无功补偿在农村电网改造中的应用

閤先华

（中国船舶重工集团公司第712研究所, 武汉 430064）

1 引言

我国上一轮大规模农网改造工程自 1998年启动，至2004年两期农网建设和改造工程历时6年，国家共投入2100多亿元[1]。但随着农村用电负荷的不断增加，原有的电网已不能满足用户用电需求，农网建设与改造有四大重点问题：1）农村高低压电网电能损耗高、布局不合理、供电可靠性差、电能质量差和农村电价高的问题；2）提升供电可靠性，充分考虑冰冻灾害等自然因素，制定电网可靠运行的防范措施；3）促进农村电网结构先进，布局合理、装备良好，管理科学，达到优质、安全、高效、低耗的目标；4）农网改造和建设所需的设备立足于国产设备节能产品，降低线路损耗，降低电费，在促进国产设备提高质量的同时起到拉动国民经济增长的作用[2]。为解决电网“卡脖子”问题，国家将投入巨资启动这一轮农网改造工程，全年农网改造投资的“大盘子”将近600亿元[3]。

2 装置的一般应用工况和结构组成

农村电网有其特殊性，由于地理位置分散，所处环境千差万别，再加上其负荷的不稳定性，综合各种因数考虑，一般在某一个固定变电站(或线路)高压端（如10 kV）采用一次集中非线性的动态补偿。一般使用要求为户外柱上就地安装，环境温度为-40oC～45oC；同时，为了减少人工成本，农村电网无功补偿的控制功能和通讯功能要求比较高，要求能自动实现装置的按要求运行和集中数据处理要求。

其结构根据所处地点的工况和环境不同而略有不同。其结构一般包括电容器、电抗器（根据工况也可不要）、真空接触器、电压互感器、电流互感器、熔断器、避雷器、控制器等。一般为了安全和方便操作，控制器采用一个箱体、其它器件采用一个箱体，控制器在附近方便操作。箱体应有良好的通风散热设计，防雨、防潮及防小动物进入的措施，适于户外环境长期运行。

3 装置的一次主接线图和工作原理

根据上述装置的使用工况和结构组成，实际应用中每套装置的容量不大，根据各种工况的不同，一般采用一路为静态补偿，直接接在线路上，再加上采用一路或二路可自动投切的构成一套装置，具体的主接线图如图1所示。

图1

装置的工作原理是：由电压互感器（PT）采集相电压信号，高精度非接触式电流互感器（CT）采集相电流信号传送到控制器。经过控制器采样电路，得到电压、电流的模拟信号，再经A/D转换，得出电压、电流等的数字量，然后通过控制器微处理器的运算，得出电压、电流、有功、无功、功率因数、谐波等参数，并同存贮在固定存贮器中的系统设置点（可根据以上参数选择不同的控制模式。如：根据无功、电压、电流、功率因数等）进行比较，决定什么情况下操作电容器组，并通过高压真空交流接触器来执行电容器组的分、合闸，从而达到自动循环投切电容器组来补偿线路无功的目的，使电网上无功功率供需就地自动平衡，起到了降低线损、提高功率因数及系统的输电能力、改善配电网供电质量等重要的作用。

4 控制功能和保护功能

在此装置的应用中，为了能满足各种工况要求，在其它元器件一定的情况下，控制器的要求比较高，一般具有智能逻辑控制功能，必须具有按电压控制、按时间控制、按电压时间控制、按功率因数控制、按电压无功控制等自动控制方式。需要满足如下条件[4]：

1）电压控制方式。跟踪电压的波动，设定电压投切门限投切电容器。

2）时间控制方式。每天可设若干个时间段，设定投切时间段进行控制。

3）电压时间控制方式。每天可设两个时间段，时间段内按电压控制模式进行控制。

4）功率因数控制方式。利用控制器自动计算投切后的电网状况，按功率因数控制模式进行电容器组投切控制。

5）电压无功控制方式。按电压无功九区图进行控制。

控制器具备短路保护、过压保护、失压保护、过流保护、缺相保护、投切延时保护（10分钟保护，防止电容器带电荷合闸）、防止振荡投切保护、日投切次数限制保护等保护功能。

5 数据处理功能

控制器除具有基本的控制功能外，还具有如下配网运行数据及其它数据记录功能。

1）线路实时电压、电流、功率因数、有功功率、无功功率、总谐波畸变率等参数查询；

2）每天整点实时数据统计存贮：包括电压、电流、功率因数、有功功率、无功功率、总谐波畸变率等参数。

3）每天线路极值数据统计存贮：包括电压、电流、有功功率、无功率、功率因数、总谐波畸变率的最大值、最小值及出现时刻。

4）每天电容器组动作统计存贮：包括动作次数，动作对象，动作性质（保护动作、自动投切），动作时电压、电流、功率因数、有功功率、无功功率等参数。电容器组投入和切除各计作一次动作。

