中压快拆快装无功补偿装置应用及效果分析

陈炜炜， 王 磊， 詹跃东， 杜迎虎

(1.昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500；2.云南电力试验研究院(集团)有限公司，云南 昆明 650200；3.西安森宝电气工程有限公司，陕西 西安 710119)

0 引言

目前，我国的配网供电网络，普遍存在线路传输的无功功率过高导致功率因数较低的问题，从而导致电网线损较大。无功补偿技术的出现，解决了上述问题给各行各业带来的不便。将无功补偿运用到配电供电网络中，可以稳定电压，不会出现较大的波动；可以提高功率因数，从而解决电网线损较大的问题；可以平衡三相功率，进一步能够提高系统运行的安全性，使之不会因功率不平衡而导致大面积停电事故、电压崩溃等问题的发生。近些年来，无论是现代工业还是电力工业，对电能质量的要求日益提高[1]，而其发展给电网带来了巨大的无功负荷，使功率因数降低，线损变大，电压出现不平衡状态且波动较大。

无功补偿技术最早出现在高电压技术领域，在高压侧使用并联电容器等无功补偿装置进行集中补偿。并联电容器因其补偿性能优越，现在仍是工程师所青睐的无功补偿装置之一。并联电容器的主体部分一直未曾改变，只是控制器随着科技的进步日益更新。与并联电容器同时出现的还有一种同步补偿器，其应用原理是依靠励磁电流来改变无功电流，但因其成本过高，维护困难的缺点，应用范围并没有并联电容器广[3]。随着无功补偿技术的发展，出现了有载调压变压器和静电电容器，这两种无功补偿装置的共同缺点是无法实现实时无功补偿，需人工手动调节，给技术人员带来诸多不便。因此，本文主要使用无功补偿装置，降低功率因数，提高电压稳定性，以防止功率因数过低，电压崩溃的现象发生[4]。

本文开发了一套中压配电网快拆快装无功补偿装置，装置内部元件采用模块化设计，采用该无功补偿装置运行维护人员可以快速地对装置及内部元件模块进行带电拆装作业，做到无功补偿就地按需配置，随用随装、随坏随换。当负荷特性、电源特性以及网架结构等发生变化，根据需求随拆随装，既满足了无功补偿要求、电压合格的需求，同时又提高了装置的利用率，节约了投入资金。

1 无功补偿原理及意义

为提高线路平均功率因数，常用电容器进行无功补偿，如公式(1)所示。

Qc=P(tanφ1-tanφ2)=

(1)

式中：线路用电负荷平均有功功率为P，补偿前的功率因数为cosφ1，补偿后的功率因数为cosφ2，补偿前的功率因数角为tanφ1，补偿前的功率因数角为tanφ2，电容器的安装容量为Qc。

在工程实践中，无功补偿要求需要将cosφ1提高到cosφ2左右，补偿容量为计算值取整即可。

在某一额定电压下，有功功率恒定不变，由于功率因数变化，其线路损耗发生变化。全国线路损耗约占12%，其中主要是由无功分量引起的损耗，若无功线损降低50%～60%，一年便可节电500亿kW·h左右[5]。线损率的计算公式如公式(2)所示。

(2)

无功补偿前的功率因数定义为cosθ，无功补偿后的功率因数定义为cosφ。由于cosφ>cosθ，即无功补偿后的功率因数大于无功补偿前的功率因数，功率因数提高，致使线损率下降[6]。

无功功率与有功功率相比，前者对电压损耗的影响较大，因此，在配电供电网络中，无功功率在电压损耗方面占据了主导因素。线路的电抗随着线路的位置而改变，因此合理安装无功补偿装置可以更好地改善电能质量[7]。

2 快拆快装无功补偿装置的研制

目前，10 kV线路无功补偿装置较为成熟的是箱式一体化结构。但是，该装置难以应用于处于偏远山区的云南西双版纳地区。为了满足西双版纳无功补偿装置项目设备带电作业快速安装及拆除、且便于更换元器件的要求，项目研制的中压快装快拆无功补偿装置必须具备质量轻、体积小，且为分体式结构的特点[8～11]。在已成熟的箱式一体化结构研究改进的基础上，确定其结构主要包含开关电源单元、电容器单元、控制单元、电流采样单元和其他附件五部分[12～17]。

