無功補償裝置在小水電的應用

摘要：無功補償裝置是依據無功功率不從電源和線路上取得，而是按照消耗無功功率的大小就地取得，以充分利用電源（發電機）和線路的功率，從而達到減少電能損耗這一原理製成的一種裝置。近年來，此裝置在用電企業和供電局中普遍採用，取得十分好的經濟效益，證明這是一項十分成熟的技術。由於種種原因，未見在小水電中應用的報道。黔東南州地方電力總公司，為了解決紅旗水力發電廠增加出力的問題，應用了無功補償裝置這一技術，達到機組增容的目的，也取得了相當好的效果。

關鍵詞：無功補償提高功率因數增加出力降低線損

一、紅旗水力發電廠概況
黔東南州地方電力總公司屬下的紅旗水力發電廠，座落在鎮遠縣湧溪鄉，屬於沅江支流的舞陽河上，距鎮遠縣城13km。電廠於1971年開工建設，1981年投產發電。電廠共裝機四臺，單機容量3200kw，總容量12800kw。水輪機額定水頭34.5m，額定流量12.6m3/s，額定出力3380kw。主接線採用單母分段的方式向舞陽河地方電網供電，由紅旗電廠、觀音巖電廠和諸葛洞電廠組成的舞陽河地方電網在鎮遠縣城，再由鎮遠縣城向國電凱里供電局上網。線路長10km，電壓35kv。總庫容4740萬m3，有效庫容2040m3，大壩高56m，溢流面高程503m，原先是無控制的自由壩頂溢流。1986年，在壩頂加裝六扇閘門，門長10m，高5.2m。這樣，提高了水頭，增加了庫容。1990年，上游的觀音巖電廠投產發電，增加了紅旗電廠的徑流量。有了上述兩個變化，使提高電廠出力有了可能。

二、增容改造的由來
1994年，3#、4#發電機定子線圈絕緣老化，決定更換定子線圈，此項工作由原生產廠家天津發電裝置廠承擔。廠家建議，他們的水輪機出力可以提高，是否在更換線圈時，連同發電機增容一起考慮。即使現在不按增容執行，也為以後增容創造條件。廠家建議增容到3800kw。我們採納了廠家建議，發電機線圈按3800kw更換。當時更換線圈，主要是解決絕緣問題，增容只是次要的考慮。線圈更換之後，按說3#、4#機可以按3800kw出力執行，但由於諸多原因，直到2002年都是按3200kw執行。其中主要原因之一，就是主變和線路未改造，主變和線路的容量仍然在限制發電機的出力。直到2002年底，我們在聯網點加裝了無功補償裝置，克服了主變和線路容量不夠大這個難題，增容才得以實現。