控制器具有 RS232/485通讯接口，可采用GSM 和 GPRS模块进行无线通讯，实现“四遥”功能。还可实现远方读取实时数据，上传并查询每日整点数据、极值数据、电容器动作数据，可远方系统对时；可修改设定控制器整定值；可远方遥控投切电容器组。

6 控制和保护功能的实现

6.1 采样和计算参数[5]

根据上述装置的工作原理，控制采样电压为电压互感器二次侧任意两相电压，采样电流为总进线电流互感器二次侧另一非电压采样的一相和装置每一路的相电流。根据实际需要一般需精确计算和分析出装置如表1所示的电气参数：

表1

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6.2 控制策略

根据要求，可按设定的时间、设定的电压、设定的功率因数和设定的无功功率来投切电容器。设定重投入时间或门限，保证电容器的投切平滑，在负荷快速变化时不会频繁动作；设定线路闭锁门限，防止电容器组的故障扩大。或者采用多种策略配合使用，来满足使用条件。控制框图如图2所示。

图2

6.3 监视功能

监视功能可以判断装置是否因电流断线而报警，电容器任一相断电报警框图如图3。

图3

还有类似电压报警、柜体异常报警等，报警原理和电流断线类似。

6.4 保护功能

保护功能主要是针对电容器所做出的各类投切动作，一般包括电流速断、限时电流速断、定时限过电流、过电压、低电压、不平衡等保护，根据实际运行需要可以灵活的配置成报警和跳闸功能。

如电流速断保护是当任一相电流大于电流速断保护电流设定值时保护动作，从故障电流启动到保护动作出口的最短时间不大于40 ms。有时为了躲过避雷器的放电时间或电容投入时产生的涌流，电流速断保护可以设置整定延时。动作条件：

1）电流速断保护功能使用；

2）任意一相电流大于设定的电流定值；

3）延时超过设定的时间。逻辑框图如图 4所示。

图4

各类保护的逻辑框图都是根据实际需要，对各种参数进行检测后计算分析得出，逻辑框图和电流速断保护功能类似。

7 数据处理功能

由于农村电网比较分散，在实际运行过程中不可能随时有人在每条线路上职守，但有问题或问题何时产生以及产生的原因能及时地反馈到用户是不得不考虑的问题，这就对运行的数据收集、处理、通讯等提出了要求。

一般情况下，后台支持软件具有正常运行数据统计功能、事件记录功能、通讯功能等。

统计功能要求能满足如表2所示的要求。

事件记录功能要记录的事件包括动作次数，动作对象，动作性质（保护动作、自动投切），动作时电压、电流、功率因数、有功功率、无功功率等参数（电容器组投入和切除各计作一次动作）。

表2

数据统计和事件记录时限一般为最后 90天的时间内装置所发生的各类数据和事件。

8 结束语

无功补偿在电网很多方面都能应用得到，其产生的效果在很多文献中也提及到，实际应用中由于每个工况有其固有的特点而相应的产生一系列工程变化。本文详细地阐述了无功补偿在农村电网改造中所应具有的技术特点和技术的实现。在农村电网中，根据上文中所述的特点，要求整套装置外形尺寸尽可能的小、重量尽可能的轻、自动化程度要求尽可能做到无人值守。故此类装置每套补偿容量比较小，一般不大于600 kVar，但由于数量众多，具有就近集中补偿，特别适合于供电半径较长，功率因数较低的6 kV，10 kV馈线线路。安装后会使线路功率因数明显提高，线损大大下降，同时改善电网的电压质量而得到广泛的应用。

[1]郑晓奕. 新一轮农村电网改造将启动. 经济参考报,2010(2).

[2]小钉. 应加快农村电网改造升级. 2010全国两会经济报道, 2010-2.

[3]肖媛. 电网改造工程技术文件, 2010.

[4]张述志等. 钢铁企业设计手册. 北京：冶金工业出版社.