变电站电容器无功补偿处理机制分析

2022-08-01满建柱吴德志

光源与照明 2022年3期

关键词：投切功率因数电容器

满建柱，吴德志

国网北京检修公司，北京 100073

0 引言

随着科学技术的不断发展和进步，人们对电能质量的要求越来越高，为保证变电站功率损耗和电能损耗问题得到控制，要完善变电站电容器无功补偿控制模式，提高电压质量，在优化设备出力效果的同时，减少配变安装容量，从而最大程度上推进变电站可持续发展。

1 无功补偿处理机制概述

对于电网系统而言，用电设备都基于电磁感应原理开展相应工作，由电源给交变磁场提供磁场能。与此同时，变电站中相关用电设备，如电动机和变压器等，也会在能量转换时从电网中吸收对应的无功功率，一旦无功功率数值增大，就会对供电系统的功率因数产生影响，甚至会产生较为强烈的电能损耗和电压波动，使变电站的供电质量受到严重影响。无功补偿处理机制非常关键，企业要善于处理用电功率因数，维持良好的技术管控机制。关于感性负载，有功功率、无功功率的关系如下：

式中：P为有功功率；S为视在功率；φ为相电压和相电流之间的相位差，即功率因数角[1]。结合具体参数可知，如果供电系统中输送的有功功率恒定，cosφ越小，产生的无功功率越大，对应的视在功率数值也会增大。为此，要整合具体工作内容，合理地提高功率因数。目前，较常见的方法是并联电容器，建立完整的无功补偿处理机制，能最大程度上提高用电企业的功率因数，维持整体电能控制的合理性和规范性，也能最大程度上优化电能输送质量。

1.1 电容器无功补偿处理机制原理

在供电企业常规化工作开展过程中会接入大量设备，电机、变压器等基础设备均为感性负载模式，在实际应用时要大量吸收电网的感性无功功率，才能建立相匹配的交变磁场工作模式。因此，多数企业会采取低压电网并联电容器的处理方式，能在提高容性无功功率的基础上，尽可能降低感性负载结构从电网中吸收的感性无功功率，维持相应参数的平衡，也能最大程度上提高电网应用的实效性。将电容器应用在感性负载结构上，容性电流的超前电压呈现垂直角度，并且感性电流滞后电压以同样的垂直角度完成工作，二者大小相同、方向相反，可以互相抵消。将无须开展无功补偿的功率因数设定为φ'，在无功补偿出现后，感性电流滞后电压和容性电流超前电压抵消，此时功率因数设定为φ，因为φ'＞φ，所以cosφ'＜cosφ。基于以上原理，采取并联电容的处理模式，能更好地控制功率因数。

1.2 计量方式

不仅要结合变电站电容器的应用要求完成并联处理，也要对电容补偿容量进行计算和分析，结合企业电网提高功率因数，在确定容量的前提下完成计算。比如，某变电站采取运维中心加氢装置，车间月平均有功负荷参数为500 kW，功率因数为0.8，若想控制无功补偿效果，将功率因数提高到0.95，则按照式（2）计算：

式中：Qc为电容补偿容量；Pmax为最大有功功率；cosφ1和cosφ2为补偿操作前后的功率因数的余弦值[2]。

2 变电站电容器无功补偿处理机制的应用意义

对于变电站常规化管理工作而言，对电容器进行无功补偿有利于践行规范化管控方案，提升应用控制效能，确保结合变电站规范管理标准和要求，维持无功补偿协调性和科学性。

2.1 优化设备利用率

应用无功补偿处理机制能维持设备的应用效能，在采取无功补偿处理机制前，电容器的相关工作参数如表1 所示；在利用无功补偿处理后，相关工作参数如表2 所示。

如表1、表2 所示，在基础运行负荷参数不变的状态下，应用无功补偿处理机制能大大提升功率因数，并且维持较好的系统电流和系统无功参数[3]。也就是说，无功补偿的方式可以提高功率因数，减少电网内无效的无功功率，避免耗能增加对整个电网运行产生影响，从而打造更加可控合理的约束机制，与此同时，因为电气设备做功的过程中负荷、电压、电流一定，所以电网可转换的有功功率会增加，相当于整个变压器的基础容量得到改善，在设备维持方面无须耗费较多时间，同等容量的变压器和输电线路能为用户输送更多的有功功率。

表1 应用无功补偿处理机制前的变电所运行情况

表2 应用无功补偿处理机制后的变电所运行情况

综上所述，在变电站电容器应用控制体系中，采取无功补偿处理机制能最大程度上提高设备的利用率，确保变压器有功功率输出效果得以优化，也为满足设备负荷需求创设良好的条件，在减少能耗损失的同时，也能打造更加安全、合理且资源应用控制效能较好的设备管理模式。