三、加裝無功補償裝置實現增容執行。
    由於行業和商業的原因，以往一說到發電廠增容改造，發電機廠家就推薦改造發電機線圈的辦法，但這不是唯一的辦法。無功補償裝置廠家，也只是注重用電企業和供電局。這次，我們把無功補償裝置用於水力發電廠，取得了很好的效果。
    2002年，省水利廳發文，批准紅旗水力發電廠進行增容技術改造，即對3#、4#機進行增容改造增至單機3800kw。由於線圈改造工作已於94年完成，此次只對主變壓器和全廠的電氣控制保護裝置進行改造。因為控制保護部分與增容關係不大，本文不贅述了，只談一談如何解決主變和線路的問題。
    當時我們考慮，發電機增容，主變增容，但線路不改造，就還有一個瓶頸，還是達不到增加出力的目的。如果主變、線路不改造而在鎮遠加裝無功補償裝置，減少無功電流的輸送，提高電廠執行的功率因數，就可以達到提高發電廠有功出力的目的，達到增容的要求。
    要使主變和線路電流不超過增容改造前的水平，只要發電機增容後還保持增容前的電流即原來的額定電流就可以了。這可以通過提高發電機執行的功率因數來達到。發電機原額定功率3200kw，電壓6.3kv，電流366.5A，功率因數為0.8。增容為3800kw，要使電流不變，功率因數為 cos =0.95    在鎮遠加裝無功補償裝置，我們還有另外一層考慮。我們在鎮遠與凱里供電局聯網，上網功率因數按0.8考核，並且以上網的無功電能折算上網的有功電能，我們在鎮遠的功率因數達0.86或以上。如果紅旗電廠按增容後的出力執行，上網的功率因數將更高。為了解決這個問題，只有在鎮遠（聯網點）裝設無功補償裝置才能解決（才能保證上網的功率因數為0.8）。
    經過反覆認真的論證，我們決定暫緩主變改造，而在鎮遠開關站加裝無功補償裝置。委託湖南紫光測控有限公司設計和提供裝置。補償容量為7200KVAR。主要裝置有濾波電容器24只，濾波電抗器3臺，六氟化硫開關一臺，電容測控裝置一套，放電PT3臺。裝置於2002年12月投入執行，總造價（裝置和土建、徵地）120.78萬元。在試執行期間測試，紅旗電廠輸送有功功率14000kw，即3#、4#機按有功功率3800kw，cos 為0.95執行，1#、2#機按3200kw，cos 為0.8執行。無功補償裝置輸出無功功率為6500～7000KVAR，開關站母線電壓為38～38.5KV，上網功率因數為0.8，完全達到了預期的要求。
四、加裝無功補償裝置產生的效益
1、紅旗電廠發電量增加
    我們只計算豐水期5、6、7三個月多發的電量，因為機組增容增加電量主要是豐水期，在其於期間增容對增加電量的作用不大（因庫容不夠每天只能發一至2臺機組）。補償之前，紅旗電廠被迫降低功率因數執行，常降至0.75，3#、4#機只能按3000kw執行，補償後按3800kw執行，兩臺機比補償前共多帶1600kw，因為偶有停機等原因，三個月按90天算：
1600kw×24h×90=345.6萬kw.h。
2、減少了線路損失
前面已說到，在紅旗電廠輸送14000kw有功功率時，無功補償裝置往電網輸送無功功率7000KVAR，也就是說，從電廠到鎮遠的線路少輸送無功功率7000KVAR，線路上電流減少了，因而線損也減少了。
    線損一般包括固定損失、變動損失兩大部分，固定損失是不隨輸送電流大小變化的，而變動損失與輸送電流大小有關，與通過網上電流的平方成正比。因此，我們只計算變動損失的變化。但也無法確定其絕對值，只是計算在同一時段補償投運後的變動損失佔投運前的百分比。
    經計算，補償後的變動損失佔補償前的67%，也就是說，變動損失下降了33%。這一項的效益是巨大的，因為不管電廠以何種方式執行，豐水也好，枯水也罷，只要補償投入執行，線損下降這一效益就始終存在。前三年平均線損電量為380萬kwh，這裡麵包含了固定部分，我們假定變動部分為300萬kwh。那麼補償投運後降低的線損電量為300萬kwh×33%=99萬kwh。加上電廠多發電356萬kwh，全年增加電量為455萬kwh。以不含稅價0.2元/kwh計算創收益91萬元。
3、保證聯網點電壓正常，改善了電能質量
    無功補償裝置投運一年多的實踐證明，只要精心排程，無功補償裝置正確投切，電廠對執行的功率因數正確調整，則不管何種執行方式，輸送功率多少，都能保證聯網點母線電壓在38.5kv左右，往電網輸送足夠的無功功率，上網功率因數為0.8。
五、建議
1、內部、外部環境和技術條件與紅旗水力發電廠相仿的電廠，不妨通過論證一試。
2、以後新建水電廠，如果電廠離併網點或負荷中心較遠，在設計時，最好把設定無功補償裝置，作為一種技術方案，加以考慮。