胜利110 kV变电站动态无功补偿改造与分析

李在友

（神华北电胜利能源有限公司，内蒙古锡林浩特026015）

机电与自动化

胜利110 kV变电站动态无功补偿改造与分析

李在友

（神华北电胜利能源有限公司，内蒙古锡林浩特026015）

为了提高胜利110 kV变电站的功率因数，在胜利110 kV变电站加装1套动态无功补偿装置，经过改造后的胜利110 kV变电站，无功消耗降低，系统的功率因数和电压质量满足国家标准，使得整个电网的质量得到了明显的提高，系统运行稳定。

无功补偿；补偿装置；功率因数

1 背景及原理优势

1.1 选题背景

随着经济的高速发展，企业的用电量增多，致使电厂的发电量增加，对煤的需求也增多。现如今的电网结构日趋庞大、复杂，致使整个电网系统无功补偿的需求也在增加。电网对无功补偿的需求也发生了根本变化。从以前的只需要容性无功补偿，发展到不仅需要补偿容性无功，感性无功补偿也需要进行补偿，且要求实现连续可调节。具体表现为：一方面要在用电高峰期能够提供较多的容性无功补偿给整个电力系统，以满足电网的无功需量；另一方面又要具备提供足够感性无功补偿的能力，以平衡消化轻负荷时因电力电缆等设备而带来的容性无功，保证供电系统的电压不致过高[1-3]。

随着大型电力电子装置的广泛使用，谐波污染和电磁干扰问题引起人们越来越多的关注。大量高频开关器件装置的使用，会产生频段很宽的电磁干扰信号，这些电子干扰信号是严重的电磁干扰源，对电力系统的正常运行和设备构成相当大的危害。

胜利110 kV变电站受矿山扩能和大型采矿设备的投入使用影响，也存在上述问题。大功率的非线性负载大幅度增加，整个供电系统在运行过程中，受到的电磁干扰、无功冲击和谐波污染情况也越来越厉害。同时由于大量的感性负荷的存在，而且缺乏有效无功调节手段，电压波动很大，电网线损增加，输电能力降低。造成了母线电压随运行方式的变化很大，使得电力系统电压合格率很低，太重生产的WK-35电铲经常因电压低无故跳闸停机，对安全生产造成了严重的影响。由于电能损耗增加和输配电设备效率降低，致使配电系统运行中消耗大量的无功功率，造成供电系统功率因数低。胜利110 kV变电站的功率因数最低时只有0.65，而变电站功率因数是衡量电力系统经济运行的重要指标,胜利变电站每个月的力率考核电费将近5万元；胜利110 kV变电站现场存在的问题：①35 kV移动变电站无无功补偿装置；②6 kV侧电容器容量不够，且不能自动投切，不能及时补充无功，从而导致胜利110 kV变电站存在电能质量差、功率因素低、无功功率补偿不合理等现状，致使整个电网的供电质量较差。对胜利110 kV变电站无功补偿装置改造，可以很大程度让35 kV和6 kV整个电网中的电压更加稳定，减少电网的无功功率，提高功率因数，使得电网的运行更为安全，推动整个电网的运行质量，电能质量也会得到提升，从而使整个电网运行稳定。

当今，磁控式动态无功补偿装置已在电力系统、煤炭、冶金、化工、电解熔炼、工矿、机场港口公设、光伏发电、风力发电等各行各业中广泛应用[4-6]。随着电力负荷的不断增加，非线性负载对电力系统安全运行的危害越来越大，人们对电能质量的要求越来越高，这就需要开发研究更好的无功补偿设备，以满足企业和用户对电能质量的要求。

