攀煤變電站無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題研究與應(yīng)用

王金柱，蔡 友

（川煤（集團(tuán)）華榮能源公司水電分公司，四川攀枝花 617000）

1 攀煤電網(wǎng)使用并聯(lián)電容器補(bǔ)償方式的原因

攀煤電網(wǎng)補(bǔ)償主要是在6 kV 母線上并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償裝置，并結(jié)合攀煤電網(wǎng)的線路長(zhǎng)、變壓器較多的特點(diǎn)。使用這種功率補(bǔ)償控制模式的優(yōu)點(diǎn)主要在于運(yùn)行中通過(guò)并聯(lián)開(kāi)關(guān)電容器的一個(gè)容性輸入電流驅(qū)動(dòng)可以直接抵消一個(gè)感性驅(qū)動(dòng)電流，使得信號(hào)傳輸器與控制元件如電源變壓器、線路中相對(duì)無(wú)功功率大幅度減小，不僅可以大大降低設(shè)備由線路下載的系統(tǒng)功率損耗，還大大減少了系統(tǒng)電壓的損耗，提高系統(tǒng)功率因數(shù)。因此，直接采用三相并聯(lián)電容器對(duì)各級(jí)動(dòng)力電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功電流補(bǔ)償技術(shù)，是目前國(guó)際電力系統(tǒng)中最廣泛的一種技術(shù)應(yīng)用。

2 攀煤電網(wǎng)系統(tǒng)選用SVG+FC 無(wú)功補(bǔ)償方式的理由

攀煤礦山企業(yè)屬于煤礦供電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，絕大多數(shù)礦山設(shè)備運(yùn)行都需要消耗無(wú)功功率。例如：煤礦使用的風(fēng)力通風(fēng)機(jī)、壓風(fēng)機(jī)，水廠等企事業(yè)單位使用的電機(jī)、電力專用變壓器、電焊機(jī)等。這些電力設(shè)備不但需要從電力系統(tǒng)中吸收有功，還需要從電網(wǎng)下載一定量的無(wú)功，以達(dá)到便于產(chǎn)生這些電力設(shè)備正常工作運(yùn)行所必須的交變電磁場(chǎng)。這就需要一種能夠提供固定補(bǔ)償無(wú)功的FC，及能夠隨著負(fù)荷不斷變化而提高或者減少無(wú)功輸出的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償SVG。這種補(bǔ)償方式是根據(jù)攀煤供電系統(tǒng)的特點(diǎn)而選擇的。該系統(tǒng)在投入運(yùn)行后，總是出現(xiàn)一些問(wèn)題，如功率因數(shù)在后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)中顯示過(guò)低等，但是FC 和SVG 都投入運(yùn)行不可能出現(xiàn)這種情況。這種特殊情況的出現(xiàn)會(huì)給公司帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)損失，因?yàn)槿绻娏Σ块T在輸送有功功率一定的條件下，無(wú)功功率的增大，可能降低整個(gè)供電系統(tǒng)的功率損失。我國(guó)電力部門要求企業(yè)在進(jìn)一步提高其自然功率損失因數(shù)的前提和基礎(chǔ)上，合理地裝置各種無(wú)功補(bǔ)償器件，使企業(yè)的功率損失因數(shù)能夠達(dá)到0.9 以上。

3 利用電壓與電流的相位差處理問(wèn)題

在三相四線制供電系統(tǒng)中，三項(xiàng)電流之間的相位差?yuàn)A角為120°，三相電流之間的相位差?yuàn)A角為120°，相電流與電壓之間夾角的相位差的余弦值就是功率因數(shù)。當(dāng)電流相位超前于電壓時(shí)系統(tǒng)呈現(xiàn)容性負(fù)載，當(dāng)電流相位滯后于電壓時(shí)則呈現(xiàn)感性負(fù)載。利用這個(gè)相位原理來(lái)分析處理實(shí)際遇到的問(wèn)題（圖1）。

