水布垭水电站工程施工供电系统功率因数改善方法研究

李 莉，徐金雄，张双平

水布垭水利枢纽工程是当今世界上最高的面板堆石坝，电站装机容量为184万kW，该工程的施工供电系统设计容量为25000kWA，施工总用电量为4亿 kWh，供电系统由两回110 kV线路供电，主供电源为长93km的110kV长水线，备供电源为长17km的红水线。水布垭10kV施工变电所 （终端变电所）布置了两台12500kVA的变压器、十二回10kV出线和四组无功电容补偿装置 （4×1200 kvar）。110kV施工变电所由当时刚建成的110kV备用线（红水线）供电，变电所投运之初，由于工区的用电负荷较小，且均为感应式的交流电机负荷。鉴于建筑施工的特殊性，其用电负荷变化很大。所以，施工配电变压器的备用容量较大，大马拉小车的现象较为严重，致使工区用电负荷的自然功率因数在0.7～0.75之间（平均功率因数为0.725）。根据电力系统 “无功功率就地平衡，用电负荷的功率因数必须在0.9以上”的原则，于是在110kV施工变电所内采取无功电容补偿，使主变压器10kV侧的功率因数超过0.9，从而使红水线电源端的功率因数达到了0.9。

1 现状分析

2001年12月底，110kV主供电线路—长水线建成并投入运行，同时将备供线路—110kV红水线空载，使其处于热备用状态。而水布垭110kV施工变电所仍采用无功补偿的方式使终端的功率因数超过0.9以上。然而长水线电源端的功率因数却截然相反，具体对照表见表1。

从表中的数据分析得知：终端的功率因数越高，而电源端的功率因数越低，平均电价也越高，有功损耗也越大。反之，当终端的功率因数越低，电源端的功率因数就越高，有功损耗也就越小。对空载中的110kV红水线抄表纪录见表2。

根据上述情况，我们首先要弄清计量方式是否合理或者说弄清计量装置有无问题，再弄清110kV线路无功功率的性质—即是感性无功还是容性无功，并分析产生无功的原因，然后研究消除无功的方法。

2 无功产生原因分析

1）首先查清计量方式和表计的问题（先从空载中的红水线入手）

红水线电源端的计量表计量准确级为0.2级，无功计量方式为感性无功与容性无功绝对值之和。根据以往电网的有功损耗进行分析，有功计量方式是正确的，这说明电能表的接线是正确的，也说明无功计量是正确的。专门计量人员到110kV红耀变电所进行全天候抄表所得数据分析为：白天无功功率为537kvar，夜间的无功功率为643kvar，白天和夜间的综合平均无功功率为600kvar。而从元月份至六月份对空载的红水线情况看，其空载月平均无功功率为579kvar，这说明输电线路中的无功功率与空气的湿度有关。

表1 水布垭工程长水线电源端的功率因数对照表

表2 水布垭工程空载中的红水线抄表纪录

线路电抗 Xd=0.1445lg（Dd/r）Ω（Dd为导线几何均距，r为导线的等值半径），输电线路电容为 C=0.024×10-6/3lg（Hpj/r）F（Hpj为导线对地镜像距离，r为导线的等值半径），由于输电线路导线的几何均距和对地的镜像距离无法测量和计算，因此，输电线路的电抗和电容也无法准确计算。根据有关资料提供的经验数据得知：110kV线路的充电无功功率为3400kvar/hkm，LGJ-150导线的电抗为0.4Ω/km，而且线路的感性无功功率与线路中负荷电流的平方成正比。输电线在空载时显容性，在大负荷状态下呈感性。由于110kV红水线处于空载备用状态，其负荷电流几乎为零，因此线路中只有充电无功功率，没有感性无功功率存在。根据经验计算方法可得出红水线的充电功率为：3400kvar/h·km×0.17h·km=578kvar， 与计量表的计量数基本一致。

