淺談電力系統(tǒng)中的無功補償技術(shù)

張愛瑜 溫志勇

淺談電力系統(tǒng)中的無功補償技術(shù)

張愛瑜 溫志勇

合理的無功功率補償，能夠有效地維持系統(tǒng)的電壓水平，降低有功網(wǎng)損，提高網(wǎng)絡(luò)輸送容量，減少發(fā)電費用。在對電力系統(tǒng)四種無功功率補償方案進(jìn)行技術(shù)比較的基礎(chǔ)上提出建議：根據(jù)實際情況，將四種無功補償方案結(jié)合起來使用，可以獲得最好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。

電力系統(tǒng)；無功補償方式

1概述

隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對電力 的需求日益增長，同時對供電的可靠性和供電質(zhì)量提出了更高的要求。由于負(fù)荷的不斷增加，以及電源的大幅增加，不但改變了電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，也改變了系統(tǒng)的電源分布，造成系統(tǒng)的無功分布不盡合理，甚至可能造成局部地區(qū)無功嚴(yán)重不足、電壓水平普遍較低的情況。隨著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，當(dāng)系統(tǒng)受到較大干擾時，就可能在電壓穩(wěn)定薄弱環(huán)節(jié)導(dǎo)致電壓崩潰。電力系統(tǒng)無功潮流分布是否合理，不僅關(guān)系到電力系統(tǒng)向電力用戶提供電能質(zhì)量的優(yōu)劣，而且還直接影響電網(wǎng)自身運行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。若無功電源容量不足，系統(tǒng)運行電壓將難以保證。由于電網(wǎng)容量的增加，對電網(wǎng)無功要求也與日增加，此外，網(wǎng)絡(luò)的功率因數(shù)和電壓的降低將使電氣設(shè)備得不到充分利用，降低了網(wǎng)絡(luò)傳輸能力，并引起損耗增加。因此，解決好配電網(wǎng)絡(luò)無功補償?shù)膯栴}，對電網(wǎng)的安全性和降損節(jié)能有著重要的意義。

2無功功率對電壓的影響

電網(wǎng)無功功率的高低影響著電網(wǎng)的電壓質(zhì)量，電網(wǎng)電壓水平，是靠無功功率來維持平衡的。電網(wǎng)電壓質(zhì)量的好壞，無論是對電網(wǎng)還是對電力用戶，都有著很大的影響。

2.1 電壓對電力用戶的影響。

電壓過低：(起重機(jī)、碎石機(jī)、磨煤機(jī)等)異步機(jī)轉(zhuǎn)矩下降，影響拖動能力；異步機(jī)轉(zhuǎn)速下降，影響產(chǎn)品質(zhì)量；電爐功率下降，增加冶煉的時間和產(chǎn)量；照明設(shè)備的發(fā)光率和亮度下降。

電壓過高：影響電氣設(shè)備的絕緣壽命；增大電機(jī)變壓器的鐵芯損耗，溫度增高，壽命減短；照明設(shè)備的壽命急劇下降。

電壓閃變：沖擊負(fù)荷產(chǎn)生的電壓突然下降和恢復(fù)，對附近電能用戶產(chǎn)生不利影響。

2.2 電壓對電力系統(tǒng)的影響。

電壓過低：廠用電機(jī)械(異步機(jī))轉(zhuǎn)矩下降及轉(zhuǎn)速下降，影響電廠的正常發(fā)電；增大電網(wǎng)功率損耗和能量損耗；在無功功率嚴(yán)重不足的系統(tǒng)可能引起“電壓崩潰”現(xiàn)象。

電壓過高：直接影響到高壓輸電設(shè)備的絕緣壽命；增大變壓器的鐵芯損耗，溫度增高，壽命減短。

所以合理的進(jìn)行無功功率的補償，能夠有效地維持系統(tǒng)的電壓水平，提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，避免大量無功的遠(yuǎn)距離傳輸，從而降低有功網(wǎng)損，減少發(fā)電費用。而且由于中、低壓配電網(wǎng)長期以來無功缺乏，造成的網(wǎng)損相當(dāng)大，因此無功功率補償是降損措施中投資少回報高的方案。一般配電網(wǎng)無功補償方式有：變電站集中補償方式、低壓集中補償方式、桿上無功補償方式和用戶端補償方式。

3電力系統(tǒng)無功功率補償方式

維持電力系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性，應(yīng)使電力系統(tǒng)中的無功功率保持平衡，即系統(tǒng)中的無功電源可發(fā)出的無功功率應(yīng)大于或等于負(fù)荷所需的無功功率和網(wǎng)絡(luò)中的無功損耗。系統(tǒng)中無功功率的平衡關(guān)系式如下：

