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35kV及以下变电站与线路的无功补偿分析

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第32卷第6期 电力电容器与无功补偿 201 1年12月Power Capacitor&Reactive Power Compensation 35 kV及以下变电站与线路的无功补偿分析 姚明,徐涛 (惠水供电局,贵州惠水550600) 摘要:随着变电站建设的逐步完善,无功补偿对变电站安全稳定的运行具有重要作用。为了 提高农村变电站的供电质量,规范用电管理,改善农村用电环境,降低线损率,结合当前人们关 注的变电站及其线路无功补偿,论述了35 kV及以下变电站目前存在的问题,并对无功补偿的 技术方案进行了比较分析。 关键词:35 kV;变电站;无功补偿;方案 中图分类号:TM71l 文献标识码:A文章编号:1674—1757(20l1)06-0027-04 Reactive Compensation Analysis of 35 kV and the Below Substation and Line YAO Ming,XU Tao (Huishui Power Supply Bureau,Huishui 550600,China) Abstract:With the gradual consummation of substation construction,reactive power compensation plays an important role in safe and stable operation of substation.For improving power supply quality of rural substation,standardizing management of the use of electircity,enhancing the enviornment of the use of electricity and reducing line loss,the problems existed at present at 35 kV and the below substation are described in the combination of presently concerned reactive power compensation of substation and line.and technical proposal of reactive power compensation are compared and ana— lyzed. Keywords:35 kV;substation;reactive power compensation;proposal 0引言 的重要来源之一。农村电网的这些特点都严重影 响了供电系统的稳定运行和供电质量。 1998年开展了农村电网改造和建设 工作,35 kV变电站是农村电网改造的重要内容。 1无功功率的设备 农村电网线路较长,供电距离较远。变电站内配 1.1输电线路 电变压器与系统供电变压器容量相差悬殊。另外 在农村电网中,无功功率主要消耗在低压配 农业用电昼夜负荷变化大,季节性强,配电变压器 电网中,其中用户消耗的无功功率约占50%。高 负荷率低,从而使农村供电系统的功率因数偏低。 压电网的特点是电压等级较高,输电线路较长。 根据相关资料显示,农电系统的功率因数一般仅 当线路为无功负载时,输电线路电抗中消耗的无 为0.6,而全省则更低,造成农村供电系统网损 功功率将大于电纳中产生的无功功率;当输电线 高,电压低。运行中的输电线路既是无功负荷又 路为无功电源,传送功率较小,则反之。研究表 是无功电源。其线路无功损耗是系统无功负荷的 明,当输电线路出现无功过剩,应该实行无功等量 一个组成部分,同时线路充电功率又是系统无功 动态平衡,即过剩部分应在本线路的两端进行等 收稿日期:2011-06-24 作者简介:姚明(1985一),男,助理工程师,主要从事高压输配电设备的检修试验工作。 ・28・ 电力电容器与无功补偿 第32卷 量补偿…。无功就地动态平衡指的是哪里需要 无功补偿就在哪里补偿,什么时候用就什么时候 补偿,有多少无功负荷就补偿多少。 1.2用电设备 无功功率越多,其所增加的有功功率损耗就越小。 