李泳泉

（縉云縣供電局，浙江 縉云 321400）

隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)保持快速穩(wěn)定增長(zhǎng)，人民生活水平逐年提高，預(yù)計(jì)今后對(duì)電能的需求不僅在數(shù)量上要有大幅度的增長(zhǎng)，而且對(duì)供電質(zhì)量也會(huì)有更高的要求。

縉云縣電網(wǎng)中大量的柱上配電變壓器沒有進(jìn)行無功補(bǔ)償，柱上變壓器的負(fù)荷通常是家用電器和小型（異步）電動(dòng)機(jī)，而家電和小型電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)普遍偏低，功率因數(shù)約為0.55～0.70。加之配電網(wǎng)一般線路較長(zhǎng)，線徑較細(xì)，在重負(fù)荷時(shí)段線路產(chǎn)生的無功損耗較大，對(duì)應(yīng)的線路壓降也較大，因此需要采取合理的補(bǔ)償方式提高線路功率因數(shù)，節(jié)能降耗。

1 無功補(bǔ)償方式的選擇

1.1 配電變壓器低壓補(bǔ)償

配電變壓器低壓補(bǔ)償是目前應(yīng)用最普遍的補(bǔ)償方法。由于用戶的日負(fù)荷變化大，通常采用微機(jī)控制、跟蹤負(fù)荷波動(dòng)分組投切電容器補(bǔ)償，總補(bǔ)償容量在幾十至幾百kvar不等。目的是提高配變用戶功率因數(shù)，實(shí)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(zhì)量。

配變低壓無功補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是補(bǔ)償后功率因數(shù)有所提高，但由于配電變壓器的數(shù)量多，低壓補(bǔ)償裝置安裝地點(diǎn)分散、數(shù)量大，運(yùn)行維護(hù)是需要重點(diǎn)考慮的問題。

1.2 變電站集中補(bǔ)償

變電站集中補(bǔ)償裝置包括并聯(lián)電容器、同步調(diào)相機(jī)、靜止補(bǔ)償器等，主要目的是平衡輸電網(wǎng)的無功功率，補(bǔ)償主變的無功損耗，以及補(bǔ)償離變電站較近負(fù)荷的無功。變電站集中補(bǔ)償有利于提高系統(tǒng)終端變電站的母線電壓，減少變電站主變壓器和高壓輸電線路的無功損耗。這些補(bǔ)償裝置一般集中接在變電站10 kV母線上，因此具有管理容易、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，但這種補(bǔ)償方案中對(duì)變電站以下的10 kV配電網(wǎng)，特別是離變電站較遠(yuǎn)的線路，降損作用較小。

1.3 線路無功補(bǔ)償

在10 kV線路上采用自動(dòng)無功補(bǔ)償裝置是比較有效的減少無功電流在配電網(wǎng)線路上流動(dòng)、降低線損、提高功率因數(shù)的方法。線路無功補(bǔ)償裝置安裝在變電站補(bǔ)償與配變低壓補(bǔ)償之間，主要補(bǔ)償線路產(chǎn)生的無功與配變的空載及負(fù)載損耗，一般在線路配變較集中的分支安裝，較低壓無功補(bǔ)償相對(duì) “集中”，比變電站集中補(bǔ)償相對(duì) “分散”，在維護(hù)量以及“就近補(bǔ)償”之間取得一個(gè)較佳的平衡，在保證補(bǔ)償效果的同時(shí)又不增加很多維護(hù)量，對(duì)長(zhǎng)線路以及季節(jié)性負(fù)荷特征明顯的農(nóng)網(wǎng)線路尤其適用。

2 線路無功補(bǔ)償裝置的應(yīng)用

2.1 線路無功補(bǔ)償裝置

DWK型戶外高壓無功自動(dòng)補(bǔ)償裝置的電氣主接線如圖1所示，裝置采用微機(jī)控制并聯(lián)電容器的投切，控制合理、準(zhǔn)確和迅速；電容分組合理，能用較少的分組達(dá)到較多的容量組合，補(bǔ)償級(jí)差??；降低由于線路長(zhǎng)距離輸送無功而造成的線損，并能使電壓質(zhì)量得到一定的改善，達(dá)到配電網(wǎng)節(jié)能降耗的要求。大部分廠家將高、低壓元器件集成于戶外箱體內(nèi)，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝維護(hù)方便，裝置內(nèi)部元器件不收戶外惡劣環(huán)境的影響，比較適合農(nóng)村配電網(wǎng)使用。