Qgc-Qfe-Ql=Qb式中：

Qgc為電源發(fā)出的無功功率之和；

Qfe為無功負(fù)荷之和；

Ql為網(wǎng)絡(luò)中的無功損耗之和；

Qb為系統(tǒng)可提供的備用無功功率。

Qb〉0，表示系統(tǒng)中無功功率可以平衡而且有適當(dāng)?shù)膫溆茫籕b

3.1 變電站集中補償方式。

針對輸電網(wǎng)的無功平衡，在變電站進(jìn)行集中補償，補償裝置主要是并聯(lián)電容器，主要目的是改善輸電網(wǎng)的功率因數(shù)、提高終端變電所的電壓和補償主變的無功損耗。這些補償裝置一般連接在變電站的二次電壓母線上，因此具有管理容易、維護(hù)方便等優(yōu)點，但是這種方案對配電網(wǎng)的降損起不到什么作用。

3.2 低壓集中補償方式。

目前國內(nèi)較普遍采用的另外一種無功補償方式是在配電變壓器380V側(cè)進(jìn)行集中補償，通常采用自動補償控制器控制的低壓并聯(lián)電容器柜，容量在幾十至幾百千乏不等，根據(jù)用戶負(fù)荷水平的波動投入相應(yīng)數(shù)量的電容器進(jìn)行跟蹤補償。主要目的是提高專用變用戶的功率因數(shù)，實現(xiàn)無功的就地平衡，對配電網(wǎng)和配電變的降損有一定作用，也有助于保證該用戶的電壓水平。這種補償方式的投資及維護(hù)均由專用變用戶承擔(dān)。目前國內(nèi)各廠家生產(chǎn)的自動補償裝置通常是根據(jù)功率因數(shù)來進(jìn)行電容器的自動投切的，也有為了保證用戶電壓水平而以電壓為依據(jù)進(jìn)行控制的。這種方案雖然有助于保證用戶的電能質(zhì)量，但對電力系統(tǒng)并不可取。因為雖然線路電壓的波動主要由無功量變化引起，但線路的電壓水平是由系統(tǒng)情況決定的。當(dāng)線路電壓基準(zhǔn)偏高或偏低時，無功的投切量可能與實際需求相去甚遠(yuǎn)，出現(xiàn)無功過補償或欠補償。

對配電系統(tǒng)來說，除了專用變壓器之外，還有許多公用變壓器。而面向廣大家庭用戶及其他小型用戶的公用變壓器，由于其通常安裝在戶外的桿架上，進(jìn)行低壓無功集中補償則是不現(xiàn)實的，難于維護(hù)、控制和管理，且容易成為生產(chǎn)安全隱患。這樣，配電網(wǎng)的補償度就受到了限制。

3.3 配電線路補償方式。

由于配電網(wǎng)中大量存在的公用變壓器沒有進(jìn)行低壓補償，使得補償度受到限制。由此造成很大的無功缺口需要由變電站或發(fā)電廠來填，大量的無功沿線傳輸使得配電網(wǎng)網(wǎng)損仍然居高難下。因此可以采用10kV戶外并聯(lián)電容器安裝在架空線路的桿塔上(或另行架桿)進(jìn)行無功補償，以提高配電網(wǎng)功率因數(shù)，達(dá)到降損升壓的目的。由于桿上安裝的并聯(lián)電容器遠(yuǎn)離變電站，容易出現(xiàn)保護(hù)不易配置、控制成本高、維護(hù)工作量大、受安裝環(huán)境和空間等客觀條件限制等工程問題。因此，桿上無功優(yōu)化補償必須結(jié)合以下實際工程要求來進(jìn)行：

(1)補償點宜少，一條配電線路上宜采用單點補償，不宜采用多點補償。

(2)控制方式應(yīng)簡化。桿上補償不設(shè)分組投切。

(3)補償容量不宜過大。補償容量太大將會導(dǎo)致配電線路在輕載時的過電壓和過補償現(xiàn)象；另外桿上空間有限，太多的電容器同桿架設(shè)，既不安全，也不利于電容器散熱。

(4)接線宜簡單。最好是每相只采用一臺電容器裝置，以降低整套補償設(shè)備的故障率。

(5)保護(hù)方式也要簡化。主要采用熔斷器和氧化鋅避雷器分別作為過流和過電壓保護(hù)。

顯然，配電線路無功補償主要是針對10kV饋線上沿線的公用變所需無功進(jìn)行補償，這種補償方式具有投資小，回收快，補償效率較高，便于管理和維護(hù)等優(yōu)點，適合于功率因數(shù)較低且負(fù)荷較重的長配電線路，但是因負(fù)荷經(jīng)常波動而該補償方式是長期固定補償，故其適應(yīng)能力較差，主要是補償了無功基本負(fù)荷，不能隨著負(fù)荷的變化而自動投、切，補償度一般是不能達(dá)到所期望的程度。應(yīng)該開發(fā)電容器組能自動投切的桿上自動無功補償技術(shù)。

