計及負荷功率因數提高的輸變電工程無功平衡實用計算

張麗娟 謝現舉 李 鑫 李 洛 李美玲

(中國電建集團青海省電力設計院有限公司)

0 引言

無功功率的存在是交流電力系統特有現象。

電力系統中有功功率和頻率關系密切; 無功功率與電壓相對應。要保證頻率質量必須要有充足的有功備用; 保證電壓質量則需有足夠的無功功率。

無功負荷從系統中吸收感性無功功率, 雖然無功負荷本身不做工, 只與電源交換能量, 但其占用電力系統發供電設備容量, 對設備的有功功率供應能力、電力傳輸過程中的電壓損失、有功損耗、無功損耗等均會產生較大影響, 無功功率直接影響系統電壓水平和功率因數[2]。

1 無功平衡的基本原則

(1) 無功電力平衡實行分層分區、就地平衡的原則[3]。

(2) 宜根據無功負荷增長和電網結構變化分期裝設。

2 無功平衡

2.1 無功功率分類

根據國際電工委員會推薦, 當電流滯后電壓相量時, 功率因數取正值[2]。因此, 滯后電流對應正的無功功率, 即感性無功功率取正值; 超前電流對應負的無功功率, 即容性無功功率取負值。對于負荷而言,滯后的無功功率為無功負荷, 表示從系統中吸收無功; 超前的無功功率視為無功電源, 表示向系統輸出無功功率。

對于元件上的無功損耗, 電抗的損耗表示從系統吸收無功; 容抗上的損耗則相反即向系統輸出無功功率。

2.2 無功平衡的目的

在電力系統運行過程中, 無功負荷隨著運行方式的不同而有所變化, 系統中無功電源的配置應滿足各種方式下的系統需求, 以維持系統處于合理的電壓運行水平, 保證系統運行的安全可靠性。

2.3 無功電源

廣義的無功電源包括同步發電機、調相機、并聯電容(抗) 器、線路充電功率、動態無功補償裝置[3]。

3 變電站無功平衡計算

電力系統的無功功率平衡包括容性無功平衡和感性無功平衡。在負荷高峰(或重載) 時, 系統的感性無功損耗較大, 容性補償不足, 需要重點進行容性無功功率平衡計算, 以確定容性無功電源的需求量;在低谷(輕載) 負荷時, 系統感性無功消耗減少,線路容性充電功率可能過剩, 往往體現出感性無功補償的不足, 此時, 應重點分析感性無功平衡, 確定感性無功電源的需求量。

(1) 感性無功平衡

需考慮各電壓等級配出線路充電功率、首端和末端是否配置高抗。

計算充電功率時需考慮線路電壓等級、導線截面、線路長度、線路對地電容(一般選用典型參數,750kV 電壓等級, 建議通過桿塔仿真計算后確定)

①各電壓等級配出線路充電功率總和的一半(若為末端站, 則低壓配出線應考慮全部補償);

②線路并聯高壓電抗器以補償線路充電功率的85%為宜[4];

感性總補償容量=①-②。

線路充電功率=線路單位長度充電功率×線路總長度

線路充電功率(容性):QLC=ωCU2

式中,QLC為輸電線路充電功率, Mvar;U為平均運行電壓, kV;ω為系統角頻率, 2πf;C為線路正序電容, F。

(2) 容性無功平衡

分為四大板塊。

①各電壓等級配出線路無功損耗總和的一半(若為末端站, 則低壓配出線應考慮全部補償);

②變壓器無功損耗;

③提高負荷功率因數所需要的無功功率;

④站內高抗補償容量 (線路本站側+ 母線高抗);

容性總補償容量=①+②+ ③+ ④- 線路充電功率[5]。

線路無功損耗(感性):

式中,QL為線路無功損耗, MVar;I為線路電流, kA;P為線路傳輸的有功功率;U為線路末端節點電壓, kV;XL為輸電線路電抗, Ω。

變壓器無功損耗(感性):

式中,S1、S2、S3為變壓器各側繞組通過的容量,MVA;ST為變壓器額定容量, MVA;I0(%) 為變壓器空載電流百分數;UK1(%)、UK2(%)、UK3(%)為變壓器各側短路電壓百分數。

上式可以近似用下式計算:

即:QT=η2Uk12%ST

4 提高負荷功率因數的計算

對于直接供電的末端變(配) 電所, 安裝的最大容性無功量應等于裝置所在母線上的負荷按提高功率因數所需補償的最大容性無功量與主變壓器所需補償的最大容性無功量之和。

依據《電力系統無功補償及調壓設計技術導則(DL/T 5554—2019)》[4]: “高壓供電的用戶在最大負荷時功率因數宜為0.9 以上, 小負荷時不應向電網倒送無功。其他100kVA (kW) 及以上電力用戶和大、中型電力排灌站, 功率因數宜為0.85 以上?！?。但是GB/T 40427—2021 導則[1]要求: “35kV 及以上高壓供電的電力用戶, 在考慮無功補償后, 再負荷高峰時, 其變壓器一次側功率因數不應低于0.95, 在負荷低谷時, 功率因數不應高于0.95。100kVA 及以上10kV 供電的電力用戶, 其功率因數應達到0.95以上?！?/p>

