無功補(bǔ)償在農(nóng)村電網(wǎng)改造中的應(yīng)用

閤先華

（中國船舶重工集團(tuán)公司第712研究所, 武漢 430064）

1 引言

我國上一輪大規(guī)模農(nóng)網(wǎng)改造工程自 1998年啟動，至2004年兩期農(nóng)網(wǎng)建設(shè)和改造工程歷時6年，國家共投入2100多億元[1]。但隨著農(nóng)村用電負(fù)荷的不斷增加，原有的電網(wǎng)已不能滿足用戶用電需求，農(nóng)網(wǎng)建設(shè)與改造有四大重點(diǎn)問題：1）農(nóng)村高低壓電網(wǎng)電能損耗高、布局不合理、供電可靠性差、電能質(zhì)量差和農(nóng)村電價高的問題；2）提升供電可靠性，充分考慮冰凍災(zāi)害等自然因素，制定電網(wǎng)可靠運(yùn)行的防范措施；3）促進(jìn)農(nóng)村電網(wǎng)結(jié)構(gòu)先進(jìn)，布局合理、裝備良好，管理科學(xué)，達(dá)到優(yōu)質(zhì)、安全、高效、低耗的目標(biāo)；4）農(nóng)網(wǎng)改造和建設(shè)所需的設(shè)備立足于國產(chǎn)設(shè)備節(jié)能產(chǎn)品，降低線路損耗，降低電費(fèi)，在促進(jìn)國產(chǎn)設(shè)備提高質(zhì)量的同時起到拉動國民經(jīng)濟(jì)增長的作用[2]。為解決電網(wǎng)“卡脖子”問題，國家將投入巨資啟動這一輪農(nóng)網(wǎng)改造工程，全年農(nóng)網(wǎng)改造投資的“大盤子”將近600億元[3]。

2 裝置的一般應(yīng)用工況和結(jié)構(gòu)組成

農(nóng)村電網(wǎng)有其特殊性，由于地理位置分散，所處環(huán)境千差萬別，再加上其負(fù)荷的不穩(wěn)定性，綜合各種因數(shù)考慮，一般在某一個固定變電站(或線路)高壓端（如10 kV）采用一次集中非線性的動態(tài)補(bǔ)償。一般使用要求為戶外柱上就地安裝，環(huán)境溫度為-40oC～45oC；同時，為了減少人工成本，農(nóng)村電網(wǎng)無功補(bǔ)償?shù)目刂乒δ芎屯ㄓ嵐δ芤蟊容^高，要求能自動實(shí)現(xiàn)裝置的按要求運(yùn)行和集中數(shù)據(jù)處理要求。

其結(jié)構(gòu)根據(jù)所處地點(diǎn)的工況和環(huán)境不同而略有不同。其結(jié)構(gòu)一般包括電容器、電抗器（根據(jù)工況也可不要）、真空接觸器、電壓互感器、電流互感器、熔斷器、避雷器、控制器等。一般為了安全和方便操作，控制器采用一個箱體、其它器件采用一個箱體，控制器在附近方便操作。箱體應(yīng)有良好的通風(fēng)散熱設(shè)計，防雨、防潮及防小動物進(jìn)入的措施，適于戶外環(huán)境長期運(yùn)行。

3 裝置的一次主接線圖和工作原理

根據(jù)上述裝置的使用工況和結(jié)構(gòu)組成，實(shí)際應(yīng)用中每套裝置的容量不大，根據(jù)各種工況的不同，一般采用一路為靜態(tài)補(bǔ)償，直接接在線路上，再加上采用一路或二路可自動投切的構(gòu)成一套裝置，具體的主接線圖如圖1所示。

圖1

裝置的工作原理是：由電壓互感器（PT）采集相電壓信號，高精度非接觸式電流互感器（CT）采集相電流信號傳送到控制器。經(jīng)過控制器采樣電路，得到電壓、電流的模擬信號，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，得出電壓、電流等的數(shù)字量，然后通過控制器微處理器的運(yùn)算，得出電壓、電流、有功、無功、功率因數(shù)、諧波等參數(shù)，并同存貯在固定存貯器中的系統(tǒng)設(shè)置點(diǎn)（可根據(jù)以上參數(shù)選擇不同的控制模式。如：根據(jù)無功、電壓、電流、功率因數(shù)等）進(jìn)行比較，決定什么情況下操作電容器組，并通過高壓真空交流接觸器來執(zhí)行電容器組的分、合閘，從而達(dá)到自動循環(huán)投切電容器組來補(bǔ)償線路無功的目的，使電網(wǎng)上無功功率供需就地自動平衡，起到了降低線損、提高功率因數(shù)及系統(tǒng)的輸電能力、改善配電網(wǎng)供電質(zhì)量等重要的作用。

