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文檔簡介

配電網(wǎng)無功補(bǔ)償方案比較和補(bǔ)償工程應(yīng)注意的問題1 引言由于無功補(bǔ)償對電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要作用,因此無功補(bǔ)償是電力部門和用戶共同關(guān)注的問題。合理選擇無功補(bǔ)償方案和補(bǔ)償容量,能有效提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性,保證電網(wǎng)的電壓質(zhì)量,提高發(fā)輸電設(shè)備的利用率,降低有功網(wǎng)損和減少發(fā)電費(fèi)用。 我國配電網(wǎng)的規(guī)模巨大,因此配電網(wǎng)無功補(bǔ)償對降損節(jié)能,改善電壓質(zhì)量意義重大。本文結(jié)合當(dāng)前人們關(guān)注的電網(wǎng)無功補(bǔ)償問題,重點(diǎn)分析、比較了配電網(wǎng)常用無功補(bǔ)償方案特點(diǎn),并通過對無功補(bǔ)償應(yīng)用技術(shù)的分析,提出了配電網(wǎng)無功補(bǔ)償工程應(yīng)注意問題和相關(guān)建議。2 配電網(wǎng)無功補(bǔ)償方案比較配電網(wǎng)無功補(bǔ)償方案有變電站集中補(bǔ)償、配電變低壓補(bǔ)償、配電線路固定補(bǔ)償和用電設(shè)備分散補(bǔ)償。四種方案示意圖見圖1所示。2.1變電站集中補(bǔ)償變電站集中補(bǔ)償裝置包括并聯(lián)電容器、同步調(diào)相機(jī)、靜止補(bǔ)償器等,主要目的是平衡輸電網(wǎng)的無功功率,改善輸電網(wǎng)的功率因數(shù),提高系統(tǒng)終端變電所的母線電壓,補(bǔ)償變電站主變壓器和高壓輸電線路的無功損耗。這些補(bǔ)償裝置一般集中接在變電站10kv母線上,因此具有管理容易、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn),但這種補(bǔ)償方案對10kv配電網(wǎng)的降損不起作用。為實(shí)現(xiàn)變電站的電壓/無功綜合控制,通常采用并聯(lián)電容器組和有載調(diào)壓抽頭協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)。協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)控制算法國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行過大量研究,九區(qū)圖法是一種常用的有效方法。但大量的實(shí)際應(yīng)用表明,投切過于頻繁會影響電容器開關(guān)和分接頭的使用壽命,增大運(yùn)行維護(hù)工作量,通常在實(shí)際中要限制抽頭調(diào)節(jié)和電容器組操作次數(shù)。采用電力電子開關(guān)控制成本比較高、開關(guān)自身功率損耗也很大,因此變電站高壓電壓/無功控制技術(shù)仍有待進(jìn)一步改善和研究。鑒于變電站無功補(bǔ)償對提高高壓電網(wǎng)功率因數(shù),維持變電所母線電壓和平衡系統(tǒng)無功有重要作用,因此應(yīng)根據(jù)負(fù)荷的增長安排、設(shè)計好變電站的無功補(bǔ)償容量,運(yùn)行中在保證電壓合格和無功補(bǔ)償效果最好的情況下,盡可能使電容器組投切開關(guān)的操作次數(shù)為最少。2.2 配電變低壓補(bǔ)償配電變低壓補(bǔ)償是目前應(yīng)用最普遍的補(bǔ)償方法。由于用戶的日負(fù)荷變化大,通常采用微機(jī)控制、跟蹤負(fù)荷波動分組投切電容器補(bǔ)償,總補(bǔ)償容量在幾十至幾百千乏不等。