高壓自動無功補償技術在采油廠配電系統中的應用

趙喜臣（大慶油田電力運維分公司）

采油廠是產能大戶，也是耗能大戶，電能消耗約占采油廠能耗總量的60%左右。加強采油廠配電系統的用能優化管理，提升供電質量，降低用能損耗，實現企業節能減排、安全、可靠、經濟供電運行，是采油廠配電系統一項重要工作內容[1-3]。為了提升部分高壓線路功率因數，采取了靜態無功補償措施，但實際補償效果未達到預期要求，部分高壓線路配電系統的功率因數仍然較低，離電網運行功率因數要求還有一定差距。為此提出了采用高壓自動無功補償技術在采油廠配電系統中應用，并取得良好現場應用效果。

1 某采油廠高壓電網現狀

某采油廠現有6 kV和10 k V高壓配電線路54條，形成了10(6)k V的區域配電網。線路總長560.8 km（其中6 kV線路49條、總長490.6 km，10 k V配電線路5條、總長70.2 km）。目前，部分高壓配電線路功率因數低、線路損耗大、供電電壓質量差。通過開展引進應用高壓自動無功補償技術，以電壓與時間、功率因數與無功功率或電壓與無功功率為控制參數，對高壓配電線路電壓、電流、功率因數和無功功率等電網運行參數進行實時監測，根據其變化，有效、合理地控制并聯電容器組的自動投切，對高壓線路進行無功補償是一件十分有意義的工作[4-5]。

2 自動補償裝置的工作原理及組成

2.1 工作原理

控制器是通過電壓互感器和電流互感器實時檢測線路三相系統中一相電流的二次電流值和另外兩相電壓的二次電壓值，利用專用算法和高性能芯片計算得到相應的實時電壓、電流、無功功率、有功功率以及功率因數等值。控制器根據實時值可采用6種方式自動投切電容器和1種方式手動強制投切電容器，除手動控制方式外，其余5種控制方式（電壓控制方式、無功功率控制方式、時鐘控制方式、電壓時鐘控制方式和無功功率時鐘控制方式）都受高壓保護和失壓的限制，當電壓高于高壓保護定值或低于失壓保護定值時將切除電容器[6-7]。

2.2 組成

高壓無功自動補償裝置主要由柜體、電容器組投切專用真空開關、電流互感器、電壓互感器、避雷器、跌落式熔斷器、電源模塊、控制器、手持控制儀、電容、安裝支架等部分構成。

2.2.1 跌落式熔斷器

戶外跌落式熔斷器對裝置進行短路保護，一旦裝置有短路故障，跌落式熔斷器立即跳開，防止對裝置和線路造成損害。

2.2.2 電容器組投切專用真空開關

在線路無功補償設備中，一般采用線路真空開關來投切電容器。當自動裝置中的真空開關動作頻繁時，則會產生投電容過程中開關的觸頭很快燒壞，切電容過程中開關發生重擊穿現象，從而發生嚴重設備故障。線路真空開關投切線路負荷則沒有這些現象，研究分析產生問題的原因為：一是電容器組投切專用真空開關在投電容時會產生涌流。主要是在電容器投入的瞬間會產生浪涌電流。單獨一組投切電容器的合閘涌流大小取決與系統電源的阻抗和電容器容量的大小，而多組電容器逐級投入時產生的合閘涌流大小取決于投入電容器組間的阻抗，即開關觸頭要承受的電流是額定電流的幾倍或幾十倍甚至幾百倍，形成對開關觸頭的燒壞。二是切電容器時有過壓。在投切電容器時分閘后的瞬間，電容器兩端儲存了一定的能量，若分閘時正處于交流電的正半周或負半周的峰值，分閘后電容器保持的電勢和電網上交流電的峰值疊加在開關觸頭間隙上[8-9]。通常情況下，LC串、并聯電路在分閘的瞬間會產生振蕩，所產生的電壓是幾倍的額定電壓，會加在形狀觸頭間隙上。如果開關的觸頭間隙不夠大，將造成觸頭間隙絕緣耐壓不夠發生重擊穿，甚至會發生第二次、第三次重擊穿或開關發生爆炸等現象不可避免。

