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無功補(bǔ)償裝置在小水電的應(yīng)用
摘要： 無功補(bǔ)償裝置是依據(jù)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(fā)電機(jī)）和線路的功率，從而達(dá)到減少電能損耗這一原理制成的一種裝置。近年來，此裝置在用電企業(yè)和供電局中普遍采用，取得十分好的經(jīng)濟(jì)效益，證明這是一項(xiàng)十分成熟的技術(shù)。由于種種原因，未見在小水電中應(yīng)用的報(bào)道。黔東南州地方電力總公司，為了解決紅旗水力發(fā)電廠增加出力的問題，應(yīng)用了無功補(bǔ)償裝置這一技術(shù)，達(dá)到機(jī)組增容的目的，也取得了相當(dāng)好的效果。關(guān)鍵詞： 無功補(bǔ)償 提高功率因數(shù) 增加出力 降低線損
一、 紅旗水力發(fā)電廠概況
黔東南州地方電力總公司屬下的紅旗水力發(fā)電廠，座落在鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣涌溪鄉(xiāng)，屬于沅江支流的舞陽河上，距鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣城13km。電廠于1971年開工建設(shè)，1981年投產(chǎn)發(fā)電。電廠共裝機(jī)四臺，單機(jī)容量3200kw，總?cè)萘?2800kw。水輪機(jī)額定水頭34.5m，額定流量12.6m3/s，額定出力3380kw。主接線采用單母分段的方式向舞陽河地方電網(wǎng)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(wǎng)在鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣城，再由鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣城向國電凱里供電局上網(wǎng)。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(chǎn)發(fā)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(fā)電機(jī)定子線圈絕緣老化，決定更換定子線圈，此項(xiàng)工作由原生產(chǎn)廠家天津發(fā)電設(shè)備廠承擔(dān)。廠家建議，他們的水輪機(jī)出力可以提高，是否在更換線圈時，連同發(fā)電機(jī)增容一起考慮。即使現(xiàn)在不按增容運(yùn)行，也為以后增容創(chuàng)造條件。廠家建議增容到3800kw。我們采納了廠家建議，發(fā)電機(jī)線圈按3800kw更換。當(dāng)時更換線圈，主要是解決絕緣問題，增容只是次要的考慮。 線圈更換之后，按說3#、4#機(jī)可以按3800kw出力運(yùn)行，但由于諸多原因，直到2002年都是按3200kw運(yùn)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(fā)電機(jī)的出力。直到2002年底，我們在聯(lián)網(wǎng)點(diǎn)加裝了無功補(bǔ)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(shí)現(xiàn)。
三、 加裝無功補(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)增容運(yùn)行。
由于行業(yè)和商業(yè)的原因 ，以往一說到發(fā)電廠增容改造，發(fā)電機(jī)廠家就推薦改造發(fā)電機(jī)線圈的辦法，但這不是唯一的辦法。無功補(bǔ)償裝置廠家，也只是注重用電企業(yè)和供電局。這次，我們把無功補(bǔ)償裝置用于水力發(fā)電廠，取得了很好的效果。
2002年，省水利廳發(fā)文，批準(zhǔn)紅旗水力發(fā)電廠進(jìn)行增容技術(shù)改造，即對3#、4#機(jī)進(jìn)行增容改造增至單機(jī)3800kw。由于線圈改造工作已于94年完成，此次只對主變壓器和全廠的電氣控制保護(hù)設(shè)備進(jìn)行改造。因?yàn)榭刂票Ｗo(hù)部分與增容關(guān)系不大，本文不贅述了，只談一談如何解決主變和線路的問題。