1.2 原理及优势

磁控电抗器（MCR）采用直流助磁原理，通过附加直流励磁磁化铁心，来改变铁心磁导率，实现电抗值的连续可调，其内部全静态结构，无运动零件，工作稳定性高，安全可靠。

1.2.1 可靠性

1）从最小容量到最大容量的过渡时间很短，并且通过控制可控硅的控制角进行自动控制，实现容量连续可调，因此可以真正实现柔性补偿。

2）所有绕组的联接很简单，网侧绕组也不需要抽头，保证了高压或特高压磁控电抗器的稳定性和可靠性。

3）磁控电抗器没有外接直流励磁电源，完全由电抗器的内部绕组本身来实现，自动控制，稳定性高。

1.2.2 安全性

1）MCR与TCR相比，MCR仅仅需2只可控硅、1只二极管，并且可控硅两端电压只有系统电压的1%～2%，无需并、串联，且不容易被击穿，运行可靠稳定。

2）可控硅整流控制产生的谐波不流入外交流电力系统，不会产生2次谐波污染。

3）即使二极管或可控硅受到损坏，磁控电抗器也仅相当于1台空载变压器，不会影响整个系统其他设备的正常运行。

4）接入电力三相系统的MCR采用△连接，而不是将磁控电抗器取代滤波电容中的串联电抗器，所以与电容器不会产生谐振；当电容器容量与MCR容量相等时，会发生并联谐振，等效阻抗达到无穷大，相当于MCR从系统中断开。

1.2.3 经济优势

1）磁控电抗器采用低电压可控硅控制，不仅设备投资少，而且后期免维护。

2）磁控电抗器在相同电压下可提高35%的输电容量，大大地降低了输电线路的损耗。

3）磁控电抗器结构简单、占地面积小，并可取消自耦变压器第三绕组和补偿电容器，降低了工程总造价。

4）磁控电抗器自身有功损耗低，比TCR的至少低50%。

2 胜利变电站实际情况

胜利110 kV变电站于2006年11月正式投入使用，站内装设有2台型号都是SSZ9-40000/110的主变压器，容量为40 000 kVA，2台互为备用，一用一备的运行方式；胜利110 kV变电站的变压器为三绕组变压器，110/35/6 kV，即高压绕组电压等级为110 kV，中压绕组电压等级为35 kV，低压绕组电压等级为6 kV；35 kV设有I、II段母线，正常运行母联开关闭合，共带有6座容量均为5 000 kVA移动变电站和2台500 kVA的变压器，胜利110 kV变电站负责给全矿供电，主要是采场的主采设备、地面胶带系统以及生活用电，主采设备由6台WK-35电铲、2台WK-10B电铲、2台EX2500电动液压挖掘机组成，由变电站通过2条35 kV的高压环坑线路送电至采场，经过6台35 kv移动变电站进行降压，变为6 kV电压，再通过高压供电电缆给电铲供电，负荷在20 000 kW；6 kV设有I、II段母线，为地面胶带系统供电，包括破碎站、胶带运输、装车站、储煤场及油库组成，通过12条6 kV架空线路和4条电缆线路供电，负荷在10 000 kW；生活用电主要包括办公用电和锅炉房用电，通过2条6 kV架空线路供电，负荷在3 500 kW。

整个供电系统所需要的无功在4 500 kVar。现在6 kV I、II段母线上各投运有1套容量为325 kVar的分组投切型补偿装置，由于补偿容量较小，无法满足供电系统的需求，胜利110 kV变电站月平均功率因数较低，月平均功率因数在0.83左右，不能满足电力系统的考核要求，电力部门每月都要考核很多的力率电费，每月近5万元；同时供电系统运行电压波动较大，设备经常因电压波动造成非正常停机现象[7-8]。

3 整改方案

3.1 方案设计

根据胜利110 kV变电站的相关数据研究分析，对比了各厂家的无功补偿装置方案，最终选定在35 kV母线装设1套容量为6 000 kVar的MSVC型动态补偿装置，提高供电系统的功率因数和改善电能质量。由于露天矿负荷的特性，有时负荷小的时候无功需求很小，因此配备的磁控电抗器容量必须能完全吸收所有电容器组投入系统时的容性无功。35 kV侧无功补偿一次原理图如图1。

通过数据分析，同时在6 kV侧装设1套总容量为6 000 kVar的MSVC型动态补偿装置来满足工况的需要，以保证功率因数稳定在0.97以上，提高功率因数，改善电能质量。由于露天矿负荷的特性，有时负荷小的时候无功需求很小，因此配备的磁控电抗器容量必须能完全吸收所有电容器组投入系统时的容性无功。正常运行时2组3 000 kVar的电容器组均投入运行，配一台容量为5 000 kVar的磁控电抗器，以实现补偿容量连续平滑可调。6 kV侧无功补偿一次原理如图2。

