農(nóng)村電網(wǎng)無功功率補償?shù)募夹g(shù)探討

陳 進

（臨武縣水利電力有限責任公司 郴州市 424300）

在農(nóng)村電網(wǎng)中，隨著變壓器和交流電動機等電感性負載的廣泛使用，電力系統(tǒng)內(nèi)陡增大量感性無功電流，從而導致線路輸送電流增大，因而增加了饋電線路損耗和線路壓降，使電力設備得不到充分利用。目前，最經(jīng)濟最普遍的方法之一，就是采用并聯(lián)電容器組提供電容性電流對電感性電流給予補償，即采取無功功率補償，以改善農(nóng)網(wǎng)電壓質(zhì)量,充分發(fā)揮設備出力。因此，認真分析無功補償技術(shù)，因地制宜合理配置并聯(lián)電容器無功補償裝置，符合節(jié)能減排要求。

1 無功功率補償?shù)幕驹砑白饔?/h2>

1.1 無功補償?shù)幕驹?/h3>

無功補償?shù)幕驹硎牵弘娏髟陔姼性凶鞴r，電流滯后于電壓90°，而電流在電容元件中作功時，電流超前電壓90°。把具有容性功率負荷的裝置與感性功率負荷并聯(lián)接在同一電路，使兩者的電流相互抵消，使電流的矢量與電壓矢量之間的夾角縮小，能量在兩種負荷之間相互交換。這樣，感性負荷所需要的無功功率可由容性負荷輸出的無功功率來補償。

1.2 無功補償?shù)淖饔?/h3>

（1）降低系統(tǒng)能耗。

功率因數(shù)的提高，能減少線路損耗及變壓器的銅耗。線路損耗減少的百分數(shù)為：

式中cosΦ1、cosΦ2——補償前后功率因數(shù)。

當功率因數(shù)從0.8提高至0.9時，可求得線路有功損耗降低21%左右。

變壓器銅耗與電流的平方成正比，在輸送功率不變情況下：

式中I1、I2——補償前后變壓器的電流；

銅耗分別為 ΔP1，ΔP2。

當功率因數(shù)從0.8提高至0.9時，變壓器銅耗相當于原來的80%。

（2）減少線路壓降。

電網(wǎng)在進行功率傳輸時，電流將在線路等阻抗上產(chǎn)生電壓損耗，電壓損耗計算公式為:△U=（PR+QX）/Un

式中P——線路傳輸?shù)挠泄β剩╧W）；

Q——線路傳輸?shù)臒o功功率（kvar）；

Un——線路額定電壓（kV）；

R、X——線路電阻、電抗（Ω）。

若保持有功功率恒定，當線路安裝容量為QC的并聯(lián)電容器補償裝置后，線路的電壓損耗變?yōu)椋骸鱑′=[PR+（QQC）X]/Un

可以看出：采取無功補償以后，線路傳輸?shù)臒o功功率變小，相應地減少了線路電壓的損耗，提高了配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量，有利于系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定。

（3）增加供電功率，減少投資。

對于新建項目來說，功率因數(shù)提高后，電流數(shù)值下降，供配電線路截面可相應減小，而視在功率值下降，可選用較小容量的變壓器，通過無功補償，可減少設備一次性投資費用，同時也減少了運行后按變壓器容量收取的基本電費。

對于原有供電設備來講，同樣的有功功率下，功率因數(shù)提高，負荷電流減小，因此向負荷傳輸功率所經(jīng)過的變壓器、開關、導線等配電設備都增加了功率儲備，發(fā)揮了設備的潛力。

2 農(nóng)村電網(wǎng)無功補償技術(shù)方案

無功補償應遵循“全面規(guī)劃,合理布局,分級補償,就地平衡”的原則。

2.1 農(nóng)村電網(wǎng)無功補償方案比較

2.1.1 變電站集中補償

農(nóng)村電網(wǎng)變電站集中補償，主要目的是平衡輸電網(wǎng)的無功功率，改善輸電網(wǎng)的功率因數(shù)，提高系統(tǒng)終端變電所的母線電壓，補償變電站主變壓器和高壓輸電線路的無功損耗。一般集中在變電站低壓側(cè)母線上安裝并聯(lián)電容器組，電容器組采用星形接線。