圖1 電壓與電流向量圖

4 攀煤電網(wǎng)投入運(yùn)行以來(lái)出現(xiàn)的問(wèn)題及分析

4.1 電網(wǎng)監(jiān)控后臺(tái)和微機(jī)保護(hù)裝置功率因數(shù)顯示不正確

分析：二次接線錯(cuò)誤導(dǎo)致。繼電保護(hù)裝置功率因數(shù)的計(jì)算是由電壓互感器二次側(cè)的電壓和電流互感器二次電流的采樣計(jì)算而來(lái)。在安裝過(guò)程中，從微機(jī)保護(hù)控制柜到電流、電壓互感器柜的需要用電纜連接，由于安裝人的技術(shù)水平和責(zé)任心不強(qiáng)，導(dǎo)致二次線接線出現(xiàn)錯(cuò)誤。這種情況造成功率因數(shù)顯示不正確和影響計(jì)量結(jié)果。

（1）相序混亂。例如：根據(jù)保護(hù)裝置出現(xiàn)的情況可得電壓的角度UA=0°、UB=240°、UC=120°，電流的角度IA=210°、IB=90°、IC=330°。根據(jù)以上條件畫出相位圖，可知A、B、C 三相的電壓與電流不在同一個(gè)相序上，電壓相序恒定不變時(shí)，A 相電流接在B相電流上，B 相電流接在C 相電流上，C 相電流接在A 相電流上。正確的相位是UA超前IA相位角為14°，功率因數(shù)為cos14°=0.97。

（2）極性相反。錯(cuò)誤原因有：①電流互感器的一次線接反；②電壓互感器的一次線或者二次線接反；③從設(shè)備到裝置的二次電纜接線錯(cuò)誤；④設(shè)備的二次采樣電流、電壓互感器接反。

（3）極性和相序都錯(cuò)誤。當(dāng)出現(xiàn)A、B、C 三相電流的相序錯(cuò)誤，極性也錯(cuò)誤，最好的調(diào)整方法是先調(diào)整相序，再調(diào)整極性。在整變電站系統(tǒng)測(cè)試中，試驗(yàn)人員往往在試驗(yàn)過(guò)程中只重視保護(hù)二次線而不檢查測(cè)量二次線的接線情況，導(dǎo)致接線錯(cuò)誤，給變電站計(jì)量工作和監(jiān)控造成很大的損失和影響。

4.2 功率因數(shù)出現(xiàn)很小值的情況

分析：由于容性無(wú)功補(bǔ)償不夠?qū)е隆ｋ娋W(wǎng)在運(yùn)行中，投入的感性設(shè)備較多，設(shè)備需要的無(wú)功比較大時(shí)，由于某些原因?qū)е码娋W(wǎng)提供的無(wú)功和電容器提供的無(wú)功較少，導(dǎo)致功率因數(shù)較小。根據(jù)電壓電流相位角判斷，當(dāng)電壓與電流功率因數(shù)角度為69°時(shí)，功率因數(shù)cos69°=0.36。或者是系統(tǒng)為感性負(fù)載時(shí)，電流超前電壓，系統(tǒng)呈感性，需要容性無(wú)功與之抵消，但容性無(wú)功不足。由公式可得，當(dāng)線路提供是容性無(wú)功不足時(shí)，線路需要的總無(wú)功較大，由公式cosΦ=P/S、S2=P2+Q2，無(wú)功Q 較大，視在功率較大，P不變時(shí)，功率因數(shù)較小。

4.3 系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)償情況判斷

分析：線路提供的容性無(wú)功過(guò)多超過(guò)了系統(tǒng)所需要的感性無(wú)功。當(dāng)系統(tǒng)所補(bǔ)償?shù)娜菪詿o(wú)功超過(guò)了感性無(wú)功時(shí)，由公式（總無(wú)功=感性無(wú)功-容性無(wú)功）可知，總無(wú)功為負(fù)數(shù)，根據(jù)相位圖，當(dāng)電流超前電壓時(shí)，系統(tǒng)呈容性，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)向線路反送無(wú)功，造成變壓器和線路的負(fù)擔(dān)和經(jīng)濟(jì)損失。

