高压自动无功补偿技术在采油厂配电系统中的应用

赵喜臣（大庆油田电力运维分公司）

采油厂是产能大户，也是耗能大户，电能消耗约占采油厂能耗总量的60%左右。加强采油厂配电系统的用能优化管理，提升供电质量，降低用能损耗，实现企业节能减排、安全、可靠、经济供电运行，是采油厂配电系统一项重要工作内容[1-3]。为了提升部分高压线路功率因数，采取了静态无功补偿措施，但实际补偿效果未达到预期要求，部分高压线路配电系统的功率因数仍然较低，离电网运行功率因数要求还有一定差距。为此提出了采用高压自动无功补偿技术在采油厂配电系统中应用，并取得良好现场应用效果。

1 某采油厂高压电网现状

某采油厂现有6 kV和10 k V高压配电线路54条，形成了10(6)k V的区域配电网。线路总长560.8 km（其中6 kV线路49条、总长490.6 km，10 k V配电线路5条、总长70.2 km）。目前，部分高压配电线路功率因数低、线路损耗大、供电电压质量差。通过开展引进应用高压自动无功补偿技术，以电压与时间、功率因数与无功功率或电压与无功功率为控制参数，对高压配电线路电压、电流、功率因数和无功功率等电网运行参数进行实时监测，根据其变化，有效、合理地控制并联电容器组的自动投切，对高压线路进行无功补偿是一件十分有意义的工作[4-5]。

2 自动补偿装置的工作原理及组成

2.1 工作原理

控制器是通过电压互感器和电流互感器实时检测线路三相系统中一相电流的二次电流值和另外两相电压的二次电压值，利用专用算法和高性能芯片计算得到相应的实时电压、电流、无功功率、有功功率以及功率因数等值。控制器根据实时值可采用6种方式自动投切电容器和1种方式手动强制投切电容器，除手动控制方式外，其余5种控制方式（电压控制方式、无功功率控制方式、时钟控制方式、电压时钟控制方式和无功功率时钟控制方式）都受高压保护和失压的限制，当电压高于高压保护定值或低于失压保护定值时将切除电容器[6-7]。

2.2 组成

高压无功自动补偿装置主要由柜体、电容器组投切专用真空开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、跌落式熔断器、电源模块、控制器、手持控制仪、电容、安装支架等部分构成。

2.2.1 跌落式熔断器

户外跌落式熔断器对装置进行短路保护，一旦装置有短路故障，跌落式熔断器立即跳开，防止对装置和线路造成损害。

2.2.2 电容器组投切专用真空开关

在线路无功补偿设备中，一般采用线路真空开关来投切电容器。当自动装置中的真空开关动作频繁时，则会产生投电容过程中开关的触头很快烧坏，切电容过程中开关发生重击穿现象，从而发生严重设备故障。线路真空开关投切线路负荷则没有这些现象，研究分析产生问题的原因为：一是电容器组投切专用真空开关在投电容时会产生涌流。主要是在电容器投入的瞬间会产生浪涌电流。单独一组投切电容器的合闸涌流大小取决与系统电源的阻抗和电容器容量的大小，而多组电容器逐级投入时产生的合闸涌流大小取决于投入电容器组间的阻抗，即开关触头要承受的电流是额定电流的几倍或几十倍甚至几百倍，形成对开关触头的烧坏。二是切电容器时有过压。在投切电容器时分闸后的瞬间，电容器两端储存了一定的能量，若分闸时正处于交流电的正半周或负半周的峰值，分闸后电容器保持的电势和电网上交流电的峰值叠加在开关触头间隙上[8-9]。通常情况下，LC串、并联电路在分闸的瞬间会产生振荡，所产生的电压是几倍的额定电压，会加在形状触头间隙上。如果开关的触头间隙不够大，将造成触头间隙绝缘耐压不够发生重击穿，甚至会发生第二次、第三次重击穿或开关发生爆炸等现象不可避免。