开关电源单元选择一种新型户外投切电容器开关，并将保护CT集成于开关上，电源PT另置，该单元体积更小、重量更轻、更加便于运输和安装。新型户外投切电容器开关，其型号定为FZW18-400/12。

电容器单元是将电容器外置，以便于电容器安装、增减容量等。外置电容器可实现动静结合补偿方式，容量可在50 kVar～600 kVar范围内进行调整，满足灵活化、精细化补偿。

为了满足快拆快装无功补偿装置补偿容量可调整性要求，中压快拆快装无功补偿装置控制器的控制策略必须能随着设备补偿容量的变化而做相应的调整，以实现新的补偿容量及补偿方式下的最优控制的目标。电流采样单元采用户外穿心式电流互感器，型号为LMZW7-10Q，采集线路电流，准确度不低于0.5级，变比为300/5，额定输出10 VA。

3 无功补偿装置调试分析

3.1 线路概况

西双版纳供电局配电网所辖10 kV勐腊线，线路长度69.35 km，主干线型号为LGJ-120、LGJ-70，支线多为LGJ-50和LGJ-35。线路共有55台配变，配变总容量6 885 kVA，其中，专变35台，容量5 830 kVA，公变20台，容量1 055 kVA。10 kV勐腊线线路存在无功补偿不合理，功率因数低、线损大的问题。在10 kV勐腊线开展中压快拆快装无功补偿装置的开发与应用项目，可实现该线路无功补偿合理分布与无功就地平衡，提高功率因数，降低线损。

勐腊线37#杆处。额定补偿容量 200 kVar；补偿方式：两模块；现场情况：电杆为水泥电杆190×12，导线为LGJ-120钢芯铝绞线，现场为双杆架线。

勐腊线66#杆处。额定补偿容量 200 kVar；补偿方式：两模块；现场情况：电杆为水泥电杆190×12，导线为LGJ-120钢芯铝绞线，现场为双杆架线。

勐腊线133#杆处。额定补偿容量 200 kVar；补偿方式：两模块；现场情况：电杆为水泥电杆190×12,导线为LGJ-70钢芯铝绞线,现场为双杆架线。

3.2 仿真分析

根据该线路10 kV勐腊线单线图，搭建潮流分析模型[18，19]，根据线路负荷运行情况设置电气参数，并用ETAP软件进行潮流计算。装置投运前潮流分析结果如图1所示。

经过理论及仿真分析并通过现场调研，在所研究的10 kV勐腊线37#杆、66#杆及133#杆分别安装3套容量均为200 kVar自适应中压快拆快装无功补偿设备。装置投运后潮流仿真结果如图2所示。

图1 装置投运前潮流计算仿真结果图

仿真分析结果与后台系统软件监测线路变电站出口、37#杆、66#杆及133#杆功率因数数据对比如表1所示。

表1 10 kV勐腊线各节点功率因数前后对比

图2 装置投运后潮流计算仿真结果图

由表1可以看出，线路变电站出口功率因数提高至0.951，37#杆、66#杆及133#杆塔处功率因数均高于0.95，装置投运后线路无功补偿的实施效果与仿真结果基本一致，由此可知10 kV勐腊线线路达到无功补偿目标。

3.3 实例分析

3.3.1 装置投运前监测数据及分析

以西双版纳供电局配电网所辖10 kV勐腊线工程37#杆为例，选取时间为2017年10月11日—2017年10月13日，00:00-24:00的数据(由于装置于10月11日14:00以后投运使用，并未记录00:00-14:00的数据)。图3为3天的功率因数走势折线图。