目的是提高專用變用戶功率因數(shù),實(shí)現(xiàn)無功的就地平衡,降低配電網(wǎng)損耗和改善用戶電壓質(zhì)量。配變低壓無功補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是補(bǔ)償后功率因數(shù)高、降損節(jié)能效果好。但由于配電變壓器的數(shù)量多、安裝地點(diǎn)分散,因此補(bǔ)償工程的投資較大,運(yùn)行維護(hù)工作量大,也因此要求廠家要盡可能降低裝置的成本,提高裝置的可靠性。采用接觸器投切電容器的沖擊電流大,影響電容器和接觸器的使用壽命;用晶閘管投切電容器能解決接觸器投切電容器存在的問題,但明顯缺點(diǎn)是裝置存晶閘管功率損耗,需要安裝風(fēng)扇和散熱器來通風(fēng)與散熱,而散熱器會增大裝置的體積,風(fēng)扇則影響裝置的可靠性。為解決這些問題,筆者組織開發(fā)、研制了機(jī)電一體開關(guān)無功補(bǔ)償裝置,機(jī)電開關(guān)補(bǔ)償裝置典型接線如圖2所示。裝置采用固定補(bǔ)償與分組補(bǔ)償結(jié)合,以降低裝置的生產(chǎn)成本;裝置能實(shí)現(xiàn)分相補(bǔ)償,以滿足三相不平衡系統(tǒng)的需要。機(jī)電開關(guān)控制使裝置既有晶閘管開關(guān)的優(yōu)點(diǎn),又具有接觸器無功率損耗的優(yōu)點(diǎn)。幾千臺裝置的現(xiàn)場運(yùn)行、試驗(yàn)表明,機(jī)電開關(guān)補(bǔ)償裝置體積小、可靠性高,能滿足戶外環(huán)境、長期工作需要。低壓補(bǔ)償裝置安裝地點(diǎn)分散、數(shù)量大,運(yùn)行維護(hù)是補(bǔ)償工程需要重點(diǎn)考慮的問題;另外,配電系統(tǒng)負(fù)荷情況復(fù)雜,系統(tǒng)可能存在諧波、三相不平衡,以及防止出現(xiàn)過補(bǔ)償?shù)葐栴},這些工程中應(yīng)注意的問題后面詳細(xì)紹。2.3 配電線路固定補(bǔ)償大量配電變壓器要消耗無功,很多公用變壓器沒有安裝低壓補(bǔ)償裝置,造成的很大無功缺額需要變電站或發(fā)電廠承擔(dān),大量的無功沿線傳輸使得配電網(wǎng)的網(wǎng)損居高難下,這種情況下可考慮配電線路無功補(bǔ)償,文獻(xiàn)34提出了配電線路無功補(bǔ)償?shù)谋匾院头椒?。線路補(bǔ)償既通過在線路桿塔上安裝電容器實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償。由于線路補(bǔ)償遠(yuǎn)離變電站,因此存在保護(hù)難配置、控制成本高、維護(hù)工作量大、受安裝環(huán)境限制等問題。因此,線路補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償點(diǎn)不宜過多;控制方式應(yīng)從簡,一般不采用分組投切控制;補(bǔ)償容量也不宜過大,避免出現(xiàn)過補(bǔ)償現(xiàn)象;保護(hù)也要從簡,可采用熔斷器和避雷器作為過電流過電壓保護(hù)。線路補(bǔ)償主要提供線路和公用變壓器需要的無功,工程問題關(guān)鍵是選擇補(bǔ)償?shù)攸c(diǎn)和補(bǔ)償容量,文獻(xiàn)4給出了補(bǔ)償?shù)攸c(diǎn)和容量的實(shí)用優(yōu)化算法。線路補(bǔ)償具有投資小、回收快、便于管理和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),適用于功率因數(shù)低、負(fù)荷重的長線路。線路補(bǔ)償一般采用固定補(bǔ)償,因此存在適應(yīng)能力差,重載情況下補(bǔ)償度不足等問題。自動投切線路補(bǔ)償仍是需研究的課題。