根据上述分析，投切电容器真空开关首先触头的承受电流要尽量大，触头压力不能太小，否则难以承受合闸涌流的冲击，以避免对触头的烧坏。其次，电容器真空开关触头间隙要尽量大，以承受分闸时的过电压，弹跳小，避免重燃。所以，在选择无功自动补偿装置投切电容器时不能选用线路型真空断路器，以避免真空断路器故障频繁问题。选用的真空开关是具有特殊设计纵向磁场熄弧结构真空灭弧室的专用真空开关，这种真空开头具有发热小、承受电流大、熄弧时间短、寿命长等优点，并通过设计调整分合闸机构，使触头的触头超行程为3±0.3 mm，确保触头压力大，合闸时间为7.5±0.5 s，能承受合闸涌流的冲击；分闸时间为0.04±0.1 s，分闸速度快，触头行程达到11±1 mm，使触头间隙超出线路断路器9 mm的值，触头弹跳时间为小于或等于1.9 ms，弹跳小，达到切除电容器无重击穿的要求，避免了重燃[10]。

2.2.3 控制器

控制器以FLASH型16位单片机MSP430F149为控制核心，实时监测电网的电压、电流，并计算出有功、无功、功率因数等，实现无功补偿的自动跟踪和自动投切，并对历史数据和实时数据存储，同时以无线方式进行装置与手持仪的通讯，实现人机交换，提高系统的便捷性和可靠性。控制器由信号转化电路、数据存储模块、通信模块、投切控制电路模块等部分组成。

信号转换电路主要由电流信号放大电路、电平提升电路、滤波电路和互感器信号变换电路等部分组成，其主要作用就是实现弱电信号与强电信号之间的隔离与自由切换。

MSP430F149是控制器的核心，为FLASH型16位单片机，其具有良好的性价比和优越的计算控制力，该单片机主要由12位的A/D转换器ADC12、16位定时器等部分组成。其中，CPU内核由16位ALU指令控制逻辑和16个寄存器组成，通过应用系统的程序编程设计实现复杂的寻址模式和软件算法，具有对每个捕获/比较模块独立编程等功能；ADC12可对8个外部模拟信号之一或4个内部电压之一中进行转换，具有单通道单次、重复和序列通道单次、重复等转换模式，具有高速、耐用的特点；而定时器Timer-A和Timer-B具有多种输出波形和多个捕获/比较功率等功能，可实现同时进行多个时序控制，也能满足上述功能的多种组合需求。

投切控制电路输出节点控制真空开关的分、合闸线圈。JTAG接口采用标准测试接口，便于做片上的在线仿真，固化于FLASH存储器内的程序易于在线编程、升级和调试。通讯电路实现与手持仪运行数据传送及控制命令的接收。数据存储电路主要用于记录电压、电流、有功、无功及每次投切操作发生时间和操作前电压、电流、有功、无功等数据变化。

2.2.4 控制器软件

针对控制器功能多、控制规律复杂、数据计算量大的特点，控制器软件采用C语言和汇编语言混合编写，在一些直接针对硬件的操作中使用汇编语言，而且将期编为单独文件，使程序模块化。

控制器MSP430内部集成的12位精度的A/D转换模块内置参考电平发生器和采样保持电路，采样速率达200 kbit/s，数据采集模块主要完成所需各项原始数据的采集。控制器对两个信号进行采样，对应A/D转换通道的0、1通道，分别为B、C相的线电压和A相的相电流。10 k V（6 kV）电网采用三相三线制，且三相基本平衡。当三相负荷平衡时，UA与IA夹角为阻抗角。当C O Sφ接近1时，φ角很小，其测量的分辨率低，为此，将测量φ改为测量IA与线电压UBC的夹角φ0。由于φ0的角度大，不但分辨率高，且永为正值。φ0与φ的关系的关系如下：