图3 2017.10.11～2017.10.13功率因数

根据国家标准，高压用户的功率因数应达到0.9以上，低压用户的功率因数应达到0.85以上。鉴于电力生产的特点，用户用电功率因数的高低，对发、供、用电设备的充分利用，节约电能和改善电压质量有着重要影响。提高用户的功率因数并保持均衡可以提高供用电双方和社会经济效益[20]，根据文献[21]可参考功率因数的标准值及使用范围。

由图4所示折线图走势及表2数据分析表可以看出，装置未投运前功率因数波动较大，且大多数时间段功率因数值均未达到标准值0.85以上，无法满足电力生产水平，影响正常电力生产和生活。

图4 2017.10.20～2018.1.23功率因数

时间最大值时刻最小值时刻平均值是否达标2017.10.110.9017∶35∶320.6823∶35∶440.83否2017.10.120.9407∶25∶520.6104∶25∶470.78否2017.10.130.9920∶47∶490.6301∶55∶470.82否

功率因数过低，会产生无功功率，相应的电流在电力线上传输，会造成发热损耗，产生电压降，增加供电线路的损耗，降低了电压质量[22]。

功率因数过低且波动大的原因主要归结为以下3点：

(1)西双版纳地区多为山区，地势复杂，配网供电网络接线较为简单，供电半径长，结构薄弱，季节变化较为明显，负荷随季节变化上下波动，造成功率因数低，线损率高；

(2)经济发展相对落后，计量设备更换不到位，大量淘汰计量设备的超期运行造成计量不准；变电设备的负载率过低，并没有配置相应的电容补偿设备；

(3)大量采用感应电动机或其他各种电感性用电设备，如电焊机，感应电炉等，且电感性的用电设备配套不合适或使用不合理，造成用电设备长期轻载或空载运行，造成功率因数低。

3.3.2 装置投运后监测数据及分析

由图4所示折线图走势及表3数据分析表可以看出，装置投运后功率因数波动较小，尤其以2017年12月22日折线图走势较为明显，4日功率因数平均值均达到标准值0.85以上，最大值达到0.99，大多数时间段功率因数值均在0.80～0.99之间，满足电力生产水平。

表3 装置投运后功率因数数据分析

3.3.3 装置投运前后数据对比

根据无功补偿的定义可知，在电网中安装无功补偿设备以后，可以提供感性电抗所消耗的无功功率，减少了电网电源向感性负荷提供由线路输送的无功功率，减少无功功率在电网中的流动，因此可以降低线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗[23，24]。

以西双版纳供电局配电网所辖10kV勐腊线工程37#杆为例，取装置投运前2017年10月11日～2017年10月13日，装置投运后2017年10月20日，2017年10月25日，2017年11月21日，2017年11月26日，2017年12月22日，2017年12月27日，2018年1月23日，2018年1月28日，11组时间的功率因数平均值，有功功率平均值，无功功率平均值进行对比。数据对比如表4。

表4 装置投运前后数据对比

由表4装置投运前后数据对比可以看出，装置投运前，功率因数均未达到标准值0.85以上，10月12日甚至低于0.80，10月11日～13日，线路输送的无功功率过高，均超过了0.10 kVar。装置投运后，8组无功功率值较投运前都有了明显的降低，最高值为0.10 kVar，最低值为0.08 kVar，降低了无功功率在电网线路中的流动，功率因数有了明显的提高，且均超过了标准值0.85，最高值为0.98，最低值为0.88，满足生产水平。证明了该快拆快装无功补偿装置在提高线路功率因数，节能降损，改善电能质量方面具有可行性及高效性。

4 结论

通过仿真结果及后台监控系统对线路的实时监控所得的数据分析对比，完成了对10 kV勐腊线三点集中无功优化，最大程度地发挥10 kV勐腊线37#杆、66#杆及133#杆3台中压快拆快装无功补偿装置的作用，提高设备利用率，实现线路无功优化，达到无功就地平衡，提高线路功率因数，减少线损的目标，解决了10 kV勐腊线无功功率因数低，线损高的问题。同时实现了10 kV勐腊线无功实时在线监控管理，提高了该线路无功自动化管理水平。

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