根據(jù)電流與電壓的相位關(guān)系可知，電壓與電流無(wú)限接近時(shí)功率因數(shù)才達(dá)到要求值，如果系統(tǒng)所需要的感性無(wú)功與系統(tǒng)提供的容性無(wú)功相等，也就是電壓與電流相位角為0°時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的功率因數(shù)將達(dá)到1（理想狀態(tài)下，現(xiàn)實(shí)中不可能完全相等）。但是隨著用電負(fù)荷的不斷變化，系統(tǒng)所需要的感性無(wú)功也在不斷變化，這種情況下就需要一種能夠隨時(shí)提供變化的無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)，也就是公司現(xiàn)在所用的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償SVG 系統(tǒng)。但是當(dāng)系統(tǒng)在最低負(fù)荷情況下所需的感性無(wú)功小于FC 電容補(bǔ)償時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)現(xiàn)象。

4.4 變壓器低壓側(cè)柜電流與各配出柜電流之和不相等

分析：造成這種情況的原因是由于6 kV 母線并聯(lián)電容補(bǔ)償系統(tǒng)。6 kV 進(jìn)線柜中的電流分為有功電流和無(wú)功電流，該無(wú)功電流由發(fā)電廠提供。當(dāng)6 kV 系統(tǒng)向線路下載的無(wú)功為0 時(shí)，該進(jìn)線的功率因數(shù)達(dá)到1。剩余的無(wú)功是由并聯(lián)電容器通過(guò)6 kV母線直接補(bǔ)償?shù)礁鱾€(gè)配出柜，不經(jīng)過(guò)變壓器低壓側(cè)柜，因此會(huì)出現(xiàn)變壓器低壓側(cè)電流低于各配出柜電流之和。

5 實(shí)際運(yùn)用

基于上述情況，本公司繼電班的維護(hù)人員與計(jì)量部門配合，先在保護(hù)裝置查看三相電流的角度與三相電壓的角度。利用上述知識(shí)對(duì)圖形進(jìn)行分析，確定是由哪一種情況引起的，根據(jù)問(wèn)題調(diào)整電流電壓二次進(jìn)行的位置或方向，或者改變保護(hù)裝置后面電壓電流線的方向，或位置調(diào)整完后檢查保護(hù)裝置界面的有功、無(wú)功、功率因數(shù)是否正常，最后系統(tǒng)后臺(tái)界面顯示是否正確。對(duì)每個(gè)變電站的高峰期負(fù)荷和用電低峰負(fù)荷進(jìn)行分析，確定了無(wú)功功率的補(bǔ)償值的大小，使整個(gè)變電系統(tǒng)能夠良好運(yùn)行，同時(shí)也避免了電力部門的罰款。

6 使用的依據(jù)及創(chuàng)新

該創(chuàng)新方法提出的理論依據(jù)是電壓與電流的相位差的余弦值為功率因數(shù)，在電力系統(tǒng)電壓超前電流為感性負(fù)載，電壓滯后電流為容性負(fù)載。該方法處理無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題尚屬首次。這是基于多年的工作經(jīng)驗(yàn)和理論提出的一種創(chuàng)新方法，是實(shí)踐與理論很好結(jié)合的產(chǎn)物。對(duì)在以后的工作中解決實(shí)際問(wèn)題提供了參考資料和培訓(xùn)的依據(jù)。利用電壓與電流相位差的方法處理35 kV 變電站的功率因數(shù)問(wèn)題，間接避免了電力部門的罰款。同時(shí)，利用分析相位，對(duì)公司計(jì)量出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行整改，防止了電量的丟失，減少了單位損失。該研究報(bào)告書對(duì)無(wú)功補(bǔ)償在應(yīng)用實(shí)踐中出現(xiàn)的問(wèn)題提出了新的處理方法。該方法不需要借助任何儀器，而利用變電站內(nèi)資源對(duì)問(wèn)題進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)分析，為實(shí)際工作處理提供了依據(jù)，同時(shí)也可作為培訓(xùn)作業(yè)人員很好的教材。

7 結(jié)束語(yǔ)

電容無(wú)功補(bǔ)償在整個(gè)變配電系統(tǒng)屬于專業(yè)知識(shí)比較強(qiáng)的項(xiàng)目，很多工作人員在處理電容補(bǔ)償問(wèn)題時(shí)易無(wú)從下手，不知道如何分析問(wèn)題的故障點(diǎn)和采取何種措施解決問(wèn)題，希望本文能提供一些有益的信息，找到學(xué)習(xí)電容無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆椒ā?/p>