3.4 用戶終端分散補償方式。

目前，電力用戶的用電量大幅增長，企業(yè)、廠礦和小區(qū)等對無功需求都很大，直接對用戶末端進(jìn)行無功補償，將最大地降低電網(wǎng)的損耗和維持網(wǎng)絡(luò)的電壓水平?！豆╇娤到y(tǒng)設(shè)計規(guī)范》 (GB50052—1995)指出，容量較大，負(fù)荷平穩(wěn)且經(jīng)常使用的用電設(shè)備無功負(fù)荷宜單獨就地補償。故對于企業(yè)和廠礦中的電動機(jī)，應(yīng)該進(jìn)行就地?zé)o功補償；針對小區(qū)用戶終端，由于用戶負(fù)荷小，波動大，地點分散，無人管理，因此應(yīng)該開發(fā)一種新型低壓終端無功補償裝置，并滿足以下要求：(1)智能型控制，免維護(hù)；(2)體積小，易安裝；(3)功能完善，造價較低。

與前三種補償方式相比，本補償方式將更能體現(xiàn)以下優(yōu)點：(1)可以降低線損率；(2)減小電壓損失，改善電壓質(zhì)量，進(jìn)而改善用電設(shè)備啟動和運行條件；(3)釋放系統(tǒng)能量，提高線路供電能力。缺點是由于低壓無功補償通常按配電變壓器低壓側(cè)最大無功需求來確定安裝容量，而各配電變壓器低壓負(fù)荷波動的不同時性，造成大量電容器在較輕載時的閑置，設(shè)備利用率不高。

4配電網(wǎng)無功補償遇到的問題

隨著人們對配電網(wǎng)建設(shè)的重視和無功補償技術(shù)的發(fā)展，低壓側(cè)無功補償技術(shù)在配電系統(tǒng)中也開始普及。從靜態(tài)補償?shù)絼討B(tài)補償，都取得了豐富的經(jīng)驗。但是在實踐中也暴露出一些問題，必須引起重視。

4.1 優(yōu)化。

目前無功補償?shù)某霭l(fā)點往往放在用戶側(cè)，只注意補償用戶的功率因數(shù)。然而要實現(xiàn)有效的降損，必須從電力系統(tǒng)角度出發(fā)，通過計算全網(wǎng)的無功潮流，確定配電網(wǎng)的補償方式、最優(yōu)補償容量和補償?shù)攸c，才能使有限的資金發(fā)揮最大的效益。無功優(yōu)化配置的目標(biāo)是在保證配電網(wǎng)電壓水平的同時盡可能降低網(wǎng)損。由于它要對補償后的運行費用以及相應(yīng)的安裝成本同時達(dá)到最小化，計算過程相當(dāng)復(fù)雜。

4.2 諧波。

電容器本身具備一定的抗諧波能力，但同時也有放大諧波的副作用。諧波含量過大時會對電容器的壽命產(chǎn)生影響，甚至造成電容器的過早損壞；并且由于電容器對諧波的放大作用，將使系統(tǒng)的諧波干擾更嚴(yán)重。因而做無功補償時必須考慮諧波治理，在有較大諧波干擾，又需要補償無功的地點，應(yīng)考慮增加濾波裝置。

4.3 無功倒送。

無功倒送會增加配電網(wǎng)的損耗，加重配電線路的負(fù)擔(dān)，是電力系統(tǒng)所不允許的。尤其是采用固定電容器補償方式的用戶，則可能在負(fù)荷低谷時造成無功倒送，這應(yīng)引起充分考慮。

5結(jié)束語

在配電網(wǎng)進(jìn)行無功補償、提高功率因數(shù)和搞好無功平衡，是一項降損技術(shù)措施。本文簡要分析了四種無功補償方式，認(rèn)為應(yīng)更多地考慮系統(tǒng)的特點將它們結(jié)合起來進(jìn)行無功補償。按照上述方案實施無功補償，可以使電壓水平的合格性和穩(wěn)定性得到顯著提高，整個電網(wǎng)的網(wǎng)損降到最低的程度。

OntheApplicationofVarCompensatorTechnologyintheElectricPowerSystem

Zhang Aiyu Wen Zhiyong

With the comparison of the four schemes of var compensator technology ,the paper put forward some suggestions to combined the four schemes of var compensator technology with the real situation in order to gain the economic benefits from the application of the var compensator technology.

electric power system; var compensator

ClassNo.:TM714.3DocumentMark:A

單振東 宋瑞斌)

張愛瑜，工程師，雞西電業(yè)局，黑龍江·雞西。郵政編碼：158100

1672-6758(2010)02-0072-2

TM714.3

A