4 控制功能和保護(hù)功能

在此裝置的應(yīng)用中，為了能滿足各種工況要求，在其它元器件一定的情況下，控制器的要求比較高，一般具有智能邏輯控制功能，必須具有按電壓控制、按時間控制、按電壓時間控制、按功率因數(shù)控制、按電壓無功控制等自動控制方式。需要滿足如下條件[4]：

1）電壓控制方式。跟蹤電壓的波動，設(shè)定電壓投切門限投切電容器。

2）時間控制方式。每天可設(shè)若干個時間段，設(shè)定投切時間段進(jìn)行控制。

3）電壓時間控制方式。每天可設(shè)兩個時間段，時間段內(nèi)按電壓控制模式進(jìn)行控制。

4）功率因數(shù)控制方式。利用控制器自動計算投切后的電網(wǎng)狀況，按功率因數(shù)控制模式進(jìn)行電容器組投切控制。

5）電壓無功控制方式。按電壓無功九區(qū)圖進(jìn)行控制。

控制器具備短路保護(hù)、過壓保護(hù)、失壓保護(hù)、過流保護(hù)、缺相保護(hù)、投切延時保護(hù)（10分鐘保護(hù)，防止電容器帶電荷合閘）、防止振蕩投切保護(hù)、日投切次數(shù)限制保護(hù)等保護(hù)功能。

5 數(shù)據(jù)處理功能

控制器除具有基本的控制功能外，還具有如下配網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)及其它數(shù)據(jù)記錄功能。

1）線路實(shí)時電壓、電流、功率因數(shù)、有功功率、無功功率、總諧波畸變率等參數(shù)查詢；

2）每天整點(diǎn)實(shí)時數(shù)據(jù)統(tǒng)計存貯：包括電壓、電流、功率因數(shù)、有功功率、無功功率、總諧波畸變率等參數(shù)。

3）每天線路極值數(shù)據(jù)統(tǒng)計存貯：包括電壓、電流、有功功率、無功率、功率因數(shù)、總諧波畸變率的最大值、最小值及出現(xiàn)時刻。

4）每天電容器組動作統(tǒng)計存貯：包括動作次數(shù)，動作對象，動作性質(zhì)（保護(hù)動作、自動投切），動作時電壓、電流、功率因數(shù)、有功功率、無功功率等參數(shù)。電容器組投入和切除各計作一次動作。

控制器具有 RS232/485通訊接口，可采用GSM 和 GPRS模塊進(jìn)行無線通訊，實(shí)現(xiàn)“四遙”功能。還可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方讀取實(shí)時數(shù)據(jù)，上傳并查詢每日整點(diǎn)數(shù)據(jù)、極值數(shù)據(jù)、電容器動作數(shù)據(jù)，可遠(yuǎn)方系統(tǒng)對時；可修改設(shè)定控制器整定值；可遠(yuǎn)方遙控投切電容器組。

6 控制和保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)

6.1 采樣和計算參數(shù)[5]

根據(jù)上述裝置的工作原理，控制采樣電壓為電壓互感器二次側(cè)任意兩相電壓，采樣電流為總進(jìn)線電流互感器二次側(cè)另一非電壓采樣的一相和裝置每一路的相電流。根據(jù)實(shí)際需要一般需精確計算和分析出裝置如表1所示的電氣參數(shù)：

表1

?

