变电站无功及其补偿装置的选择

罗晓军

摘要：无功功率它是用于电路内电场与磁场的交换，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。它不对外作功，而是转变为其他形式的能量。凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就要消耗无功功率。典型的需要无功的设备为电动机和变压器，由于它不对外做功，才被称之为“无功”。但绝不是无用的功率，公司地面变电站主要服务于井下开采，大部分负荷为电动机类负荷，感性无功负荷比较集中和突出，本文就矿区地面变电站无功补偿装置及容量选择做如下论述。

关键词：无功功率;磁场;能量;电动机;变压器

Abstract：reactive power is the electric power used for the exchange of electric field and magnetic field in the circuit，and used to establish and maintain the magnetic field in electrical equipment. It does not work externally，but is transformed into other forms of energy. All electrical equipment with electromagnetic coils must consume reactive power in order to establish a magnetic field. The typical equipment that needs reactive power is motor and transformer. Because it does not do external work，it is called "reactive power". However，it is by no means useless power. The ground substation of Shendong company mainly serves mine mining. Most of the loads are motor loads，and the inductive reactive load is relatively concentrated and prominent. This paper discusses the reactive power compensation device and capacity selection of ground substation in Shendong mining area as follows.

Key words：transmission line，lightning strike，overvoltage，lightning line

引言

電力系统中无功由于它不对外做功，才被称之为“无功”。但绝不是无用的功率。尽管无功功率本身不存在功率的消耗，但是这种功率还是由电感元件或者电容元件与电源之间进行的，而且是以无功电流的流动来完成交换的，而电力系统中的线路及其它元件均存在电阻，无功电流在电阻上会产生消耗，所以电力系统中大量的无功流动还是会产生能量损失的，故在电力系统中应该尽量减少无功电流的流动，以减少能量损失和电压波动。

一、无功补偿的必要性及补偿基本原则

电力系统中若配电室中不装设无功补偿装置，则用电设备所需要的无功功率只能全部由电网提供，此情况下会存在以下问题：1、增加上一级变电站的无功补偿容量，2、输电线路传送大量无功功率，增加线路损耗及电压损失;3、本变电站电气设备额定电流增大，增加设备投资;4、新建变电站需要增大变压器容量以满足无功传送需求，已建成变电站变压器容量得不到充分利用，增加变压器过载的概率;5、功率因数达不到国家电网公司要求（35～220kV变电站在主变最大负荷时一次侧功率因数不应低于0.95），用户被罚款。

基于以上分析可见无功补偿的重要性，无功补偿装置应在各级电网中分层分区就地补偿，以减少无功电流在电网中的传输，提高输电线路的带负荷能力和变压器等设备的利用率。

二、并联补偿装置的类型、功能及优缺点分析

中低压电网大多采用并联补偿装置进行无功功率的补偿，并联补偿装置主要分为两大类，并联电容补偿装置和静补装置。

1、并联电容补偿装置

电容器由于其具有单位投资少，电能损耗小，维护简单，搬迁方便等优点，且随着近年来我国电容器制造水平的不断提高，电容器的可靠性达到了较高的标准，故在电力系统中电容器作为无功补偿设备得到了广泛的应用，并联电容补偿装置分为断路器投切的并联电容器装置和可控硅投切的并联电容器装置，装置的功能为向电网提供可阶梯调节的容性无功，以补偿多余的感性无功，减少电网损耗和提高电网电压，

优点：利用真空断路器或者接触器分组自动投切并联电容器，操作简单，维护方便。

缺点：涌流大，降低开关的使用寿命，不能随着负载的变化而实现快速而精准的调节，在保证母线功率因数的同时容易造成向系统倒送无功，抬高母线电压，危害用电设备及系统的稳定性。

2、静补装置

静止无功补偿器是一种静止型的动态无功补偿设备，其静止是相对调相机等旋转设备而言的，分为SVC和SVG两大类，SVC是在机械投切电容器和电抗器设备的基础上，采用大量的晶闸管（可控硅）替代机械式开关设备而发展起来的，是灵活交流输电技术的第一代产品，这种容量依据无功负荷和电压的变化，快速做出反应，迅速而连续地改变无功功率的大小和方向（容性和感性），其响应时间一般不大于20ms，从而能有效抑制冲击负荷（主要是无功负荷）引起的电压波动，有利于系统电压稳定水平，SVC主要由三种组合方式：1）饱和电抗器（SR）+固定电容器（FC）;2） 晶闸管控制电抗器（TCR）+晶闸管控制电容器（TSC）;

3）晶闸管控制电抗器（TCR）+机械断路器控制电容器（MSC），上述三种方式均因为噪声大、能耗高等因素被淘汰。

静止无功发生器（SVG）

SVG是近年来出线的一种新型动态无功补偿装置，装置采用大功率全控型电力电子器件（IGBT）组成的三相逆变器，核心部件是自换相电压源型变流器。它的直流储能元件一般采用直流电容器，交流侧通过电抗器或耦合变压器以并联方式接入系统，实际上这是一个接入电力系统的对电压幅值和相角可控的无功功率电源，SVG可以根据负载特点和工况，自动调节其输出的无功功率的大小和性质（容性或者感性）。SVG是目前最为先进的无功补偿技术，它不再采用大容量的电容、电感器件，而是通过大功率电力电子器件的高频开关实现无功能量的变换。从技术上讲，SVG较传统的无功补偿装置有如下优势：