2.4 用電設(shè)備隨機(jī)補(bǔ)償在10kv以下電網(wǎng)的無功消耗總量中,變壓器消耗占30左右,低壓用電設(shè)備消耗占65以上。由此可見,在低壓用電設(shè)備上實(shí)施無功補(bǔ)償十分必要。從理論計算和實(shí)踐中證明,低壓設(shè)備無功補(bǔ)償?shù)慕?jīng)濟(jì)效果最佳,綜合性能最強(qiáng),是值得推廣的一種節(jié)能措施。 感應(yīng)電動機(jī)是消耗無功最多的低壓用電設(shè)備,故對于油田抽油機(jī)、礦山提升機(jī)、港口卸船機(jī)等廠礦企業(yè)的較大容量電動機(jī),應(yīng)該實(shí)施就地?zé)o功補(bǔ)償,即隨機(jī)補(bǔ)償。與前三種補(bǔ)償方式相比,隨機(jī)補(bǔ)償更能體現(xiàn)以下優(yōu)點(diǎn):1)線損率可減少20%;2)改善電壓質(zhì)量,減小電壓損失,進(jìn)而改善用電設(shè)備啟動和運(yùn)行條件;3)釋放系統(tǒng)能量,提高線路供電能力。由于隨機(jī)補(bǔ)償?shù)耐顿Y大,確定補(bǔ)償容量需要進(jìn)行計算,以及管理體制、重視不夠和應(yīng)用不方便等原因,目前隨機(jī)補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用情況和效果都不理想。因此,對隨機(jī)補(bǔ)償需加強(qiáng)宣傳力度,增強(qiáng)節(jié)能意識,同時應(yīng)針對不同用電設(shè)備的特點(diǎn)和需要,開發(fā)研制體積小、造價低、易安裝、免維護(hù)的智能型用電設(shè)備無功補(bǔ)償裝置。根據(jù)以上常用無功補(bǔ)償方案的分析、討論,我們可歸納、整理出四種補(bǔ)償方案的特點(diǎn)和基本性能如表1所示。表1 四種無功補(bǔ)償方法的特點(diǎn)比較補(bǔ)償方式變電站集中補(bǔ)償配電變低壓補(bǔ)償配電線路固定補(bǔ)償用電設(shè)備隨機(jī)補(bǔ)償補(bǔ)償對象變電站無功需求配電變無功需求配電線路無功基荷用電設(shè)備無功需求降損范圍主變壓器及輸電網(wǎng)配電變及輸配電網(wǎng)配電線路及輸電網(wǎng)整個輸配電系統(tǒng)網(wǎng)調(diào)壓效果較好較好較好最好單位投資較大較大較小較大設(shè)備利用率較高較高很高較低維護(hù)方便性方便較方便方便不方便3 無功補(bǔ)償?shù)恼{(diào)壓作用分析鑒于配變無功補(bǔ)償是供電企業(yè)和用戶普遍關(guān)注的工作?,F(xiàn)在開始,本文重點(diǎn)對配變無功補(bǔ)償及工程問題進(jìn)行分析和探討。3.1 典型實(shí)例的計算 圖1為某市臺江變電站10kv母線953線路簡化接線。該線路自變電站端開始一段與956線為同桿雙回線,其中956線較短些,接有18臺配電變壓器;而953線路較長,接有31臺配電變壓器,變壓器總?cè)萘繛?895kva。953線路31臺變壓器容量為501000kva大小不等,為計算和分析方便,對實(shí)際的31臺變壓器就近進(jìn)行了等值處理。例如,節(jié)點(diǎn)8處是一個較大的用戶,接有3臺1000kva的變壓器;而節(jié)點(diǎn)3處1695kva是6臺變壓器的總?cè)萘?,其它?jié)點(diǎn)情況與節(jié)點(diǎn)3相同。圖1各段線路下數(shù)字為導(dǎo)線公里長度,主干線路導(dǎo)線型號為lgj120。根據(jù)圖1各節(jié)點(diǎn)變壓器的總?cè)萘浚僭O(shè)變壓器在經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)kf=0.65(相當(dāng)較大負(fù)荷情況)狀態(tài)下工作,取功率因數(shù)為cos=0.85,可計算節(jié)點(diǎn)變壓器和各段線路的有功負(fù)荷;再假設(shè)變電站母線電壓分別為10.5kv和11.4kv,運(yùn)用負(fù)荷矩法可分別計算不同情況下線路的各節(jié)點(diǎn)電壓。