2）对110kV长水线进行现场测试：

空载状态下仪表读数为：Ia=Ic=15.7A；ΣP=4.62kW； ΣQ=-3169.32kvar； ΣS=3168kVA。

图1 空载状态相量图

相量图如图1所示。从图1中可以看出：A、B相的电流比相应的相电压超前90°。根据经验计算法可知空载线路上的充电容性无功功率Qc=3400kvar/h·km×0.93h·km=3162kvar。由于线路上的电感几乎是沿线均匀分布，而容性电流却是逐渐减少，因此可以将电感考虑为集中元件挂接于线路的中部，其值为线路的总电抗。流过电感元件的电流为电源端的二分之一，线路中的感性无功功率为：QL=3XdI2×10-3=7.14kvar。

根据以上计算，空载线路上的充电无功功率为：Q=Qc-QL=3162-7.14=3154.9kvar。其值与实际测试值 (3169.32 kvar)相吻合。负载状态下仪表数据：Ia=Ic=15.7A；ΣP=2782.56kW；ΣQ=484.44kvar； ΣS=2904kVA； cos准=0.958(16.7°)。

图2 负荷状态相量图

相量图如图2所示。从图2中可以看出：A、B相的电流比相应的相电压超前16.7°。这说明尽管负荷有2782.56KW的有功功率，但线路仍显容性。

负荷端-水布垭变电所的功率因数cos准2取0.725，则准2=43.53°，负荷端的感应无功功率为：

QL2=tg准2·P=2643.4 kvar

线路上感性无功功率为：

QL1=3XdI2×10-3=25kvar

线路上和负荷端的感性感无功和为：

QL=QL1+QL2=2643.4+25=2668.4kvar

线路电源端总无功功率为：

Q=Qc-QL=3400×0.93－2668.4=493.6kvar

从以上计算可知：负载情况下的无功功率493.6kvar与实际测试值484.4kvar基本相符。要使线路电源端的容性无功与感性无功相平衡，在水布垭变电所自然功率因数下，负荷电流必须达到：

线路上感性无功QL1+负荷感性无功QL2=电路的充电无功QC。即：

解得：I≈23.7A

故水布垭变电所在自然功率因数情况下运行，当长水线负荷电流达到或超过23.7A时才能开始加投无功电容补偿。而在2002年元月份至七月份，运行人员没有考虑到线路上的充电无功功率，片面地注重了终端的功率因数而加投无功电容补偿装置形成过补偿，使线路电源端的容性无功功率过量得越大，从而使计量点的功率因数下降越厉害，同时也增加了输电线路的电流，使输电线路的有功损耗也越大。同样可计算出由红水线供电，当变电所的负荷电流达到或越过4.4A时，就应该投入无功补偿装置。

3 无功补偿方案实施

根据以上的分析计算，得出长水线功率因数低的原因是由于水布垭变电所的过补偿原因所造成，而计量装置并没有问题，针对上述原因，在2002年八、九月份，水布垭变电所将无功补偿装置退出运行，完全在自然功率因数下运行，虽然水布垭变电所侧的功率因数只有0.725左右，然而长水线电源端的功率因数却达到了0.94和0.98，有功损耗降至1.5%和1.3%，平均每度电比前几个月下降0.045元，再加上损耗的降低，则每度电节约0.05元，若水布垭工程扣除2002年八月份以前所消耗的电量三千万，则功率因数的解决节约成本0.185亿元。

4 结论

通过对水布垭水电站工程施工供电系统的分析和研究，采取终端变电所低功率因数运行的方式，增大终端的感应无功功率，以冲减输电线路的充电无功功率，从而可以有效提高供电系统的功率因数，减少了输电线路的有功损耗，为工程建设节约了成本。

[1]尹克宁．电力工程[M]．北京：水利电力出版社，1987．

[2]工厂配电设计手册[M].水利电力出版社，1983．

[3]赵云花.无功补偿提高功率因数的节能与降耗浅析[J].科技信息，2011，32（5）：25-29．

[4]詹学磊，陈涛，杨勇．湖北省节能调度重在“水火互济”[J]．电力企业管理，2007，26（5）：70-74．

[5]周文涛.浅谈提高功率因数的意义及途径[J].科技咨询，2010，30（3）：58-51．