要检测φ0关键在于检测相电流IA与线电压UBC上升或下降时的两个过零的时间间隔，再将该时间转换成角度值。当相电流IA与线电压UBC过零时，利用触发器的翻转，使MSP430F149单片机响应一次中断，设两次中断的时间间隔为tms，对于50 Hz的正弦交流电，其周期为20 ms，其变化的角度为2π弧度，则φ0角的弧度为：

数据计算包括电流、电压、视在功率、有功功率、无功功率、功率因数的计算主要由数据计算模块来完成。

控制模块主要完成控制系统各种控制操作。控制器通过对电路的电压判断、电路的无功功率判断，做出不同的控制动作。当电路呈感性时，说明此时电压处于可投区时，启动10 s延时标志，当触发软件定时器时钟时，主程序呈实时检测状态，并比较以前的状态判断。通过判断确定当满足条件时，由主程序发出指令，作出投电容器或切电容器判断，并进行投切电容器操作作业。

历史数据存储模块完成各项数据的存储工作。系统在运行状况自我监测的同时，对其进行后台分析，可以用来确定无功补偿装置的性能，分析该线路的实际负荷量及负载变化情况。其中建立数据指针数据区，一部分刷新最近一次的结束页指针和结束缓冲器的指针所对应的存储空间中存储数据，完成历史数据存储；另一部分向最新的指针数据所对应的存储器区间中存储正点数据，包括数据部分、控制部分、编码部分和纠错部分等。

3 现场应用情况

2020年，通过对采油厂54条高压配电线路的运行分析，确定两条高压线路作为高压自动无功补偿技术应用线路，依据电力系统电压和无功电力技术导则和并联电容器装置设计规范，设计固定补偿方式的无功补偿装置和动态补偿方式的无功补偿装置，计算最优化无功功率补偿和补偿技术方案，并监视运行。项目选取某采油厂配电网601线和623线开展无功功率技术补偿，在高压配电线路上安装无功自动补偿装置和固定无功补偿装置。601线和623线开展无功补偿前后应用节能统计数据见表1。

表1 601线和623线开展无功补偿前后应用节能统计数据Tab.1 Statistical data of energy-saving before and after reactive power compensation for line 601 and line 623

其中在601线高压配电线上66#杆加装固定补偿装置200 kVar、20#杆加装固定补偿装置50 kVar、29#杆加装固定补偿装置100 k Var、17#杆加装自动无功补偿装置150 kVar；在623线高压配电线上149#杆加装固定补偿装置200 k Var、128#杆加装固定补偿装置250 k Var、111#杆加装固定补偿装置150 kVar、88#杆加装自动无功补偿装置200 k Var。

4 综合效果评价

1）节电效果明显。两条高压配电线路采用无功补偿技术后，线路损耗共减少19.27 k W，则每年可减少线路损耗为168 805.2 k Wh。按每千瓦时电量价格0.632 1元计算，则可产生年节能效益为10.67万元。

2）提高了高压配电线路的功率因数。固定补偿方式和动态自动无功补偿装置的优化组合应用，通过手持控制仪对高压自动无功补偿装置进行遥信数据，就可轻松完成高压线路上无功补偿装置在线运行状态的有效监控，实现了线路降损和线路功率因数的提升，确保了线路的无功补偿效果。通过实施高压自动无功补偿技术，两条高压配电线路的功率因数均稳定在0.92以上，减少了线路无功损耗，提升了电网供电质量。

5 结束语

实践证明，高压自动无功补偿装置技术先进，性能可靠，智能化程度高，线路的无功补偿效果好。它的应用能有效实现线路降损和线路功率因数的提升，功率因数能稳定在0.92以上，是高压配电线路系统一种节能利器，具良好的推广应用价值。通过实施高压自动无功补偿技术，实现了线路无功补偿装置运行状态的自动调整和监控，提升了高压配电线路的智能化运行水平。