计及负荷功率因数提高的输变电工程无功平衡实用计算

张丽娟 谢现举 李 鑫 李 洛 李美玲

(中国电建集团青海省电力设计院有限公司)

0 引言

无功功率的存在是交流电力系统特有现象。

电力系统中有功功率和频率关系密切; 无功功率与电压相对应。要保证频率质量必须要有充足的有功备用; 保证电压质量则需有足够的无功功率。

无功负荷从系统中吸收感性无功功率, 虽然无功负荷本身不做工, 只与电源交换能量, 但其占用电力系统发供电设备容量, 对设备的有功功率供应能力、电力传输过程中的电压损失、有功损耗、无功损耗等均会产生较大影响, 无功功率直接影响系统电压水平和功率因数[2]。

1 无功平衡的基本原则

(1) 无功电力平衡实行分层分区、就地平衡的原则[3]。

(2) 宜根据无功负荷增长和电网结构变化分期装设。

2 无功平衡

2.1 无功功率分类

根据国际电工委员会推荐, 当电流滞后电压相量时, 功率因数取正值[2]。因此, 滞后电流对应正的无功功率, 即感性无功功率取正值; 超前电流对应负的无功功率, 即容性无功功率取负值。对于负荷而言,滞后的无功功率为无功负荷, 表示从系统中吸收无功; 超前的无功功率视为无功电源, 表示向系统输出无功功率。

对于元件上的无功损耗, 电抗的损耗表示从系统吸收无功; 容抗上的损耗则相反即向系统输出无功功率。

2.2 无功平衡的目的

在电力系统运行过程中, 无功负荷随着运行方式的不同而有所变化, 系统中无功电源的配置应满足各种方式下的系统需求, 以维持系统处于合理的电压运行水平, 保证系统运行的安全可靠性。

2.3 无功电源

广义的无功电源包括同步发电机、调相机、并联电容(抗) 器、线路充电功率、动态无功补偿装置[3]。

3 变电站无功平衡计算

电力系统的无功功率平衡包括容性无功平衡和感性无功平衡。在负荷高峰(或重载) 时, 系统的感性无功损耗较大, 容性补偿不足, 需要重点进行容性无功功率平衡计算, 以确定容性无功电源的需求量;在低谷(轻载) 负荷时, 系统感性无功消耗减少,线路容性充电功率可能过剩, 往往体现出感性无功补偿的不足, 此时, 应重点分析感性无功平衡, 确定感性无功电源的需求量。

(1) 感性无功平衡

需考虑各电压等级配出线路充电功率、首端和末端是否配置高抗。

计算充电功率时需考虑线路电压等级、导线截面、线路长度、线路对地电容(一般选用典型参数,750kV 电压等级, 建议通过杆塔仿真计算后确定)

①各电压等级配出线路充电功率总和的一半(若为末端站, 则低压配出线应考虑全部补偿);

②线路并联高压电抗器以补偿线路充电功率的85%为宜[4];

感性总补偿容量=①-②。

线路充电功率=线路单位长度充电功率×线路总长度

线路充电功率(容性):QLC=ωCU2

式中,QLC为输电线路充电功率, Mvar;U为平均运行电压, kV;ω为系统角频率, 2πf;C为线路正序电容, F。

(2) 容性无功平衡

分为四大板块。

①各电压等级配出线路无功损耗总和的一半(若为末端站, 则低压配出线应考虑全部补偿);

②变压器无功损耗;

③提高负荷功率因数所需要的无功功率;

④站内高抗补偿容量 (线路本站侧+ 母线高抗);

容性总补偿容量=①+②+ ③+ ④- 线路充电功率[5]。

线路无功损耗(感性):

式中,QL为线路无功损耗, MVar;I为线路电流, kA;P为线路传输的有功功率;U为线路末端节点电压, kV;XL为输电线路电抗, Ω。

变压器无功损耗(感性):

式中,S1、S2、S3为变压器各侧绕组通过的容量,MVA;ST为变压器额定容量, MVA;I0(%) 为变压器空载电流百分数;UK1(%)、UK2(%)、UK3(%)为变压器各侧短路电压百分数。

上式可以近似用下式计算:

即:QT=η2Uk12%ST

4 提高负荷功率因数的计算

对于直接供电的末端变(配) 电所, 安装的最大容性无功量应等于装置所在母线上的负荷按提高功率因数所需补偿的最大容性无功量与主变压器所需补偿的最大容性无功量之和。

依据《电力系统无功补偿及调压设计技术导则(DL/T 5554—2019)》[4]: “高压供电的用户在最大负荷时功率因数宜为0.9 以上, 小负荷时不应向电网倒送无功。其他100kVA (kW) 及以上电力用户和大、中型电力排灌站, 功率因数宜为0.85 以上。”。但是GB/T 40427—2021 导则[1]要求: “35kV 及以上高压供电的电力用户, 在考虑无功补偿后, 再负荷高峰时, 其变压器一次侧功率因数不应低于0.95, 在负荷低谷时, 功率因数不应高于0.95。100kVA 及以上10kV 供电的电力用户, 其功率因数应达到0.95以上。”