根據上述分析，投切電容器真空開關首先觸頭的承受電流要盡量大，觸頭壓力不能太小，否則難以承受合閘涌流的沖擊，以避免對觸頭的燒壞。其次，電容器真空開關觸頭間隙要盡量大，以承受分閘時的過電壓，彈跳小，避免重燃。所以，在選擇無功自動補償裝置投切電容器時不能選用線路型真空斷路器，以避免真空斷路器故障頻繁問題。選用的真空開關是具有特殊設計縱向磁場熄弧結構真空滅弧室的專用真空開關，這種真空開頭具有發熱小、承受電流大、熄弧時間短、壽命長等優點，并通過設計調整分合閘機構，使觸頭的觸頭超行程為3±0.3 mm，確保觸頭壓力大，合閘時間為7.5±0.5 s，能承受合閘涌流的沖擊；分閘時間為0.04±0.1 s，分閘速度快，觸頭行程達到11±1 mm，使觸頭間隙超出線路斷路器9 mm的值，觸頭彈跳時間為小于或等于1.9 ms，彈跳小，達到切除電容器無重擊穿的要求，避免了重燃[10]。

2.2.3 控制器

控制器以FLASH型16位單片機MSP430F149為控制核心，實時監測電網的電壓、電流，并計算出有功、無功、功率因數等，實現無功補償的自動跟蹤和自動投切，并對歷史數據和實時數據存儲，同時以無線方式進行裝置與手持儀的通訊，實現人機交換，提高系統的便捷性和可靠性。控制器由信號轉化電路、數據存儲模塊、通信模塊、投切控制電路模塊等部分組成。

信號轉換電路主要由電流信號放大電路、電平提升電路、濾波電路和互感器信號變換電路等部分組成，其主要作用就是實現弱電信號與強電信號之間的隔離與自由切換。

MSP430F149是控制器的核心，為FLASH型16位單片機，其具有良好的性價比和優越的計算控制力，該單片機主要由12位的A/D轉換器ADC12、16位定時器等部分組成。其中，CPU內核由16位ALU指令控制邏輯和16個寄存器組成，通過應用系統的程序編程設計實現復雜的尋址模式和軟件算法，具有對每個捕獲/比較模塊獨立編程等功能；ADC12可對8個外部模擬信號之一或4個內部電壓之一中進行轉換，具有單通道單次、重復和序列通道單次、重復等轉換模式，具有高速、耐用的特點；而定時器Timer-A和Timer-B具有多種輸出波形和多個捕獲/比較功率等功能，可實現同時進行多個時序控制，也能滿足上述功能的多種組合需求。

投切控制電路輸出節點控制真空開關的分、合閘線圈。JTAG接口采用標準測試接口，便于做片上的在線仿真，固化于FLASH存儲器內的程序易于在線編程、升級和調試。通訊電路實現與手持儀運行數據傳送及控制命令的接收。數據存儲電路主要用于記錄電壓、電流、有功、無功及每次投切操作發生時間和操作前電壓、電流、有功、無功等數據變化。

2.2.4 控制器軟件

針對控制器功能多、控制規律復雜、數據計算量大的特點，控制器軟件采用C語言和匯編語言混合編寫，在一些直接針對硬件的操作中使用匯編語言，而且將期編為單獨文件，使程序模塊化。

控制器MSP430內部集成的12位精度的A/D轉換模塊內置參考電平發生器和采樣保持電路，采樣速率達200 kbit/s，數據采集模塊主要完成所需各項原始數據的采集。控制器對兩個信號進行采樣，對應A/D轉換通道的0、1通道，分別為B、C相的線電壓和A相的相電流。10 k V（6 kV）電網采用三相三線制，且三相基本平衡。當三相負荷平衡時，UA與IA夾角為阻抗角。當C O Sφ接近1時，φ角很小，其測量的分辨率低，為此，將測量φ改為測量IA與線電壓UBC的夾角φ0。由于φ0的角度大，不但分辨率高，且永為正值。φ0與φ的關系的關系如下：