依此方法計算的幾種結(jié)果如表2所示。表2 不同情況線路節(jié)點(diǎn)電壓的計算結(jié)果方案序號功率因數(shù)線路節(jié)點(diǎn)電壓值(kv)2345678910.8510.510.0839.7819.4979.2979.1429.0639.08120.9510.510.1309.8429.5899.3959.2579.1879.20330.8511.410.98310.69910.40010.18310.0279.9489.96640.9511.411.03310.74210.48910.29510.15710.08610.1033.2 計算結(jié)果分析表2中變電站母線電壓10.5kv為負(fù)荷高峰期正常逆調(diào)壓的要求電壓;11.4kv是為保證和滿足線路末端用戶(節(jié)點(diǎn)8和節(jié)點(diǎn)9)母線電壓在額定范圍內(nèi),變電站母線應(yīng)達(dá)到的電壓,也是實(shí)際系統(tǒng)中經(jīng)常需要的運(yùn)行電壓。計算結(jié)果為功率因數(shù)為0.85和0.95兩種情況電壓,目的在于分析配變無功補(bǔ)償對電壓的影響。按國標(biāo)(gb 12325-90)電能質(zhì)量供電電壓允許偏差中的規(guī)定:10kv及以下三相供電電壓允許偏差為額定電壓的7%。因此,從表2計算結(jié)果可以看出:1)該線路依靠正常的分接頭逆調(diào)壓,功率因數(shù)cos=0.85時,節(jié)點(diǎn)6到節(jié)點(diǎn)9電壓超標(biāo);功率因數(shù)cos=0.95時,節(jié)點(diǎn)7到節(jié)點(diǎn)9電壓超標(biāo)。因此,僅靠變壓器分接頭逆調(diào)壓,不能滿足線路末端用戶的電壓質(zhì)量要求。2)表2中的cos值為各節(jié)點(diǎn)變壓器的功率因數(shù)。因此在配變低壓補(bǔ)償無功功率,提高變壓器功率因數(shù),對該線路電壓有調(diào)節(jié)作用,但只能部分地解決電壓問題;但從調(diào)壓和降損兩方面考慮,無功補(bǔ)償是應(yīng)普遍采用的技術(shù)。3)變電站電壓提高到11.4kv能滿足末端用戶電壓要求,但變電站母線電壓屬嚴(yán)重超標(biāo)。會造成變電站10kv電容器和部分低壓電容器的保護(hù)超過1.1un的定值,使無功補(bǔ)償裝置退出運(yùn)行(實(shí)際情況),這將使電網(wǎng)損耗明顯增大。3.3 原因和解決措施造成圖1系統(tǒng)電壓問題的主要原因是導(dǎo)線截面小、供電半徑大。例如,在線路4.5km范圍內(nèi)(5節(jié)點(diǎn)之前),電壓不會超標(biāo)。因此,對更換導(dǎo)線或插入新變電站是解決該線路電壓問題的根本措施。但由于街區(qū)位置和條件限制,插入變電站改造需要的投資非常大,因此該線路必須尋求其它的解決辦法。文獻(xiàn)6提出的有載調(diào)壓變壓器是解決該線路電壓問題的有效手段。但配電變的負(fù)荷波動大、變化頻繁,機(jī)械式分接頭難適應(yīng)和滿足電網(wǎng)的調(diào)壓需要。文獻(xiàn)6提出的晶閘管串聯(lián)調(diào)壓方法是一個很好的解決思路,希望這種變壓器能盡快得到推廣和應(yīng)用。但該方案需要更換的變壓器數(shù)量多,工程改造投資會很大。 