很多用户站负荷功率因数虽然满足老的规程要求, 但是不能满足新的导则, 若改造设备, 不仅造价高, 而且影响生产, 经济性较差。因此需要考虑提高负荷功率因数, 即额外补偿将负荷功率因数从0.9 提高到0.95 所需要的无功容量。

负荷所需补偿的最大容量无功量计算式为:

式中,Qcf,m为负荷所需补偿的最大容量无功量 ( MVar);Pfm为母线上的最大有功负荷(MW);φ1为补偿前的最大功率因数角 (°);φ2为补偿后的最大功率因数角 (°);Qcf0为由cosφ1补偿到cosφ2时, 每MW 有功负荷所需要补偿的容性无功量。

5 算例分析

某330kV 用户站, 主变规模4 ×240MVA, 电压等级330/110/10kV; 有110kV 负荷400MW, 10kV 负荷120MW, 负荷功率因数0.90, 负荷平均分配于每台主变。通过双回约40km 330kV 架空线路(导线截面2 ×400mm2) 与主网相连, 110kV 出线10 回, 平均每回线路长度8km, 导线截面选择240mm2。10kV出线60 回, 平均每回线路长度1.6km, 导线截面选择120mm2。

在装置变电所及低压变电所内, 设置10kV、0.4kV 电容补偿装置, 进行无功补偿, 使功率因数达到0.95 以上。但仍有约100MW 负荷的功率因数不能满足达到0.95。因此330kV 站内需考虑提高此部分负荷功率因数的补偿容量。

330kV2 ×400mm2导线参数: 电抗0.316Ω/km,电容: 0.0111μF/km。

110kV240mm2导 线 参 数: 电 抗 0.388Ω/km;10kV120mm2导线参数: 电抗0.335Ω/km。因110kV及以下架空线路充电功率较小, 本次计算忽略。但对于220kV 及以上电压等级应计及。

330kV 变压器短路阻抗高中11%、高低28%、中低17%。

(1) 感性无功平衡

QLC=ωCU2= 0.5×(314×0.0111×2×40×3632×10-6)= 18.37Mvar

330kV 线路较短, 且为负荷站, 经工频过电压计算线路无需配置高抗。且低压配出线路充电功率较小, 忽略, 因此站内感性缺额为18.37Mvar。

(2) 容性无功平衡

站内容性缺额为44.92Mvar, 其中主变损耗占总缺额的76%、提高负荷功率因数提高所需要的补偿占比35%, 线路充电功率大于线路损耗, 线路呈容性, 可提供11%补偿量。

6 无功补偿容量配置及选型

(1) 对于330kV、500kV、750kV 变电站容性无功补偿容量应考虑补偿主变压器以及输电线路输送容量较大时电网的无功缺额, 可按主变的10% ～20%配置或经计算确定。

(2) 并联电容器组和低压并联电抗器组的补偿容量, 宜分别为主变压器容量的30%以下。

(3) 低压并联电容器分组原则: 投切一组低压电容器引起所在母线的电压变动值, 不宜超过系统标称电压的2.5%。低压并联电抗器分组原则: 投切一组低压电抗器引起所在母线的电压变动值, 不宜超过其额定电压的2.5%。220kV 及以上变电站低压侧无负荷时, 投切低压电容(抗) 器组引起的所在变电站中压侧母线电压波动值, 不宜超过系统标称电压的2.5%[7]。

(4) 无功补偿设备应均衡配置在每台主变低压侧[8]。

通过电压波动计算分析, 因低压侧为10kV, 且有负荷, 电压波动不宜超过2.5%。经计算分析分组容量不宜超过8Mvar。

分组无功设备在不同组合方式下投切时, 不得引起高次谐波谐振和有害谐波的放大。

发生n 次谐波谐振的电容器容量Qcx(MVA) 可按下式进行估算:

式中,Sd为电容器装置安装处的母线短路容量, MVA;

K为电抗率;n为谐波次数。

常规需监测站内或地区谐波含量及次数, 分析是否有必要串联电抗, 根据谐波占比, 确定串抗率。一般串抗率为12%电容器可以限制三次及以上谐波,分组容量不受串联电抗率的影响。多数需校核串抗率为5%, 能否对三次谐波产生放大。本工程,Sd=636MVA, 若串抗率为5%, 当分组容量为38Mvar 或组合容量为38Mvar 时, 仅会对三次谐波产生放大,故应避免。

综合考虑以上因素, 本工程低压电抗器配置:4 ×(1 ×6) Mvar; 低压电容器: 4 ×(2 ×6) Mvar。

7 结束语

(1) 本文通过理论分析提出无功平衡的实用计算方法, 通过实例计算验证, 考虑了计及负荷侧功率因数提高的变电站无功平衡, 满足最新规程的要求。为今后变电站低压侧无功补偿配置提供了可参考的计算思路, 可供工程中参考应用。

(2) 每台主变低压侧分别配置了1 组6Mvar 电抗器和2 组6Mvar 电容器。该配置是综合全站无功需求、兼顾经济性, 又考虑了满足电压波动的最大单组容量。其中, 为提高负荷功率因数所配置的无功补偿设备占总容量的35%左右; 线路充电功率大于线路损耗, 呈容性, 可充当部分无功电源。

(3) 关于电容器的串抗率的选择建议结合地区和站内的谐波监测含量, 进一步分析论证。