當(dāng)時我們考慮，發(fā)電機(jī)增容，主變增容，但線路不改造，就還有一個瓶頸，還是達(dá)不到增加出力的目的。如果主變、線路不改造而在鎮(zhèn)遠(yuǎn)加裝無功補(bǔ)償裝置，減少無功電流的輸送，提高電廠運(yùn)行的功率因數(shù)，就可以達(dá)到提高發(fā)電廠有功出力的目的，達(dá)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(fā)電機(jī)增容后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(fā)電機(jī)運(yùn)行的功率因數(shù)來達(dá)到。發(fā)電機(jī)原額定功率3200kw，電壓6.3kv，電流366.5A，功率因數(shù)為0.8。增容為3800kw，要使電流不變，功率因數(shù)為 cos =0.95 在鎮(zhèn)遠(yuǎn)加裝無功補(bǔ)償裝置，我們還有另外一層考慮。我們在鎮(zhèn)遠(yuǎn)與凱里供電局聯(lián)網(wǎng)，上網(wǎng)功率因數(shù)按0.8考核，并且以上網(wǎng)的無功電能折算上網(wǎng)的有功電能，我們在鎮(zhèn)遠(yuǎn)的功率因數(shù)達(dá)0.86或以上。如果紅旗電廠按增容后的出力運(yùn)行，上網(wǎng)的功率因數(shù)將更高。為了解決這個問題，只有在鎮(zhèn)遠(yuǎn)（聯(lián)網(wǎng)點(diǎn)）裝設(shè)無功補(bǔ)償裝置才能解決（才能保證上網(wǎng)的功率因數(shù)為0.8）。
經(jīng)過反復(fù)認(rèn)真的論證，我們決定暫緩主變改造，而在鎮(zhèn)遠(yuǎn)開關(guān)站加裝無功補(bǔ)償裝置。委托湖南紫光測控有限公司設(shè)計(jì)和提供設(shè)備。補(bǔ)償容量為7200KVAR。主要設(shè)備有濾波電容器24只，濾波電抗器3臺，六氟化硫開關(guān)一臺，電容測控裝置一套，放電PT3臺。設(shè)備于2002年12月投入運(yùn)行，總造價（設(shè)備和土建、征地）120.78萬元。在試運(yùn)行期間測試，紅旗電廠輸送有功功率14000kw，即3#、4#機(jī)按有功功率3800kw，cos 為0.95運(yùn)行，1#、2#機(jī)按3200kw，cos 為0.8運(yùn)行。無功補(bǔ)償裝置輸出無功功率為6500～7000KVAR，開關(guān)站母線電壓為38～38.5KV，上網(wǎng)功率因數(shù)為0.8，完全達(dá)到了預(yù)期的要求。
四、 加裝無功補(bǔ)償裝置產(chǎn)生的效益
1、紅旗電廠發(fā)電量增加
我們只計(jì)算豐水期5、6、7三個月多發(fā)的電量，因?yàn)闄C(jī)組增容增加電量主要是豐水期，在其于期間增容對增加電量的作用不大（因庫容不夠每天只能發(fā)一至2臺機(jī)組）。補(bǔ)償之前，紅旗電廠被迫降低功率因數(shù)運(yùn)行，常降至0.75，3#、4#機(jī)只能按3000kw運(yùn)行，補(bǔ)償后按3800kw運(yùn)行，兩臺機(jī)比補(bǔ)償前共多帶1600kw，因?yàn)榕加型C(jī)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(bǔ)償裝置往電網(wǎng)輸送無功功率7000KVAR，也就是說，從電廠到鎮(zhèn)遠(yuǎn)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(guān)，與通過網(wǎng)上電流的平方成正比。因此，我們只計(jì)算變動損失的變化。但也無法確定其絕對值，只是計(jì)算在同一時段補(bǔ)償投運(yùn)后的變動損失占投運(yùn)前的百分比。
經(jīng)計(jì)算，補(bǔ)償后的變動損失占補(bǔ)償前的67%，也就是說，變動損失下降了33%。這一項(xiàng)的效益是巨大的，因?yàn)椴还茈姀S以何種方式運(yùn)行，豐水也好，枯水也罷，只要補(bǔ)償投入運(yùn)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，這里面包含了固定部分，我們假定變動部分為300萬kwh。那么補(bǔ)償投運(yùn)后降低的線損電量為300萬kwh×33%=99萬kwh。加上電廠多發(fā)電356萬kwh，全年增加電量為455萬kwh。以不含稅價0.2元/kwh計(jì)算創(chuàng)收益91萬元。
3、保證聯(lián)網(wǎng)點(diǎn)電壓正常，改善了電能質(zhì)量
無功補(bǔ)償裝置投運(yùn)一年多的實(shí)踐證明，只要精心調(diào)度，無功補(bǔ)償裝置正確投切，電廠對運(yùn)行的功率因數(shù)正確調(diào)整，則不管何種運(yùn)行方式，輸送功率多少，都能保證聯(lián)網(wǎng)點(diǎn)母線電壓在38.5kv左右，往電網(wǎng)輸送足夠的無功功率，上網(wǎng)功率因數(shù)為0.8。
五、建議
1、內(nèi)部、外部環(huán)境和技術(shù)條件與紅旗水力發(fā)電廠相仿的電廠，不妨通過論證一試。
2、以后新建水電廠，如果電廠離并網(wǎng)點(diǎn)或負(fù)荷中心較遠(yuǎn)，在設(shè)計(jì)時，最好把設(shè)置無功補(bǔ)償裝置，作為一種技術(shù)方案，加以考慮。
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