2.2 优化末端电压

在变电站电容器控制工作中应用无功补偿控制机制，还能减少电压损耗，维持末端电压的整体水平和良好的应用控制效果，打造更加安全可靠的线路运行模式。在功率输送过程中，线路会形成对应的电压损耗，计算公式如下：

式中：ΔU为电压损耗；PR为线路导线输送的有功功率；Qx为变压器绕组输送的无功功率；Ue为线路的额定线路电压。结合公式，合理控制变电站电容器的无功功率，能减少无功损耗。配合无功补偿处理机制，减少无功功率，可以提升末端电压参数，这对于优化变电站整体电能传输和管理效果具有重要意义[4]。

3 变电站电容器无功补偿处理机制的实现方式

在明确变电站电容器无功补偿处理机制的应用价值后，要结合变电站的实际管理要求和标准落实相应工作，确保无功补偿效率的最优化，匹配可控性管理机制，保证相应补偿处理效果能满足应用预期。

3.1 常规开关投切处理

在变电站常规化控制工作中，电容器无功补偿处理机制主要是借助开关投切的方式进行无功补偿操作。常规开关投切处理中，要采取断路器完成电容器的并联控制，主要并联在变电站的母线位置，以保证能形成集中补偿模式，同时将电容器并联在线路位置上，实现合理性分散和就地补偿。但是电容器开关投切的无功补偿无法结合无功需求的变化进行统筹处理，这会对实际工作效能产生影响。在低谷时段，电压数值偏高会造成电容器无法有效投入运行，必然会产生较大的线损问题[5]。因为无功分配存在一定的不均衡性，使得常规化开关投切不能贴合电容器无功补偿处理机制的应用需求。因此在应用常规开关偷窃处理时，需要合理配置电容器的容量，完善分段分组投切方式，但是这会增加投切难度，甚至无法建立固定化投切处理。基于此，目前多数变电站在电容器无功补偿方面都对常规化开关投切处理方式进行优化升级，确保电力系统电能质量能满足应用预期，在贴合频率指标参数的同时，符合电压指标的具体要求[6]。一般情况下，采取模拟量或者微电脑功率因数检测机制，能进行相关参数的实时性分析，配合中间继电器能完成断路器的联通和切断，能直接完成补偿电容器的投切控制，避免能耗损失对最终的投切效果产生影响。

3.2 采用补偿装置

目前，多数变电站的车间低压电容柜都采用补偿装置，电容补偿柜中也会设置隔离开关、无功补偿控制器、无功补偿状态显示器等，按照对应的情况完成相应参数的实时控制，配合智能化处理模块完成数据信息的收集。在智能化处理模块中，智能电力电容器还能完成测量工作、保护工作、信号分析工作及过零投切工作等，建立自诊断功能应用模式，实时关注投切的进程和效果，维持应用水平最优化[7]。

3.3 优化自然功率因数

为保证变电站电容器无功补偿效果最优化，要整合具体的应用过程，配合技术手段提升常规化管理水平，维持良好的应用状态，在减少无功功率的同时，确保功率因数能满足实际应用需求，避免能耗损失造成的不良影响。

（1）要合理选择用电设备的规格和型号，匹配变电站电容器的应用标准，选取适当的处理方式和控制机制，并且要集中落实可控的应用监督机制，避免用电设备出现轻载运行的情况，保障无功补偿的效果。

（2）要控制用电设备的维修质量，保证系统运行方式能实现优化目标，强化用电设备的匹配度。在合理选择无功补偿点的同时，采取标准化接入处理方式，维持良好的可控效果，提高补偿功率因数，保证应用效能的最优化[8]。

4 案例分析

文章以S 公司运行维护中心加氢变电所进线为例，采取无功补偿处理机制完成变电站电容器无功补偿。每段电容器划分为8 台，其中2 台电容的容量为20 kvar，另外6 台电容的容量为40 kvar。电容柜内设置无功补偿控制器，利用系统电压、电流等基础数据进行分析和评估，计算系统功率因数，并自动判定投切组数。在实际应用环境中，借助RJ45 接口线实现智能化系统的接入和处理，在获取指令信号后，配合电容器投切容量控制模式，对电容器予以正确的投切控制，实现系统功率因数的稳定管理。在投入之前，系统功率因数为0.8；在投入后，系统功率因数逐渐升高到0.95。

借助无功补偿控制器完成相应参数的检查和分析，才能建立更加直观的数据采集应用模式，确保模拟量应用效能的最优化。与此同时，借助相应的控制手段完成电容补偿器的控制管理，能实现电容补偿器的实时投入和切断，建构动态控制模式，为功率因数的合理优化予以支持，减少能耗损失，为变电站智能化管理工作的顺利开展予以支持。