因此,发电机是电网中不需要投资的无功电源。 在满足技术经济要求的情况下,可以积极利用电 厂的无功电源。 2.2电容器 功率因数体现的是用电设备在消耗一定的有 功功率的同时也需要消耗无功功率。无功功率补 偿设备的合理配置,可以提高系统的功率因数,最 变电站内一般都安装了无功补偿电容器,其 作用是就地进行无功平衡,减少线路电压损耗和 终可以降低损耗和节约电能。大多数用电设备的 功率因数都小于l,因此在设备运行中要消耗一 定量的无功功率,比如感应电炉、异步电动机、交 流电焊机等都是无功功率的主要消耗者 J,其中 异步电动机消耗的无功功率最大,例如在工矿企 业中,异步电动机的无功消耗接近70%【3 J。用电 设备在消耗有功功率的同时,电源也在源源不断 的输送着无功功率。对于农村用电荷来说,主要 是一些小加工企业及照明负荷,其中大部分用电 设备为感性负载,其功率因数都很低,都会对无功 功率有一定的需求 J。 1.3变压器 变压器可以建立交变磁场,变压器自身也是 无功功率的消耗者,其消耗的无功功率约为其额 定容量的15%左右,它的无功功率在空载时约为 满载时的1/3 J。变压器的无功功率由损耗励磁 支路功率和绕组漏抗中的无功功率损耗2部分组 成。变压器的电压会影响到励磁支路的无功功率 损耗,通常变压器的传输功率与绕组漏抗中的无 功功率损耗成比例关系。 2无功补偿设备 2.1发电机 在电网的总负载中,既要求供给有功功率,又 要求供给无功功率。因为电网的主要动力负载是 功率因数比较低的三相异步电动机,如果发电机 发出的无功功率不能满足电网对无功功率的要 求,就会引起整个电网的电压下降,这对负载是不 利的。调节发电机的励磁电流就可以调节发电机 的无功功率。当调节发电机的励磁电流时,输出 的有功功率不能改变。而无功功率则可以调节。 在过励状态下,励磁电流愈大,发电机输出的感性 无功功率愈大。在欠励状态下,励磁电流愈小,发 电机输出的容性无功功率就愈大。发电机发出的 能耗,还可以提高电压水平。电容器的作用主要 是可以补偿用电负荷部分的无功功率,提高供电 系统的功率因数,降低能耗,还能改善电网电压质 量。电容器又分为并联电容器和串联电容器。串 联电容器可用于较长输电线路的阻抗补偿,并联 电容器用来产生无功功率从而减小线路的无功输 送负荷,还能减小电压损失 J。并联补偿电容器 的容量Q (kvar)可按下式确定: Qc=aPj(tan ̄p1p—tan ̄p2p)= r/=————— —一 ———————_’ ,【 二!竺 !£一一1-cos ̄2e.cosq ̄lp cos ̄p2p J1 kva r 式中cos ̄o。 为补偿前总平均功率因数;cos ̄o 为补偿后要求达到的总平均功率因数;P (kW)为 最大有功计算负荷;n为月平均有功负荷率。 3无功补偿的原则及需要注意的问题 3.1无功补偿的原则 无功补偿的原则是:①局部平衡与全网平衡 相结合,既要满足全网的总无功平衡,又要满足分 线、分站的无功平衡。②集中补偿与分散补偿相 结合,以分散补偿为主,集中补偿为辅。这就要求 在负荷比较集中的地方进行就地补偿,一方面要 在变电站进行大容量无功集中补偿,又要在输电 线路、配电变压器和用电设备处进行分散补偿,其 目的是做到无功就地平衡,避免其长距离输送造 成不必要的无功损失。③高压补偿与低压补偿相 结合,以低压补偿为主,高压补偿为辅,这和分散 补偿相互结合。④降损与调压相结合,以降损为 主,调压为辅。这是针对输电线路长,线路分支较 多,输电负荷较分散,功率因数较低的地区,这种 线路最明显的特点是:负荷率低,线路损失大,若 对此线路进行无功补偿,可显著提高线路的供电 能力。总之,在进行无功补偿时,必须严格按照无 功补偿的原则。 第6期 ・无功补偿・ 姚明,等35 kV及以下变电站与线路的无功补偿分析 ・29・ 3.2无功补偿存在的问题 无功补偿装置是电力系统重要的节能设备, 也是维持电网电压的重要设备,无功补偿装置的 对电网的冲击过大,还需要电抗器等限流措施。 无功补偿装置多为成套密集型电容器,不能实现 分容量投切。当低谷负荷时,电容器不能投入;当 投资也较大。但在实际生产运行中,由于无功补 偿装置的运行没有较为完善的标准可循,且无功 补偿装置的自动控制设备技术不完善,会存在一 高峰负荷时,电容器容量不能满足要求,造成线损 高或设备浪费。对于全网性的补偿,过量补偿己 成为将来电网安全运行的重大隐患,必须引起全 定的问题。具体如下: 1)补偿效果和容量。配电变压器低压补偿 可以提高功率因数,降低变压器损耗,但是对于输 电线路的降损很小。