很多用戶站負荷功率因數雖然滿足老的規程要求, 但是不能滿足新的導則, 若改造設備, 不僅造價高, 而且影響生產, 經濟性較差。因此需要考慮提高負荷功率因數, 即額外補償將負荷功率因數從0.9 提高到0.95 所需要的無功容量。

負荷所需補償的最大容量無功量計算式為:

式中,Qcf,m為負荷所需補償的最大容量無功量 ( MVar);Pfm為母線上的最大有功負荷(MW);φ1為補償前的最大功率因數角 (°);φ2為補償后的最大功率因數角 (°);Qcf0為由cosφ1補償到cosφ2時, 每MW 有功負荷所需要補償的容性無功量。

5 算例分析

某330kV 用戶站, 主變規模4 ×240MVA, 電壓等級330/110/10kV; 有110kV 負荷400MW, 10kV 負荷120MW, 負荷功率因數0.90, 負荷平均分配于每臺主變。通過雙回約40km 330kV 架空線路(導線截面2 ×400mm2) 與主網相連, 110kV 出線10 回, 平均每回線路長度8km, 導線截面選擇240mm2。10kV出線60 回, 平均每回線路長度1.6km, 導線截面選擇120mm2。

在裝置變電所及低壓變電所內, 設置10kV、0.4kV 電容補償裝置, 進行無功補償, 使功率因數達到0.95 以上。但仍有約100MW 負荷的功率因數不能滿足達到0.95。因此330kV 站內需考慮提高此部分負荷功率因數的補償容量。

330kV2 ×400mm2導線參數: 電抗0.316Ω/km,電容: 0.0111μF/km。

110kV240mm2導 線 參 數: 電 抗 0.388Ω/km;10kV120mm2導線參數: 電抗0.335Ω/km。因110kV及以下架空線路充電功率較小, 本次計算忽略。但對于220kV 及以上電壓等級應計及。

330kV 變壓器短路阻抗高中11%、高低28%、中低17%。

(1) 感性無功平衡

QLC=ωCU2= 0.5×(314×0.0111×2×40×3632×10-6)= 18.37Mvar

330kV 線路較短, 且為負荷站, 經工頻過電壓計算線路無需配置高抗。且低壓配出線路充電功率較小, 忽略, 因此站內感性缺額為18.37Mvar。

(2) 容性無功平衡

站內容性缺額為44.92Mvar, 其中主變損耗占總缺額的76%、提高負荷功率因數提高所需要的補償占比35%, 線路充電功率大于線路損耗, 線路呈容性, 可提供11%補償量。

6 無功補償容量配置及選型

(1) 對于330kV、500kV、750kV 變電站容性無功補償容量應考慮補償主變壓器以及輸電線路輸送容量較大時電網的無功缺額, 可按主變的10% ～20%配置或經計算確定。

(2) 并聯電容器組和低壓并聯電抗器組的補償容量, 宜分別為主變壓器容量的30%以下。

(3) 低壓并聯電容器分組原則: 投切一組低壓電容器引起所在母線的電壓變動值, 不宜超過系統標稱電壓的2.5%。低壓并聯電抗器分組原則: 投切一組低壓電抗器引起所在母線的電壓變動值, 不宜超過其額定電壓的2.5%。220kV 及以上變電站低壓側無負荷時, 投切低壓電容(抗) 器組引起的所在變電站中壓側母線電壓波動值, 不宜超過系統標稱電壓的2.5%[7]。

(4) 無功補償設備應均衡配置在每臺主變低壓側[8]。

通過電壓波動計算分析, 因低壓側為10kV, 且有負荷, 電壓波動不宜超過2.5%。經計算分析分組容量不宜超過8Mvar。

分組無功設備在不同組合方式下投切時, 不得引起高次諧波諧振和有害諧波的放大。

發生n 次諧波諧振的電容器容量Qcx(MVA) 可按下式進行估算:

式中,Sd為電容器裝置安裝處的母線短路容量, MVA;

K為電抗率;n為諧波次數。

常規需監測站內或地區諧波含量及次數, 分析是否有必要串聯電抗, 根據諧波占比, 確定串抗率。一般串抗率為12%電容器可以限制三次及以上諧波,分組容量不受串聯電抗率的影響。多數需校核串抗率為5%, 能否對三次諧波產生放大。本工程,Sd=636MVA, 若串抗率為5%, 當分組容量為38Mvar 或組合容量為38Mvar 時, 僅會對三次諧波產生放大,故應避免。

綜合考慮以上因素, 本工程低壓電抗器配置:4 ×(1 ×6) Mvar; 低壓電容器: 4 ×(2 ×6) Mvar。

7 結束語

(1) 本文通過理論分析提出無功平衡的實用計算方法, 通過實例計算驗證, 考慮了計及負荷側功率因數提高的變電站無功平衡, 滿足最新規程的要求。為今后變電站低壓側無功補償配置提供了可參考的計算思路, 可供工程中參考應用。

(2) 每臺主變低壓側分別配置了1 組6Mvar 電抗器和2 組6Mvar 電容器。該配置是綜合全站無功需求、兼顧經濟性, 又考慮了滿足電壓波動的最大單組容量。其中, 為提高負荷功率因數所配置的無功補償設備占總容量的35%左右; 線路充電功率大于線路損耗, 呈容性, 可充當部分無功電源。

(3) 關于電容器的串抗率的選擇建議結合地區和站內的諧波監測含量, 進一步分析論證。