论文部分内容阅读
摘要：本文研究了110kV变电站投运初期低载情况下，功率因数变低的原因，通过分析说明了110kV长距离电缆线路输电状况下，线路出现的电容功率引起无功失衡导致无功倒送，被供电部门考核罚款，影响变电站的经济运行。
关键词：变电站；功率因数分析；无功补偿措施
电力系统中要求电源提供两类能量，其一是用于做功而被消耗的能量，其二是用于磁场的建立，被用在能量交换上的能量，该部分功对外部电路来说并没有做功，因此将其称为无功功率，如果无功功率不足，无功负荷和无功电源必将处在一种低电压平衡，最终导致电力设备损耗增加、设备损坏等危害，严重者甚至导致电网大面积停电，因此积极研究变电站功率因数及无功补偿措施有着一定的意义。
1、变电站功率因数问题的出现
钦州保税港大榄坪作业区110kV大榄坪变电站2016年建成投产，通过9.8km的电缆线路（ZR-YJLW03-110/64-500mm2，电缆电容量 0.176μf/km）与钦州供电局220kV大榄坪变电站的110kV出线间隔连接。
110kV大榄坪变电站设置110kV与10kV两个电压等级，110kV已建成1号主变1×31.5MVA，1回110KV出线，线变组接线；20回10kV馈线，2电容1站变，单母线接线。
钦州保税港大榄坪作业区110kV北港大榄坪变电站与钦州供电局计量关口点设置在220kV大榄坪变电站的110kV出线间隔。110kV大榄坪变电站投产以来，10kV有功负荷约2-3MW，主变轻载，在计量关口点功率因数偏低，最低不足0.3。导致每月被供电局无功考核罚款约100万元，经济损失巨大，严重影响了变电站经济运行及供电利润。
我们立即成立技术攻关小组研讨，专题解决变电站低功率因数导致的不经济运行问题。按照项目的要求：在投入补偿设备后，当负载有功为2～3MW 的情况下，在供电局计量点处的功率因数达到0.9以上。
2、无功平衡的分析及无功补偿作用
2.1无功平衡分析
在案例中，出现无功功率不足的情况，起初分析认为：
一是因为一些设备计量不准或一些线路接线错误导致，通过对设备计量进行校验及对接线检查，排除了计量出现误差和接线错误的可能；
二是电容器补偿的容量不够，但投入全部电容器后，罚款并没有减少，反而会增加。
基于以上两点，并不是本站容性无功不足引起的功率因数不足。而是本站规划设计方案只考虑了本站变压器满载情况下容性无功的补充，却没有考虑本站投产初期低载情况下，线路大量容性无功过剩倒送系统引起的功率因数过低。
技术攻关小组将注意力重点转移到110kV电缆线路上。
2.2无功补偿作用
（1）能够很好的改善功率因数，有效避免电路当中的设备在低功率因数下工作，减小了长距离运输导致的电压功率损耗，因此需要在用户处就采取有效的无功补偿措施。
（2）合理调节电压，供电负载对无功要求变化会导致供电点电压。
3、变电站无功补偿措施
3.1 无功平衡分析计算
根据本项目提供的110kV电缆线路规格及长度数据，110kV 供电局侧的无功功率约为6300 kvar，再根据主变10kV 侧敷设电缆的长度计算该部分的无功功率：
上述10kV电力电缆的单相对地电容量按（300mm2 0.38uf/km；185mm2 0.33uf/km；95mm2；0.26uf/km）计算，单相对地总电容量为11uf，约合容性无功345.4 kvar。
即在不投入电容补偿支路的前提下，总的容性无功为6300+345.4=6645.4 kvar。考虑线路及其他附加电容，按6800 kvar考虑无功补偿配置。
3.2无功平衡比选方案及参数选择
为了补偿容性无功两种方案，一是在110kV侧加装电抗器，二是在10kV侧加装电抗器两种方案。
