与改进方案

无功补偿装置安装调试后，经过试验开始投入试运行。试运行不到一个月，突然发生了两路电容器发生膨胀、喷油、熔断器烧损、真空接触器燃烧事故。经检检查测试，发现投切电容用的真空接触器的触点存在合闸抖动现象，最多合闸一次触头抖动十余次，合闸时造成电容器电极板电荷累积形成了过电压而使电容击穿，相间形成短路，由于真空接触器不具有断开短路电流能力，保护跳开接触器时，真空泡爆炸，使其燃烧。

真空接触器存在上述问题，而晶闸管投切方式又投资较大，经测试真空断路器虽然有切断短路电流能力，但触头仍存在抖动现象，真空接触器与真空断路器的触点都是平拍式由于合闸较快触头反弹而形成抖动，少油断路器与六氟化硫断路器触头多采用插入式，经测试没有抖动现象，少油断路器额定开断次断较低，检修周期短，不适合应用到电容器控制电路中，所以选择六氟化硫断路器作为投切开关较合理。

需要指出的是由于电容器回路串联的电抗器，电容两端电压要比电网电压高5%左右，因此电容器的额定电压要高于电网电压10%才能满足运行要求。

四、运行效果

无功补偿装置在东轻公司1#变电安装改进投入运行后，一年来没有再出现过故障，经过对电量的分析与计算，在公司商品产量大大提高的同时，总有功电量增大不明显，6KV系统功率因数可以维持在0.95，不但不用交罚款，每月还能有3万元的奖励，因此无功补偿效果较明显，三年就完全可以收回成本。

按照上述方案实施无功补偿和电压调节，使无功功率得到了自动实时补偿，实现了功率因数的提高目标，使电压水平的合格性和稳定性得到了显著提高，整个电网的损耗降低。运行实例表明，该系统方案在电力系统具有良好的应用前景，事故分析与改进也为读者提供了设计运行的借鉴。

参考文献：

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