因此,配电变压器安装的数 量很少或者补偿容量不足都会影响到线路降损和 电压。补偿容量是根据配电网日负荷的变化以及 用电负荷性质所决定的。大量数据显示,自动投 切补偿在配电变压器容量的20%一30%内_5】。 补偿不足或者过量对整个电网都是不合适的,也 不能达到预期的补偿效果。 2)无功倒送。采用固定电容器补偿方式的 用户,可能在负荷低谷时造成无功倒送。无功倒 送会增加配电网的损耗,加重配电线路的负担,是 电力系统所不允许的,这应引起充分的考虑。 3)谐波影响。谐波电流可导致变压器中的 铜损和杂散损增加,谐波电压则会增加铁损。与 纯基波正弦电流和电压相比较,谐波对变压器的 整体影响是温度升高较快。而且由于谐波所造成 的额外损失将按所消耗的能量(kwh)反映在电 费上,而且谐波会增加变压器的噪声,而且谐波会 使电容器控制失灵和加速损坏,谐波放大会使干 扰后果更加严重。因此,工程师应该掌握用户用 电负荷的性质,还要定时对无功补偿设备的谐波 进行测试,以确保设备安全运行。进行无功补偿 时必须考虑谐波治理,当有较大谐波干扰,需要在 补偿无功的地点增加滤波装置。 4)测量的问题。目前35 kV以下配电网的线 路上的负荷点一般无表计,且人员的技术水平参 差不齐,表计记录的同时性和准确性无法保证。 这对配电网的潮流计算和无功优化计算带来很大 困难。35 kV终端用户处通常只装有有功电度 表,要实现功率因数的测量是不可能的。这也是 低压无功补偿难于广泛开展的原因所在。 5)过量补偿。过量补偿有可能发生系统震 荡,引起严重问题。一次投入电容器太多会造成 社会供电系统的高度重视,否则会造成电网的震 荡甚至会造成大面积的停电。 4无功补偿方案比较分析 配电网无功补偿方案主要有4种,分别为变 电站集中补偿、配电变压器低压补偿、杆上无功补 偿和用电设备分散补偿。 4.1变电站集中补偿 变电站集中补偿的主要目的是平衡输电网的 无功功率,提高输电网的功率因数,改善系统终端 变电站的母线电压,并补偿变电站主变压器和高 压输电线路的无功损耗。集中补偿装置包括静止 和并联补偿器,这些补偿装置一般集中接在变电 站35 kV以下母线上,因此,其优点是管理容易, 维护方便,但这种补偿装置对35 kV以下配电网 的降损是没有效果的。为了实现变电站集中补 偿,要建立变电站的无功综合控制系统,系统的主 要设备是并联电容器组和有载调压抽头。该设备 在实际运用中会出现一些问题,例如投切次数过 多会影响电容器开关和分接头的使用寿命,无形 中增大了维护员工的工作量,因此在实际操作中 要尽量减少抽头调节和电容器组的启动次数。 4.2配电变压器低压补偿 为了提高用户功率因数,实现无功的就地平 衡,降低配电网损耗和改善用户电压质量,采用配 电变压器低压补偿是目前应用最普遍的补偿方法 之一。微机控制和跟踪负荷波动分组投切电容器 补偿是这种补偿方法中最主要的方法。配电变压 器低压无功补偿的优点是大幅度提高功率因数, 并且能够节能和降损。其缺点是资金投入较多, 设备维护费较高,需要补偿的配电变压器数量众 多,安装地点较分散,这就要求厂家尽可能地降低 装置的成本,提高装置的稳定性。另外,配电系统 包括专用变压器和公用变压器,其中公用变压器 是面向广大家庭用户,它们通常是安装在户外的 ・30・ 电力电容器与无功补偿 第32卷 杆上,这种情况进行低压集中补偿是很不现实的, 接刈_用户终端进行无功补偿,这种方法可以有效 因为这些设备会难于控制和管理,且容易诱发安 地降低损耗和维持电压。GB 5oo52一l995《供电 全问题。 系统设计规范》指出,容量较大,负荷平稳且经常 4.3杆上无功补偿 使用的用电设备其无功负荷应该单独就地补偿。 杆上无功补偿主要是针对10 kV沿线的公用 例如企业和工厂中的电动机就应该实行就地无功 变压器所需无功功率进行补偿 j,同时对于 补偿;小区分散用户用电的特点是用户地点分散, 35 kV以下的变压器也是适用的。大量公用变压 用电荷小,且随时间变化明显。有一种新型的无 器要消耗无功,但是很多公用变压器并没有安装 功补偿装置可以为小区用户终端进行补偿,其优 低压补偿装置,这样就造成了较大的无功缺额,同 点是:①智能型控制,免维护;②体积小,易安装; 时通过沿线输电路传输无功会使得配电网的网损 ③功能完善,造价较低 J。用户终端补偿的缺点 加重,在这种情况下可考虑应用杆上无功补偿。 是①投资大;②确定补偿容量需要重新计算;③重 杆上无功补偿的特点是投资小、回收快、补偿效率 视程度不够、管理不健全;④应用不方便等原 较高、便于管理和维护。