关于提高箱式变电站功率因数的方法探讨

刘立敬

摘  要：功率因数是电力系统中的重要技术参数，如何提高箱式变电站的功率因数是电力系统维护的重要工作之一。文章重点阐述了箱式变电站无功补偿的原理，并且根据箱式变电站实际运行状态，通过相应计算和分析，提出了两种提高功率因数的解决方案。

关键词：无功补偿;功率因数;静止无功发生器

中图分类号：TM63 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）28-0120-03

Abstract： Power factor is an important technical parameter in power system. How to improve the power factor of box type substation is one of the important work of power system maintenance. This paper focuses on the principle of reactive power compensation of box type substation. According to the actual operation state of box type substation and through corresponding calculation and analysis， this paper puts forward two solutions so as to improve the power factor.

Keywords： reactive power compensation; power factor; static var generator

引言

随着经济社会的发展与科技的进步，箱式变电站在我国配电系统中得到广泛的应用，它不仅具有箱变结构紧凑、占地少，外型美观的优点，而且能够提高供电质量、减少线路损耗，缩短送电周期。在箱式变电站的电力系统中，由于电动机等感性负载使电网产生感性无功电流，无功电流产生无功功率，从而引起箱式变电站功率因数下降，增加供电线路损耗以及电压损失，从而降低供电质量，如何提高箱式变电站的功率因数是电力系统维护的重要工作之一。下面结合我单位箱式变电站实际运行情况，浅谈一下提高箱式变电站功率因数的方法。

1 箱式变电站无功补偿的原理

在箱式变电的电力系统中，存在电感（电动机、灯泡、变频器等）、电容以及电阻等负载。当电流在电感元件中做功时，感性电流超前电压90°;当电流在电容元件做功时，容性电流滞后电压90°。在同一电路中，如果电感电流与电容电流方向相反，那么它们之间相差180°。为了抵消感性电流，我们可以在感性负载电路中有比例的安装电容元件，则可使感性电流和容性电流所产生的无功功率可以互相补偿。因此在感性负荷的两端并联适当容量的电容器，利用容性电流抵消感性电流将不做功的无功电流减小到一定的范围内，这就是箱式变电站无功补偿的原理。

2 箱式变电站无功补偿现状与数据分析

我单位800kVA箱式变电站自2019年下半年投入使用，无功补偿柜为传统的电容补偿，主要有无功补偿控制器、空气开关、接触器（电容器型）、自愈式低压电力电容器（共补型，10个，型号为：BSMJ0.45-30-3）、指示灯等电气元件连接而成，图1为箱式变电站无功补偿装置的原理图。

当无功补偿柜投入运行时，无功补偿控制器通过电流互感器（CT）采集电流信号，并通过相应的线路采集电压信号（相电压或者线电压采样）。当无功补偿控制器检测到箱变电力系统中的功率因数小于设定的投入门限（设定为滞后0.90）时，经过一定的时间延时（避免补偿电容频繁投切），无功补偿系统将进行投入下一组补偿电容;若大于设定的切除门限（滞后0.96）或功率因数为负时，经过一定的时间延时，补偿系统将切除下一组补偿电容。在无功补偿控制系统中，控制器以继电器的输出方式控制10路接触器的通断以此来控制低压电容器的投入与退出。

表1为我单位箱式变电站从2019年10月至2020年5月高压计量与低压计量分析比对表。

通过表格对比，可以看出在2019年11月和2020年5月份两个月份的功率因数较低，电能利用率低，电容未投入使用，因此需分析原因。经查记录，这两个月为淡季，用电量较少，平均有功功率为50kW左右;其余月为正常用电负荷正常，平均有功功率为300kW左右。

现要计算需要投入电容量（这里仅讨论共补的形式。）

补偿容量大小的计算公式为：

Q=P（tgφ1-tgφ2）

式中：Q-补偿电容器的无功功率;P-负载的有功功率;tgφ1-补偿前功率因数的正切角;tgφ2-补偿后功率因数的正切角。

利用三角函数表格可知，当cosφ1=0.80时，tgφ1=1.25;当cosφ2=0.96时，Tgφ2=1.04;P=50kW，带入公式得：

Q1=50*（1.25-1.04）=10.5≈11（kvar）

Q2=300*（1.25-1.04）=63（kvar）

电容补偿需要补偿的功率范围为11Kvar≤Q≤63kvar。

现场电容柜为300kvar（10组，单组为30kvar），当用电负荷不是很大的情况下，电容柜需要投入电容为11kvar，若投入一组自愈式低压电容器（30kvar），那么整个电力系统的功率因数超过切除门限（滞后0.96），因此补偿电容柜不投入，这也造成了箱式变电站功率因数过低的原因;当用电负荷正常时，电容柜的低压电容器正常投入使用。

3 提高箱式变电站功率因数方法

3.1 采用静止无功发生器装置

静止无功发生器是一种用于补偿无功以及电力系统三相不平衡的新型电力电子装置，该装置可以替代传统的电容补偿柜。它采用IGBT半导体模块，功率密度大，可靠性高，并且利用DSP高速检测和运算的数字控制系统，能够对电力系统中不断变化的无功需求进行快速连续的补偿，它可以克服传统的电容补偿柜响应速度慢、补偿效果不能精确控制、容易与电网发生并联谐振和投切震荡等缺点。

静止无功发生器基本原理如图2所示， 当发生器运行时，它在线不断的检測补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的无功电流抵消，最终得到期望的电源电流，从而动态的实现无功补偿的目的。

图3为单个静止发生器的连接示意图，无功静止发生器通过采集电力系统中三相的电流、三相电压与零线等信号以此来工作。

3.2 调整电容器柜内电容的容量

在不改变现有电容柜电路的前提下，改变现有电容容量，采取措施如下：

（1）将无功补偿控制器的工作模式更改为顺序投切，

控制器将按照从前到后的顺序投入补偿电容，从后到前的顺序切除已投入的电容。

（2）根据电容补偿柜实际的运行状态，将电力电容器的容量更改为100kvar（10组，型号为BSMJ0.45-30-3自愈式低压电力电容器）。

4 结束语

在实际运行中，提高箱式变电站的功率因数，不仅可以改善电力系统中电能质量、降低线路电能损耗以及变压器损耗，而且还提高设备的利用率。本文仅针对800kVa箱式变电站运行中功率因数过低的情况进行计算分析，并提出了两种合理方案，以解决用电负荷较低时箱式变电站功率因数较低的问题。

参考文献：

[1]张振文.电工手册[M].北京：化学工业出版社，2018.

[2]曾培亮.封闭式户外全自动电容补偿综合配电柜在配网中的应用[J].电工技术，2003（10）：66-67

[3]周志军.低压补偿电容屏的调试与维护[J].电气时代，2002（03）：52-53.