圖1 DWK型戶外高壓無功自動(dòng)補(bǔ)償裝置的電氣主接線圖

2.2 控制策略

基本的控制策略為：控制器通過電壓互感器（TV）、電流互感器（TA）采集線路電壓與電流，計(jì)算線路所缺的無功補(bǔ)償容量，根據(jù)電壓無功控制（VQC）策略投切相應(yīng)的電容器組，圖2所示為5區(qū)圖的電壓無功綜合控制策略（考慮了電容投切對(duì)電壓影響的第2區(qū)與第5區(qū)，從0區(qū)-6區(qū)共7個(gè)區(qū)），是一般變電站VQC 9區(qū)圖的簡(jiǎn)化版。

圖2 電壓無功綜合控制5區(qū)圖

圖2中的電壓無功控制策略是以電壓為優(yōu)先的原則，如4區(qū)中當(dāng)系統(tǒng)電壓較低時(shí)，無論線路是否缺少無功，控制策略都要求投入新的電容器組以提升線路電壓。由電力線路的等效簡(jiǎn)化模型可知，線路壓降與系統(tǒng)無功的絕對(duì)值存在如式（1）的關(guān)系：當(dāng)線路壓降較大導(dǎo)致線路末端電壓低時(shí)，通過無功的過補(bǔ)，即Q為負(fù)值可減小線路壓降。當(dāng)投入足夠的無功使壓降ΔU為負(fù)時(shí)即可使線路末端電壓高于變電站電壓。

但從節(jié)能降耗的角度講，線路補(bǔ)償裝置為抬高線路電壓返送過多的無功 （超過后端負(fù)荷所需要的無功值）反而會(huì)增加線路的損耗，這與無功補(bǔ)償減小線路無功流動(dòng)進(jìn)而節(jié)能降耗的最初目的相違背。變電站VQC只有配合主變有載調(diào)壓才能更好的發(fā)揮電壓無功綜合控制的功能，同樣，如果線路負(fù)荷過大或線路過長(zhǎng)導(dǎo)致電壓較低應(yīng)采取線路調(diào)壓器的方法保證電壓質(zhì)量。

因此，在無功策略上，線路無功補(bǔ)償裝置應(yīng)以功率因數(shù)的控制策略為主，結(jié)合考慮無功量的影響。例如，當(dāng)線路負(fù)荷較輕時(shí)，由于線路的有功負(fù)荷較小，如P=30 kW，若無功Q=30 kvar，則線路功率因數(shù)約為0.7，此時(shí)如果按功率因數(shù)策略投切 （假定低于0.9投入），假設(shè)電容器容量為100 kvar，則投入后無功Q=-70 kvar（假定電容投入前后系統(tǒng)負(fù)荷不變），線路功率因數(shù)更低，無功電流的流動(dòng)更大，損耗會(huì)更大。在負(fù)荷較小時(shí)按功率因數(shù)投切應(yīng)綜合考慮無功量的絕對(duì)值，才不至于投切震蕩。

此外，功率因數(shù)投切策略應(yīng)考慮一定的過補(bǔ)允許量，即允許功率因數(shù)適當(dāng)為負(fù)，例如運(yùn)行功率因數(shù)的運(yùn)行區(qū)間為0.95～-0.98，相對(duì)0.95～0.98的區(qū)間能容許更大的負(fù)荷波動(dòng)。例如當(dāng)負(fù)荷P＝240 kW，QL＝180 kW，功率因數(shù)為0.8，當(dāng)投入QC＝-100 kvar電容器時(shí)，線路Q＝QL+QC＝80 kvar，此時(shí)功率因數(shù)為0.95，當(dāng)負(fù)荷逐漸下降，至P＝100 kW，Q＝80 kvar，此時(shí)電容器假定還在投入狀態(tài)，即QC＝-100 kvar，則線路 Q＝QL+QC＝-20 kvar，此時(shí)功率因數(shù)為-0.98，若功率因數(shù)運(yùn)行范圍為0.95～-0.98，則電容器可以繼續(xù)保持投入狀態(tài)而不切除。因此，允許適當(dāng)過補(bǔ)有利于補(bǔ)償裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，延長(zhǎng)電容器的投入時(shí)間，提高投切開關(guān)的使用壽命，最大程度地降低線損。

2.3 通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）遠(yuǎn)程在線監(jiān)控功能

在電網(wǎng)智能化發(fā)展的大趨勢(shì)下，對(duì)電力設(shè)備自動(dòng)化，信息化程度要求越來越高，線路無功補(bǔ)償裝置安裝在一般配網(wǎng)線路上，難以有傳統(tǒng)通信信道（如光纖等），因此遠(yuǎn)程監(jiān)控需借助于移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)，通過GPRS或碼分多址（CDMA）數(shù)據(jù)服務(wù)，線路補(bǔ)償裝置可實(shí)時(shí)在線將運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸至移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，再通過移動(dòng)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的接口，在互聯(lián)網(wǎng)上設(shè)置一臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器，即可完成補(bǔ)償裝置與數(shù)據(jù)服務(wù)器之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸。