考虑本站为110kV户内GIS变电站，无法为110kV电抗器、110kV GIS断路器间隔增设布置场地，所以不考虑方案一。而方案二10kV有备用出线间隔及保护，10kV电抗器也相对容易布置，确定采用在变压器10kV侧加装电抗器方案补偿110kV電缆线路的容性无功的方案。
利用变电站的边角空地，选用户外型10kV侧并联干式空心电抗器，由10kV备用出线开关柜通过电缆连接，利用原有10kV备用出线保护设两段过流保护。
为了达到功率因数cosφ=0.9的要求，计算如下：
cosφ=0.9，φ=25.85°
有功功率2～3MW，无功功率为2×sin25.85°～3×sin25.85°=0.872～1.308MVAR
因此，为适应负荷变化，补偿电抗器容量确定为6800 kVAR±700 kVAR。
将来负荷逐步增加过程中，可以与现有电容器组合以适应不同运行工况。
3.3方案实施效果
本项目10kV并联电抗器自2017年10月份投产以来，运行了约10个月，系统运行稳定，针对性解决了变电站低载时，110kV电缆线路的容性无功倒送系统问题，在钦州供电局计量关口点的功率因数达0.95，不但免除了每月上百万的罚款，还有一定奖励，获得了近千万元的经济效益，而且这个经济效益随运行时间增加会逐月累加。
4、结束语
本项目研究成果表明，变电站原设计方案没有配置感性补偿措施，可能是没有考虑110kV长电缆线路的容性无功，以及变电站投产初期轻载情况下对于容性无功的消耗极少，导致大量容性无功倒送系统而被罚款。
如果本站投产初期，2组10kV电容器可暂不需要配置，改为配置10kV电抗器1～2组，待到110kV长电缆线路的容性无功不足以补偿负载需要时，再根据需要逐步设置，避免资金无谓投入过早造成浪费。
总而言之，电能质量对于系统运行稳定及运行经济效益有着极为重要的影响，深入研究变电站功率因数及无功补偿措施，并开展不同负荷情况下的针对性优化工作，设置必要的调控措施，对于实施无功平衡分区、分层及就地平衡和科学调控，是确保电力稳定，减少网损的重要措施。
（作者单位：广西防城港务集团有限公司）
关键词：变电站；功率因数分析；无功补偿措施
电力系统中要求电源提供两类能量，其一是用于做功而被消耗的能量，其二是用于磁场的建立，被用在能量交换上的能量，该部分功对外部电路来说并没有做功，因此将其称为无功功率，如果无功功率不足，无功负荷和无功电源必将处在一种低电压平衡，最终导致电力设备损耗增加、设备损坏等危害，严重者甚至导致电网大面积停电，因此积极研究变电站功率因数及无功补偿措施有着一定的意义。
1、变电站功率因数问题的出现
钦州保税港大榄坪作业区110kV大榄坪变电站2016年建成投产，通过9.8km的电缆线路（ZR-YJLW03-110/64-500mm2，电缆电容量 0.176μf/km）与钦州供电局220kV大榄坪变电站的110kV出线间隔连接。
110kV大榄坪变电站设置110kV与10kV两个电压等级，110kV已建成1号主变1×31.5MVA，1回110KV出线，线变组接线；20回10kV馈线，2电容1站变，单母线接线。
钦州保税港大榄坪作业区110kV北港大榄坪变电站与钦州供电局计量关口点设置在220kV大榄坪变电站的110kV出线间隔。110kV大榄坪变电站投产以来，10kV有功负荷约2-3MW，主变轻载，在计量关口点功率因数偏低，最低不足0.3。导致每月被供电局无功考核罚款约100万元，经济损失巨大，严重影响了变电站经济运行及供电利润。
我们立即成立技术攻关小组研讨，专题解决变电站低功率因数导致的不经济运行问题。按照项目的要求：在投入补偿设备后，当负载有功为2～3MW 的情况下，在供电局计量点处的功率因数达到0.9以上。
2、无功平衡的分析及无功补偿作用
2.1无功平衡分析
在案例中，出现无功功率不足的情况，起初分析认为：
