攀煤变电站无功补偿问题研究与应用

2022-03-06王金柱

设备管理与维修 2022年2期

王金柱，蔡友

（川煤（集团）华荣能源公司水电分公司，四川攀枝花 617000）

1 攀煤电网使用并联电容器补偿方式的原因

攀煤电网补偿主要是在6 kV 母线上并联无功补偿装置，并结合攀煤电网的线路长、变压器较多的特点。使用这种功率补偿控制模式的优点主要在于运行中通过并联开关电容器的一个容性输入电流驱动可以直接抵消一个感性驱动电流，使得信号传输器与控制元件如电源变压器、线路中相对无功功率大幅度减小，不仅可以大大降低设备由线路下载的系统功率损耗，还大大减少了系统电压的损耗，提高系统功率因数。因此，直接采用三相并联电容器对各级动力电网进行无功电流补偿技术，是目前国际电力系统中最广泛的一种技术应用。

2 攀煤电网系统选用SVG+FC 无功补偿方式的理由

攀煤矿山企业属于煤矿供电网络系统，绝大多数矿山设备运行都需要消耗无功功率。例如：煤矿使用的风力通风机、压风机，水厂等企事业单位使用的电机、电力专用变压器、电焊机等。这些电力设备不但需要从电力系统中吸收有功，还需要从电网下载一定量的无功，以达到便于产生这些电力设备正常工作运行所必须的交变电磁场。这就需要一种能够提供固定补偿无功的FC，及能够随着负荷不断变化而提高或者减少无功输出的动态无功补偿SVG。这种补偿方式是根据攀煤供电系统的特点而选择的。该系统在投入运行后，总是出现一些问题，如功率因数在后台监控系统中显示过低等，但是FC 和SVG 都投入运行不可能出现这种情况。这种特殊情况的出现会给公司带来很大的经济损失，因为如果电力部门在输送有功功率一定的条件下，无功功率的增大，可能降低整个供电系统的功率损失。我国电力部门要求企业在进一步提高其自然功率损失因数的前提和基础上，合理地装置各种无功补偿器件，使企业的功率损失因数能够达到0.9 以上。

3 利用电压与电流的相位差处理问题

在三相四线制供电系统中，三项电流之间的相位差夹角为120°，三相电流之间的相位差夹角为120°，相电流与电压之间夹角的相位差的余弦值就是功率因数。当电流相位超前于电压时系统呈现容性负载，当电流相位滞后于电压时则呈现感性负载。利用这个相位原理来分析处理实际遇到的问题（图1）。

图1 电压与电流向量图

4 攀煤电网投入运行以来出现的问题及分析

4.1 电网监控后台和微机保护装置功率因数显示不正确

分析：二次接线错误导致。继电保护装置功率因数的计算是由电压互感器二次侧的电压和电流互感器二次电流的采样计算而来。在安装过程中，从微机保护控制柜到电流、电压互感器柜的需要用电缆连接，由于安装人的技术水平和责任心不强，导致二次线接线出现错误。这种情况造成功率因数显示不正确和影响计量结果。

（1）相序混乱。例如：根据保护装置出现的情况可得电压的角度UA=0°、UB=240°、UC=120°，电流的角度IA=210°、IB=90°、IC=330°。根据以上条件画出相位图，可知A、B、C 三相的电压与电流不在同一个相序上，电压相序恒定不变时，A 相电流接在B相电流上，B 相电流接在C 相电流上，C 相电流接在A 相电流上。正确的相位是UA超前IA相位角为14°，功率因数为cos14°=0.97。

（2）极性相反。错误原因有：①电流互感器的一次线接反；②电压互感器的一次线或者二次线接反；③从设备到装置的二次电缆接线错误；④设备的二次采样电流、电压互感器接反。

（3）极性和相序都错误。当出现A、B、C 三相电流的相序错误，极性也错误，最好的调整方法是先调整相序，再调整极性。在整变电站系统测试中，试验人员往往在试验过程中只重视保护二次线而不检查测量二次线的接线情况，导致接线错误，给变电站计量工作和监控造成很大的损失和影响。

4.2 功率因数出现很小值的情况

分析：由于容性无功补偿不够导致。电网在运行中，投入的感性设备较多，设备需要的无功比较大时，由于某些原因导致电网提供的无功和电容器提供的无功较少，导致功率因数较小。根据电压电流相位角判断，当电压与电流功率因数角度为69°时，功率因数cos69°=0.36。或者是系统为感性负载时，电流超前电压，系统呈感性，需要容性无功与之抵消，但容性无功不足。由公式可得，当线路提供是容性无功不足时，线路需要的总无功较大，由公式cosΦ=P/S、S2=P2+Q2，无功Q 较大，视在功率较大，P不变时，功率因数较小。

4.3 系统出现过补偿情况判断

分析：线路提供的容性无功过多超过了系统所需要的感性无功。当系统所补偿的容性无功超过了感性无功时，由公式（总无功=感性无功-容性无功）可知，总无功为负数，根据相位图，当电流超前电压时，系统呈容性，此时系统会向线路反送无功，造成变压器和线路的负担和经济损失。

根据电流与电压的相位关系可知，电压与电流无限接近时功率因数才达到要求值，如果系统所需要的感性无功与系统提供的容性无功相等，也就是电压与电流相位角为0°时，整个系统的功率因数将达到1（理想状态下，现实中不可能完全相等）。但是随着用电负荷的不断变化，系统所需要的感性无功也在不断变化，这种情况下就需要一种能够随时提供变化的无功补偿系统，也就是公司现在所用的动态无功补偿SVG 系统。但是当系统在最低负荷情况下所需的感性无功小于FC 电容补偿时，就会出现过补现象。

4.4 变压器低压侧柜电流与各配出柜电流之和不相等

分析：造成这种情况的原因是由于6 kV 母线并联电容补偿系统。6 kV 进线柜中的电流分为有功电流和无功电流，该无功电流由发电厂提供。当6 kV 系统向线路下载的无功为0 时，该进线的功率因数达到1。剩余的无功是由并联电容器通过6 kV母线直接补偿到各个配出柜，不经过变压器低压侧柜，因此会出现变压器低压侧电流低于各配出柜电流之和。

5 实际运用

基于上述情况，本公司继电班的维护人员与计量部门配合，先在保护装置查看三相电流的角度与三相电压的角度。利用上述知识对图形进行分析，确定是由哪一种情况引起的，根据问题调整电流电压二次进行的位置或方向，或者改变保护装置后面电压电流线的方向，或位置调整完后检查保护装置界面的有功、无功、功率因数是否正常，最后系统后台界面显示是否正确。对每个变电站的高峰期负荷和用电低峰负荷进行分析，确定了无功功率的补偿值的大小，使整个变电系统能够良好运行，同时也避免了电力部门的罚款。

6 使用的依据及创新

该创新方法提出的理论依据是电压与电流的相位差的余弦值为功率因数，在电力系统电压超前电流为感性负载，电压滞后电流为容性负载。该方法处理无功补偿问题尚属首次。这是基于多年的工作经验和理论提出的一种创新方法，是实践与理论很好结合的产物。对在以后的工作中解决实际问题提供了参考资料和培训的依据。利用电压与电流相位差的方法处理35 kV 变电站的功率因数问题，间接避免了电力部门的罚款。同时，利用分析相位，对公司计量出现的问题进行整改，防止了电量的丢失，减少了单位损失。该研究报告书对无功补偿在应用实践中出现的问题提出了新的处理方法。该方法不需要借助任何仪器，而利用变电站内资源对问题进行现场分析，为实际工作处理提供了依据，同时也可作为培训作业人员很好的教材。