6.2 控制策略

根據(jù)要求，可按設(shè)定的時間、設(shè)定的電壓、設(shè)定的功率因數(shù)和設(shè)定的無功功率來投切電容器。設(shè)定重投入時間或門限，保證電容器的投切平滑，在負(fù)荷快速變化時不會頻繁動作；設(shè)定線路閉鎖門限，防止電容器組的故障擴(kuò)大。或者采用多種策略配合使用，來滿足使用條件。控制框圖如圖2所示。

圖2

6.3 監(jiān)視功能

監(jiān)視功能可以判斷裝置是否因電流斷線而報警，電容器任一相斷電報警框圖如圖3。

圖3

還有類似電壓報警、柜體異常報警等，報警原理和電流斷線類似。

6.4 保護(hù)功能

保護(hù)功能主要是針對電容器所做出的各類投切動作，一般包括電流速斷、限時電流速斷、定時限過電流、過電壓、低電壓、不平衡等保護(hù)，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行需要可以靈活的配置成報警和跳閘功能。

如電流速斷保護(hù)是當(dāng)任一相電流大于電流速斷保護(hù)電流設(shè)定值時保護(hù)動作，從故障電流啟動到保護(hù)動作出口的最短時間不大于40 ms。有時為了躲過避雷器的放電時間或電容投入時產(chǎn)生的涌流，電流速斷保護(hù)可以設(shè)置整定延時。動作條件：

1）電流速斷保護(hù)功能使用；

2）任意一相電流大于設(shè)定的電流定值；

3）延時超過設(shè)定的時間。邏輯框圖如圖 4所示。

圖4

各類保護(hù)的邏輯框圖都是根據(jù)實(shí)際需要，對各種參數(shù)進(jìn)行檢測后計算分析得出，邏輯框圖和電流速斷保護(hù)功能類似。

7 數(shù)據(jù)處理功能

由于農(nóng)村電網(wǎng)比較分散，在實(shí)際運(yùn)行過程中不可能隨時有人在每條線路上職守，但有問題或問題何時產(chǎn)生以及產(chǎn)生的原因能及時地反饋到用戶是不得不考慮的問題，這就對運(yùn)行的數(shù)據(jù)收集、處理、通訊等提出了要求。

一般情況下，后臺支持軟件具有正常運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能、事件記錄功能、通訊功能等。

統(tǒng)計功能要求能滿足如表2所示的要求。

事件記錄功能要記錄的事件包括動作次數(shù)，動作對象，動作性質(zhì)（保護(hù)動作、自動投切），動作時電壓、電流、功率因數(shù)、有功功率、無功功率等參數(shù)（電容器組投入和切除各計作一次動作）。

表2

數(shù)據(jù)統(tǒng)計和事件記錄時限一般為最后 90天的時間內(nèi)裝置所發(fā)生的各類數(shù)據(jù)和事件。

8 結(jié)束語

無功補(bǔ)償在電網(wǎng)很多方面都能應(yīng)用得到，其產(chǎn)生的效果在很多文獻(xiàn)中也提及到，實(shí)際應(yīng)用中由于每個工況有其固有的特點(diǎn)而相應(yīng)的產(chǎn)生一系列工程變化。本文詳細(xì)地闡述了無功補(bǔ)償在農(nóng)村電網(wǎng)改造中所應(yīng)具有的技術(shù)特點(diǎn)和技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。在農(nóng)村電網(wǎng)中，根據(jù)上文中所述的特點(diǎn)，要求整套裝置外形尺寸盡可能的小、重量盡可能的輕、自動化程度要求盡可能做到無人值守。故此類裝置每套補(bǔ)償容量比較小，一般不大于600 kVar，但由于數(shù)量眾多，具有就近集中補(bǔ)償，特別適合于供電半徑較長，功率因數(shù)較低的6 kV，10 kV饋線線路。安裝后會使線路功率因數(shù)明顯提高，線損大大下降，同時改善電網(wǎng)的電壓質(zhì)量而得到廣泛的應(yīng)用。

[1]鄭曉奕. 新一輪農(nóng)村電網(wǎng)改造將啟動. 經(jīng)濟(jì)參考報,2010(2).

[2]小釘. 應(yīng)加快農(nóng)村電網(wǎng)改造升級. 2010全國兩會經(jīng)濟(jì)報道, 2010-2.

[3]肖媛. 電網(wǎng)改造工程技術(shù)文件, 2010.

[4]張述志等. 鋼鐵企業(yè)設(shè)計手冊. 北京：冶金工業(yè)出版社.