表3 采用tvr調(diào)壓線路節(jié)點(diǎn)電壓的計算結(jié)果方案序號功率因數(shù)線路節(jié)點(diǎn)電壓值(kv)2345678950.8510.510.0839.7819.4979.7979.6429.5639.58160.8510.259.8339.5319.2579.5299.3749.2979.31370.9510.510.139.8429.5899.8959.7579.6879.70380.9510.259.8809.5929.3399.6469.5079.4379.453在圖1節(jié)點(diǎn)6位置安裝一臺晶閘管電壓調(diào)節(jié)器(tvr)7,是解決該線路電壓問題的更有效措施。tvr可使節(jié)電6電壓在方案1和方案2基礎(chǔ)上調(diào)高500v,有tvr調(diào)壓的各節(jié)點(diǎn)電壓計算結(jié)果如表3所示。tvr方案優(yōu)點(diǎn)是一臺設(shè)備解決全線路的電壓問題,經(jīng)濟(jì)性是顯而易見的。以上實(shí)例說明,低壓無功補(bǔ)償具有調(diào)節(jié)、改善10kv電網(wǎng)電壓的作用;但不能解決像圖1這種長線路存在的電壓問題。4 無功補(bǔ)償效益的簡要分析配變低壓無功補(bǔ)償能有效降低配電變及以上輸配電網(wǎng)的損耗。由于計算整個電網(wǎng)損耗涉及因素多,工作量大,下面僅以圖1中節(jié)點(diǎn)4的1000kva變壓器為例,通過簡單計算,說明無功補(bǔ)償具有巨大的直接和間接效益。設(shè)補(bǔ)償前節(jié)點(diǎn)4變壓器滿載運(yùn)行,視在功率s1000kva,功率因數(shù)cos0.85,年用電時間為t3000小時,計算:1)若將cos提高到0.95,計算需要的補(bǔ)償電容器容量;2)補(bǔ)償前需要支付的年費(fèi)用;3)補(bǔ)償裝置單位投資為150元/kvar,補(bǔ)償裝置本身損耗為3,投資回收率為10/年,計算補(bǔ)償后的年效益。根據(jù)已知條件,可計算補(bǔ)償前p1scos110000.85850kwq1ssin110000.52678526.78kvar1)求需要安裝的補(bǔ)償電容器容量x因裝置本身有功損耗為3,補(bǔ)償后的電網(wǎng)無功q2526.78x,要求cos為0.95,可求tg20.3287,于是有可求補(bǔ)償容量x245.73246kvar2)補(bǔ)償前需要支付的年費(fèi)用基本電費(fèi):一般按最大負(fù)荷收取,設(shè)每kva收取的費(fèi)用為180元/年,故有fj1180100018萬元電量電費(fèi):設(shè)每kwh為0.4元,故有fd10.48503000102萬元補(bǔ)償前年費(fèi)用:fz1fj1+ fd118+102120萬元3)補(bǔ)償后需要支付的年費(fèi)用和年效益補(bǔ)償后的視在功率和基本電費(fèi):fj218085715.426萬元電量電費(fèi):fd20.4(850+0.03246)3000102.88萬元補(bǔ)償裝置折舊費(fèi):ff150246100.369萬元補(bǔ)償后年費(fèi)用:fz2fj2+ fd2+ ff15.426+102.88+0.369118.675萬元安裝無功補(bǔ)償可獲得的年效益ffz1fz2120118.6751.325萬元上面僅僅是無功補(bǔ)償提高功率因數(shù)角度計算的效益;如果計及降低輸配電網(wǎng)損耗、功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi),以及節(jié)約建設(shè)投資、改善電壓質(zhì)量等方面因素,其經(jīng)濟(jì)效益更加可觀。5 產(chǎn)品選型及工程應(yīng)注意的問題低壓無功補(bǔ)償安裝地點(diǎn)分散、數(shù)量多,且配電網(wǎng)電壓、負(fù)荷情況復(fù)雜;工程中相關(guān)問題考慮不周,不僅影響裝置正常運(yùn)行,也帶來很多維護(hù)、管理等問題,工程問題必須引起重視。