建立以上連接后，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)查看設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，遠(yuǎn)程查看參數(shù)并修改，遠(yuǎn)程取得設(shè)備運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)，還可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能，為設(shè)備的運(yùn)行與維護(hù)提供了極大的方便與靈活性。對(duì)于目前一般的5元/月30M數(shù)據(jù)流量，完全可以滿足每10 min一次的數(shù)據(jù)上傳的要求。數(shù)據(jù)服務(wù)器的程序監(jiān)控界面如圖3所示。

表1所示的是通過GPRS網(wǎng)絡(luò)取得的縉云地區(qū)某臺(tái)DWK線路無功補(bǔ)償裝置的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析可以看出，安裝DWK線路無功補(bǔ)償裝置后，除了夜間負(fù)荷輕時(shí)由于電容器無法投入時(shí)功率因數(shù)較低外，線路的功率因數(shù)一直保持在較高水平，起到了很好的節(jié)能降耗的作用。同時(shí)，由于采取了適當(dāng)過補(bǔ)的控制策略，有利于穩(wěn)定補(bǔ)償裝置的運(yùn)行，防止投切震蕩，減少真空接觸器的投切次數(shù)。

圖3 GPRS遠(yuǎn)程在線監(jiān)控程序界面

表1 DWK線路無功補(bǔ)償裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)

2.4 諧波抑制

隨著越來越多的電力電子非線性負(fù)荷（通常是一些高效節(jié)能負(fù)荷，如變頻電機(jī)，開關(guān)電源等）在農(nóng)網(wǎng)中的應(yīng)用，尤其當(dāng)線路中有冶煉廠、軋鋼廠時(shí)，線路中的諧波含量較大，諧波對(duì)電容補(bǔ)償裝置有著很大的影響。當(dāng)線路中存在諧波源，同時(shí)存在電容補(bǔ)償裝置時(shí)，系統(tǒng)的等效電路如圖4所示。

圖4 諧波的系統(tǒng)等效阻抗圖

圖4中Ih為等效諧波源電流源，h為特征次諧波次數(shù)，一般為5，7次等，Xc為線路無功補(bǔ)償裝置等效基波容抗，Xs為等效的基波系統(tǒng)阻抗，對(duì)諧波源而言，線路無功補(bǔ)償與系統(tǒng)阻抗是并聯(lián)電路，因此流過電容器的電流為：

由式（2）可以看出，當(dāng)在某一次諧波h下導(dǎo)致h2×Xs-Xc＝0，即線路電容與系統(tǒng)阻抗發(fā)生并聯(lián)諧振時(shí)，流過電容器的諧波電流Ich理論上為無窮大，即發(fā)生所謂的諧波下的并聯(lián)諧振。此時(shí)電容器會(huì)因諧波電流嚴(yán)重過負(fù)荷，導(dǎo)致電容器損壞。即使不發(fā)生并聯(lián)諧振，由式（2）也可看出Ich必然大于諧波源的電流Ih，即產(chǎn)生所謂的諧波放大現(xiàn)象。

由以上分析可知，在有諧波源的線路中，線路補(bǔ)償裝置與系統(tǒng)阻抗之間會(huì)發(fā)生諧波放大現(xiàn)象，諧波電流會(huì)流過電容器且比諧波源的諧波電流還要大，在某個(gè)特征次諧波頻率下甚至可能發(fā)生系統(tǒng)并聯(lián)諧振，造成流過電容器的諧波電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電容器所能承受的范圍，導(dǎo)致電容器損壞。

為避免諧波對(duì)線路無功補(bǔ)償裝置的影響，可以在電容器補(bǔ)償支路串聯(lián)電抗器，使電容補(bǔ)償支路在特征次諧波頻率下呈高阻抗，抑制諧波電流進(jìn)入電容器支路，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況確定串聯(lián)電抗器的電抗率。

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合工程實(shí)際，介紹了DWK型戶外高壓無功自動(dòng)補(bǔ)償裝置的工作原理和基本構(gòu)成。深入探討以功率因數(shù)為主，參考無功量，適當(dāng)允許過補(bǔ)的控制策略。裝置目前已在縉云地區(qū)農(nóng)村配電網(wǎng)運(yùn)行，取得了較好的效果，值得在配電網(wǎng)上推廣應(yīng)用。

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