（1）响应时间更快，SVG响应时间：<5ms。传统动补装置响应时间：≥10ms。

SVG可在极短的时间之内完成从额定容性无功功率到额定感性无功功率的相互转换，这种无可比拟的响应速度完全可以胜任对冲击性负荷的补偿。

（2）抑制电压闪变能力更强

（3）运行范围更宽，SVG能够在额定感性到额定容性的范围内工作，所以比其他类型动补的运行范围宽很多。更重要的是，在系统电压变低时，SVG还能够输出与额定工况相近的无功电流。而其他类型动补均靠电容器提供容性無功，其输出的无功电流与电网电压成正比，电网电压越低，其输出的无功电流也越低，所以对电网的补偿能力也相应变弱。这是其他类型动补技术上的本质缺点。

（4）有源滤波功能，不仅自身产生的谐波含量极低，还能够对负载的谐波和无功进行补偿，实现有源滤波的功能，真正做到多功能化。

（5）占地面积较小，由于无需大容量的电容器和电抗器做储能元件，SVG的占地面积通常只有相同容量其他类型动补的50%，甚至更小。所以，在一些厂矿改造中SVG具有很大的优势。

三、35kV变电站无功补偿装置现状

现有的变电站均设置有无功补偿装置，补偿型式主要有以下两种方式：

1、全站均为固定电容器补偿，固定电容器通过电容器出线柜接于10.5（6.3）kV母线上，常用的补偿容量有1800kVar、2400kVar、3000 kVar、3600 kVar极个别站采用4000 kVar，为了限制电网高次谐波放大及限制电容器合闸涌流，并联电容器需要和串联电抗器串联连接，运行方式为每套电容器组全部投入或者退出。

2、全站以固定电容器+静态无功补偿装置（SVG）补偿，电容器接线与补偿方式1中的接线相同，运行方式为当所需无功功率小于固定电容器的补偿容量时，静态无功补偿装置投入运行，当所需无功功率大于固定电容器的补偿容量时此时成套电容器装置投入运行，剩余缺额无功功率由SVG补偿。

上述两种补偿装置补偿型式优缺点分析

1）全站固定电容器补偿装置优缺点分析

固定电容器补偿装置优点：①投资少、见效快，以一套2400kVar的固定

电容器为例，全套装置价格约为15-17万元，而同样容量的静态无功补偿装置价格约为90-100万元。②产品成熟、可靠性高，维护工作量少，电力电容器行业经过多年的发展，目前已经成为国产化做得最好的电器制造业之一，基本能够做到户外安装免维护。

固定电容器补偿装置缺点：①部分变电站受负荷较多、开关柜数量限制等因素，现有的部分单套补偿装置补偿容量过大，如BRT变电站单套补偿容量达到3600kVar，实际使用时出现功率因数过低而电容器由于出现过电压严重的情况而不能投入使用，严重的限制了补偿装置的使用，未能达到预期的补偿效果。

②电容器的投切使变电站母线电压波动较大，

2）全站以固定电容器+静态无功补偿装置（SVG）补偿

固定电容器+静态无功补偿装置（SVG）补偿主要优点

1）无功负荷小时静态无功补偿装置投入运行，此时补偿容量全部由SVG

补偿，无功负荷大时两套装置均投入运行，固定电容器补偿后剩余的无功缺额由SVG来补偿，两种补偿情况，补偿容量根据所需的无功负荷补偿，用多少补多少，能够有效的抑制快速变化的负荷所产生的电压波动和闪变。2） 改善了系统电压质量和提高电力系统在小干扰和大干扰下的稳定性。

固定电容器+静态无功补偿装置（SVG）补偿主要缺点

该补偿装置的主要缺点为，设备投资大，需要专用的配电室安装。

基于以上两种补偿装置的比较，可以发现，全站以固定电容器+静态无功补偿装置（SVG）补偿无功效果较好，技能满足无级调节电力系统无功的要求，又能减少对电力系统的冲击，避免向系统倒送无功等情况的出现，且设备造价一般的企业均可以接受。

总结：无功功率作为电力系统的重要组成部分，必须分层分区就地补偿，补偿应该结合设备造价等因素，尽量减少对系统的冲击，避免母线过电压水平超过额定电压的1.1倍，同时注意电容器本身的额定电压要高于系统的额定电压，各类型的无功补偿装置，均有自己的优缺点，设计中根据实际情况将它们予以组合以实现无功补偿方案的最优化。

参考文献

[1]宋森，并联电容器装置技术及应用，中国电力出版社 2011

[2]弋东方，电力工程电气设计手册 电气一次部分，中国电力出版社 2014

[3]并联电容器装置设计规范 GB50227-2008 中国计划出版社 2010

[4]关志成，朱英浩，周小谦等.中国电气工程大典第10卷（第一版）[M].北京：中国电力出版社，2010.

[5]付建华，许之敏，乌荣康等.煤矿生产能力核定与管理指南[M].北京：中国经济出版社，2006：91.

[6]刘屏周，卞铠生，任元会等.工业与民用配电设计手册[M].北京：中国电力出版社，2016.