1)運(yùn)行及產(chǎn)品可靠性問題與配電變壓器相比,低壓補(bǔ)償裝置的維護(hù)量無疑要高很多;控制系統(tǒng)越復(fù)雜、功能越多,維護(hù)工作量越大。有些單位從“長遠(yuǎn)”考慮,提出聯(lián)網(wǎng)、監(jiān)控等很多要求,無疑會增大投資和運(yùn)行維護(hù)量,事實(shí)是很多沒有聯(lián)網(wǎng)的可能。低壓補(bǔ)償裝置的可靠性在開關(guān)和電容器,電容器壽命與工作條件有關(guān),因此裝置的投切開關(guān)是關(guān)鍵。大量工程實(shí)踐表明,戶外配變無功補(bǔ)償因工作條件差,晶閘管或接觸器補(bǔ)償裝置難滿足可靠性要求2,機(jī)電一體開關(guān)是最佳選擇。2)產(chǎn)品類型和功能選擇問題對配電臺變的補(bǔ)償控制,有多種類型和不同功能的產(chǎn)品可供選擇。城網(wǎng)臺變多以無功補(bǔ)償為主,很多要求有綜合監(jiān)測功能。農(nóng)網(wǎng)不同場合要求不同,可考慮配電+補(bǔ)償、補(bǔ)償+計量,特殊用戶可用配電+補(bǔ)償+計量或補(bǔ)償+綜測。對監(jiān)控功能的要求高,必然成本高、投資大。建議根據(jù)實(shí)際需要和使用場合,合理選擇功能適用、價位合理的產(chǎn)品。實(shí)際工程上,不應(yīng)出現(xiàn)一個變臺安裝有多個箱子的情況。3)控制量選取和控制方式問題很多專變補(bǔ)償裝置根據(jù)電壓控制電容器補(bǔ)償無功量,這種方式有助于保證用戶的電壓質(zhì)量,但對電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償不可取。前面圖1線路的電壓分析表明,電網(wǎng)的電壓水平是由系統(tǒng)情況決定的。若只按電壓高或低控制,無功補(bǔ)償量可能與實(shí)際需求相差很大,容易出現(xiàn)無功過補(bǔ)償或欠補(bǔ)償。從電網(wǎng)降低網(wǎng)損角度,取無功功率為控制量是最佳控制方式。4)補(bǔ)償效果和補(bǔ)償容量問題前面實(shí)例分析表明,配變低壓補(bǔ)償無功可提高配變功率因數(shù),降低配變損耗,但只節(jié)點(diǎn)6配變裝補(bǔ)償,對10kv線路降損作用很小。因此,某條線路配變安裝補(bǔ)償數(shù)量少或補(bǔ)償容量不足,影響全網(wǎng)(線路)降損和電壓改善效果。前面計算方法確定補(bǔ)償容量,對實(shí)際工程難以實(shí)現(xiàn)。配電網(wǎng)日負(fù)荷變化大,負(fù)荷性質(zhì)不同,補(bǔ)償容量要求也不同。大量工程實(shí)踐表明,對動態(tài)補(bǔ)償在配變?nèi)萘?0%-30%內(nèi)。同時,對個別情況可能需要進(jìn)行特殊處理。5)無功倒送和三相不平衡問題無功倒送會增加線路和變壓器的損耗,加重線路供電負(fù)擔(dān)。為防止三相不平衡系統(tǒng)的無功倒送,應(yīng)要求控制器檢測、計算三相無功投切控制。固定補(bǔ)償部分容量過大,容易出現(xiàn)無功倒送。一般動態(tài)補(bǔ)償能有效避免無功倒送。系統(tǒng)三相不平衡同樣會增大線路和變壓器損耗。對三相不平衡較大的負(fù)荷,比如機(jī)關(guān)、學(xué)校等單相負(fù)荷多的用戶,應(yīng)考慮采用分相無功補(bǔ)償裝置。并不是所有廠家的控制器都具有分相控制功能,這是工程中必須考慮的問題。6)諧波影響和電容器保護(hù)問題諧波影響會使電容器過早損壞或造成控制失靈,諧波放大會使干擾更加嚴(yán)重。工程中應(yīng)掌握用戶負(fù)荷性質(zhì),必要時應(yīng)對補(bǔ)償系統(tǒng)的諧波進(jìn)行測

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