图1 35kV侧无功补偿一次原理

3.2 控制方式

本方案使用的控制器型号为YMB3型，动态无功补偿控制装置安装在2楼主控制室内，通过采集考核点电压和电流计算功率因数，及所需的感性无功情况，并快速控制磁控电抗器，动态输出感性无功功率，以满足整个电力系统的需求。控制装置通过采集磁控电抗器的电压和电流信号，实现无功功率的闭环调节，可同时采集两段母线的电压和电流，最多可同时控制2台磁控。控制装置具有报警输出功能、“四遥”功能，且可以通过RS485通信接口，将所有实时数据传递至后台，实现控制状态的实施监控。装置具有故障记录和电能参数实时波形显示功能，可对故障参数进行记录及查询。

3.3 无功系统保护功能

采用了北京清华紫光生产的eDCAP-605A电容器保护测控装置，保护装置稳定可靠。此型号的电容器保护测控装置可适用于各种补偿电容器组的保护和测控；并支持IEC61850站控层通讯协议、支持通过GOOSE网络发布和订阅变电站事件的查询。装置的整体构成框如图3。

图3 保护装置原理

3.4 改造前后的效果对比

通过安装MSVC型动态无功补偿装置，胜利110 kV变电站电能质量得到明显改善，功率因数明显提高，具体实例如下：

3.4.1 改造后功率因数和电压运行情况

改造后6 kV侧运行电压6.2 kV，功率因数为1.00；改造后35 kV侧运行电压36.4 kV,功率因数0.98。满足设计要求。

3.4.2 改造前后功率因数和力率电费情况

改造前后有功功率和无功功率消耗情况以及对应的功率因数和力率电费情况见表1、表2。

表1 改造前4个月电量消耗及功率因数情况

表2 改造后4个月电量消耗及功率因数情况

通过表1和表2，对比改造前和改造后4个月的功率因数和力率电费情况，可以看出改造后功率因数提高了，力率电费降低了（负数为奖励的金额），达到设计要求。

3.4.3 改造前后无功功率对比情况

无功补偿装置投入运行前，所需无功从400 kVar到4 500 kVar，投入运行后所需无功从200 kVar到800 kVar，而且无功变化范围较小，保证了系统的稳定性。

4 结语

经过改造后的胜利110 kV变电站，无功功率消耗降低，系统的功率因数和电压质量完全满足国家标准，降低了力率电费，使得整个电网的质量得到了明显的提高，从而使整个系统运行稳定。

［1］刘锐力．变电站无功补偿技术探讨［J］．机电信息，2011（14）：10-13.

［2］林瑞宗.500 kV福州变电站无功补偿技术的若干问题［J］．福建电力与电工，2003（1）：10-13.

［3］周佃民，李凯，李关定．无功补偿技术在宝钢供配电系统的应用［J］．电力需求侧管理，2012（1）：21-25.

［4］张建平．浅谈无功补偿技术在电气自动化中的应用［J］．机电信息，2012（6）：8-15.

［5］班正超.变电站动态无功补偿技术的探讨［J］．民营科技，2012（6）：39.

［6］戴晓亮．无功补偿技术在配电网中的应用［J］．电网技术，2009，23（6）：11-14.

［7］栗春，姜齐荣，王仲鸿．电压控制系统性能分析［J］．中国电机工程学报，2000，20（8）：46-50.

［8］周佃民，李凯，李关定.无功补偿技术在宝钢供配电系统的应用［J］．电力需求侧管理，2010（1）．

【责任编辑：张东旭】

Transformation and analysis of dynamic reactive power compensation in 110 kV substation

LI Zaiyou
(Shenhua Beidian Shengli Energy Co.,Ltd.,Xilinhaote 026015,China)

In order to improve the power factor of Shengli 110 kV substation,the company retrofits a set of dynamic reactive power compensation device in 110 kV substation.110 kV substation after the transformation,the reactive power consumption reduces, power factor and voltage quality of system meet the national standard,which make the quality of the power grid improved and the operation of the whole system stable.

reactive power compensation;compensation device;power factor

TD613

B

1671－9816（2017）02－0057－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.02.016

李在友.胜利110 kV变电站动态无功补偿改造与分析［J］.露天采矿技术，2017，32（2）：57-60.

2016-08-13

李在友（1981—），男，汉族，山东潍坊人，工程师，2006年毕业于太原理工大学电气及自动化专业，现任神华北电胜利能源有限公司胜利露天煤矿采掘队队长。