要檢測φ0關鍵在于檢測相電流IA與線電壓UBC上升或下降時的兩個過零的時間間隔，再將該時間轉換成角度值。當相電流IA與線電壓UBC過零時，利用觸發器的翻轉，使MSP430F149單片機響應一次中斷，設兩次中斷的時間間隔為tms，對于50 Hz的正弦交流電，其周期為20 ms，其變化的角度為2π弧度，則φ0角的弧度為：

數據計算包括電流、電壓、視在功率、有功功率、無功功率、功率因數的計算主要由數據計算模塊來完成。

控制模塊主要完成控制系統各種控制操作。控制器通過對電路的電壓判斷、電路的無功功率判斷，做出不同的控制動作。當電路呈感性時，說明此時電壓處于可投區時，啟動10 s延時標志，當觸發軟件定時器時鐘時，主程序呈實時檢測狀態，并比較以前的狀態判斷。通過判斷確定當滿足條件時，由主程序發出指令，作出投電容器或切電容器判斷，并進行投切電容器操作作業。

歷史數據存儲模塊完成各項數據的存儲工作。系統在運行狀況自我監測的同時，對其進行后臺分析，可以用來確定無功補償裝置的性能，分析該線路的實際負荷量及負載變化情況。其中建立數據指針數據區，一部分刷新最近一次的結束頁指針和結束緩沖器的指針所對應的存儲空間中存儲數據，完成歷史數據存儲；另一部分向最新的指針數據所對應的存儲器區間中存儲正點數據，包括數據部分、控制部分、編碼部分和糾錯部分等。

3 現場應用情況

2020年，通過對采油廠54條高壓配電線路的運行分析，確定兩條高壓線路作為高壓自動無功補償技術應用線路，依據電力系統電壓和無功電力技術導則和并聯電容器裝置設計規范，設計固定補償方式的無功補償裝置和動態補償方式的無功補償裝置，計算最優化無功功率補償和補償技術方案，并監視運行。項目選取某采油廠配電網601線和623線開展無功功率技術補償，在高壓配電線路上安裝無功自動補償裝置和固定無功補償裝置。601線和623線開展無功補償前后應用節能統計數據見表1。

表1 601線和623線開展無功補償前后應用節能統計數據Tab.1 Statistical data of energy-saving before and after reactive power compensation for line 601 and line 623

其中在601線高壓配電線上66#桿加裝固定補償裝置200 kVar、20#桿加裝固定補償裝置50 kVar、29#桿加裝固定補償裝置100 k Var、17#桿加裝自動無功補償裝置150 kVar；在623線高壓配電線上149#桿加裝固定補償裝置200 k Var、128#桿加裝固定補償裝置250 k Var、111#桿加裝固定補償裝置150 kVar、88#桿加裝自動無功補償裝置200 k Var。

4 綜合效果評價

1）節電效果明顯。兩條高壓配電線路采用無功補償技術后，線路損耗共減少19.27 k W，則每年可減少線路損耗為168 805.2 k Wh。按每千瓦時電量價格0.632 1元計算，則可產生年節能效益為10.67萬元。

2）提高了高壓配電線路的功率因數。固定補償方式和動態自動無功補償裝置的優化組合應用，通過手持控制儀對高壓自動無功補償裝置進行遙信數據，就可輕松完成高壓線路上無功補償裝置在線運行狀態的有效監控，實現了線路降損和線路功率因數的提升，確保了線路的無功補償效果。通過實施高壓自動無功補償技術，兩條高壓配電線路的功率因數均穩定在0.92以上，減少了線路無功損耗，提升了電網供電質量。

5 結束語

實踐證明，高壓自動無功補償裝置技術先進，性能可靠，智能化程度高，線路的無功補償效果好。它的應用能有效實現線路降損和線路功率因數的提升，功率因數能穩定在0.92以上，是高壓配電線路系統一種節能利器，具良好的推廣應用價值。通過實施高壓自動無功補償技術，實現了線路無功補償裝置運行狀態的自動調整和監控，提升了高壓配電線路的智能化運行水平。