它的适用范围是功率因 因。目前,用户终端分散补偿的实际应用情况和 数较低,且负荷较重的长距离配电线路,但因负荷 效果都不能令人满意。因此,对终端分散补偿需 经常波动,而该补偿方式又是长期固定补偿,适应 加强宣传力度,使人们意识到分散补偿的重要性。 能力较差,主要补偿的是无功基荷,在线路重载情 另外根据用户的用电设备特点,开发出一种方便、 况下,补偿度一般是不能达到0.95的。 简易的终端就地低压补偿装置,并广泛推广,全面 4.4用户终端分散补偿 实现用户终端就地分散补偿。 在我国城镇主要是低压用户,企业、厂矿和小 结合以上4种无功补偿方案的优缺点,综合 区等都需要大量的无功功率,最有效的方法是直 比较见表1 …。 表1 4种无功补偿方案比较 Tab.1 Comparison offour kinds of reactive power compensation LIU Ya.Analysis on the reactive power compensation of 5结论 substation[J1.Power Capacitor&Reactive Power Corn. 在35 kV以下变电站进行无功补偿、提高功 pensation,2009,30(6):19-22.  ‘率因数并搞好无功平衡是一项建设性的降损技术 [3]靖,英铁志.6 kV供电系统无功补偿自动控制系 研究。本文分析了4种配电网无功补偿方式,认 统[J].包钢科技,2003(5):74-76. 肛NG Wen-ge.YING Tie-zhi.Reactive-load eompensa- 为应更多地考虑系统的特点,将它们结合起来进 tion auto control system in 6 kV power supply system 行无功补偿。如何确定无功补偿设备的合理配置 [J].Science&Technology of Baotou Steel(Group) 和分布,还需寻找技术上和经济上的最优方案。 Corporation,2003(5):74-76. [4]魏义岭.用无功补偿的方法降低线损[J].煤炭技术, 参考文献: 2005(5):4849. [1]冯少勇.浅谈电石炉的无功补偿[J].宁夏石油化工, [5]曹喜库,魏义岭.用无功补偿的方法降低线损[J].煤 2005(2):41-44. 炭技术,2004(5):106-107. [2]刘娅.变电站无功补偿分析[J].电力电容器与无功 [6]杨建宁,张红祥,朱有辉.天钢集团中板厂SVC动态 补偿,2009,30(6):19-22. 无功补偿和谐波滤波系统[J]. (下转第46页) ・46・ 电力电容器与无功补偿 第32卷 GB 50227一l995.Code for design of installation of shunt AN Zong—gui.Research on transient overvoltage caused capacitors[S]. [3]CECS32:1991.并联电容器用串联电抗器设计选择标 准[s]. by switching on/off shunt capacitor bank[J].Power Ca- pacitor,2005(2):28-33. [8]李新,许中,席世友,等.不对称耦合电感对三相电路 暂态过程影响分析[J].高电压技术.2010,36(3): 6I66—671. LI Xin,XU Zhong,XI Shi—you,et a1.Analysis about in・ lfuence of asymmetric coupled—inductom on transient [4]许中,等.10 kV系统不同期合闸电路过渡电路过电 流问题研究[c].∥重庆市电机工程学会,2008年学 术会议论文, [5]汪金山.正弦激励下RLC串联二阶电路暂态过程的 研究[J].哈尔滨理工大学学报,1999(1):93-96 WANG Jin-shah.Research on transient process of RLC process of throe—phase circuit[J].Hish Voltage Engi— neering,2010,36(3):666-671. second order circuit under sinusoidal excitation[J]. 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