一是因为一些设备计量不准或一些线路接线错误导致，通过对设备计量进行校验及对接线检查，排除了计量出现误差和接线错误的可能；
二是电容器补偿的容量不够，但投入全部电容器后，罚款并没有减少，反而会增加。
基于以上两点，并不是本站容性无功不足引起的功率因数不足。而是本站规划设计方案只考虑了本站变压器满载情况下容性无功的补充，却没有考虑本站投产初期低载情况下，线路大量容性无功过剩倒送系统引起的功率因数过低。
技术攻关小组将注意力重点转移到110kV电缆线路上。
2.2无功补偿作用
（1）能够很好的改善功率因数，有效避免电路当中的设备在低功率因数下工作，减小了长距离运输导致的电压功率损耗，因此需要在用户处就采取有效的无功补偿措施。
（2）合理调节电压，供电负载对无功要求变化会导致供电点电压。
3、变电站无功补偿措施
3.1 无功平衡分析计算
根据本项目提供的110kV电缆线路规格及长度数据，110kV 供电局侧的无功功率约为6300 kvar，再根据主变10kV 侧敷设电缆的长度计算该部分的无功功率：
上述10kV电力电缆的单相对地电容量按（300mm2 0.38uf/km；185mm2 0.33uf/km；95mm2；0.26uf/km）计算，单相对地总电容量为11uf，约合容性无功345.4 kvar。
即在不投入电容补偿支路的前提下，总的容性无功为6300+345.4=6645.4 kvar。考虑线路及其他附加电容，按6800 kvar考虑无功补偿配置。
3.2无功平衡比选方案及参数选择
为了补偿容性无功两种方案，一是在110kV侧加装电抗器，二是在10kV侧加装电抗器两种方案。
考虑本站为110kV户内GIS变电站，无法为110kV电抗器、110kV GIS断路器间隔增设布置场地，所以不考虑方案一。而方案二10kV有备用出线间隔及保护，10kV电抗器也相对容易布置，确定采用在变压器10kV侧加装电抗器方案补偿110kV電缆线路的容性无功的方案。
利用变电站的边角空地，选用户外型10kV侧并联干式空心电抗器，由10kV备用出线开关柜通过电缆连接，利用原有10kV备用出线保护设两段过流保护。
为了达到功率因数cosφ=0.9的要求，计算如下：
cosφ=0.9，φ=25.85°
有功功率2～3MW，无功功率为2×sin25.85°～3×sin25.85°=0.872～1.308MVAR
因此，为适应负荷变化，补偿电抗器容量确定为6800 kVAR±700 kVAR。
将来负荷逐步增加过程中，可以与现有电容器组合以适应不同运行工况。
3.3方案实施效果
本项目10kV并联电抗器自2017年10月份投产以来，运行了约10个月，系统运行稳定，针对性解决了变电站低载时，110kV电缆线路的容性无功倒送系统问题，在钦州供电局计量关口点的功率因数达0.95，不但免除了每月上百万的罚款，还有一定奖励，获得了近千万元的经济效益，而且这个经济效益随运行时间增加会逐月累加。
4、结束语
本项目研究成果表明，变电站原设计方案没有配置感性补偿措施，可能是没有考虑110kV长电缆线路的容性无功，以及变电站投产初期轻载情况下对于容性无功的消耗极少，导致大量容性无功倒送系统而被罚款。
如果本站投产初期，2组10kV电容器可暂不需要配置，改为配置10kV电抗器1～2组，待到110kV长电缆线路的容性无功不足以补偿负载需要时，再根据需要逐步设置，避免资金无谓投入过早造成浪费。
总而言之，电能质量对于系统运行稳定及运行经济效益有着极为重要的影响，深入研究变电站功率因数及无功补偿措施，并开展不同负荷情况下的针对性优化工作，设置必要的调控措施，对于实施无功平衡分区、分层及就地平衡和科学调控，是确保电力稳定，减少网损的重要措施。
（作者单位：广西防城港务集团有限公司）