其優(yōu)點：可以減少主變壓器和輸電線路的無功功率的傳輸，就近補償10 kV配電線路無功負荷，能夠通過電容器組的投切進行電壓調(diào)整，集中安裝便于維護。

其缺點：不能全線路減少配電網(wǎng)的無功負荷，降低線損的效果不如分散補償好。

2.1.2 配電線路分散補償

ROV的各項功能是在用戶和ROV之間、ROV內(nèi)部各軟硬件之間的協(xié)作基礎上實現(xiàn)。正確處理這些協(xié)作關系是用戶操作軟件的內(nèi)在設計目標。

在農(nóng)村電網(wǎng)中，大部分的無功消耗在配變和異步電動機上，還有少部分消耗在線路上，按照分級補償?shù)脑瓌t，在考慮了配變的隨器補償之后，將剩余的無功選擇好補償最佳位置和最佳容量，在對應線路上分別安裝能自動投切的電容器組。這種補償方式主要補償?shù)氖桥潆娮儔浩鲃畲艧o功功率和線路上感抗所消耗的無功功率，特別適合于點多、線長、負荷重、電壓質(zhì)量差的農(nóng)村配電網(wǎng)絡，是目前無功補償方式中最有效、最經(jīng)濟的一種補償方式。

其優(yōu)點：可以補償配網(wǎng)及配電變壓器的無功功率，顯著地降低農(nóng)網(wǎng)線損，有效地提高供電電壓。

其缺點：分散安裝維護不便，輕負荷時電壓過高，不易實現(xiàn)及時投切。

2.1.3 低壓配電網(wǎng)無功補償

（1）配電變壓器的隨器補償。

隨器補償是指將低壓電容器通過低壓保險接在配電變壓器二次側(cè)，與變壓器同投同切，達到補償配電變壓器無功的補償方式。

其優(yōu)點：接線簡單、維護管理方便，能有效地補償配變無功，使該部分無功就地平衡，提高配變利用率，降低無功網(wǎng)損，具有較高的經(jīng)濟性，是目前補償無功最有效的手段之一。

其缺點：隨器補償屬于固定補償方式，降損效果不及隨機補償。

（2）電動機的隨機補償。

其優(yōu)點：具有最佳調(diào)壓和降損效果，投切及時，接線簡單，便于管理。

其缺點：對一些年運行小時少或利用率低的設備，補償電容器利用率不高。

（3）低壓集中補償。

低壓集中補償是指用無功補償自動投切裝置作為控制、保護裝置，將電容器分組并聯(lián)裝設在用戶配電變壓器低壓側(cè)或配電室的0.4 kV母線上的補償方式。該補償裝置需要具有自動跟蹤投切功能，又稱為低壓跟蹤補償。

其優(yōu)點：運行方式靈活，運行維護工作量小，利用補償電容器的分組投切，還能進行調(diào)壓，改善電壓質(zhì)量。

其缺點：控制保護裝置復雜、首期投資相對較大。

2.2 農(nóng)村電網(wǎng)無功補償容量的確定

2.2.1 集中補償容量的計算

（1）變電站集中補償。

（35～110）kV變電站的容性無功補償裝置以補償變壓器無功損耗為主，并適當兼顧負荷側(cè)的無功補償，無功補償方式為10 kV母線集中補償。其選擇的補償容量應為主變無功損耗和主變一次側(cè)到電源點之間的線路無功損耗之和。即：

式中Qc——變電站無功補償容量；

I0%——變壓器空載電流百分數(shù)；

Uk%——變壓器短路電壓百分數(shù)；

Se——變壓器額定容量；

XL——每公里線路阻抗值；

L——35 kV或110 kV線路長度（km）；

I——實際運行的35 kV或110 kV線路電流。按照只能欠補不能過補的原則，實際補償容量必須小于計算值。

若缺乏資料時，對（35～110）kV變電站，容性無功補償裝置的容量可按主變壓器額定容量的10%～30%配置，并滿足（35～110）kV主變壓器最大負荷時，其一次側(cè)功率因數(shù)應不低于0.9，在低谷負荷時功率因數(shù)應不高于0.95。

（2）配電線路集中補償。

在10 kV配電線路上安裝高壓并聯(lián)電容器，電容器的安裝容量不宜過大，并且在線路最小負荷時，不應向變電所倒送無功，如配置容量過大，則必須裝設自動投切裝置?？紤]到運行維護等因素，通常一條配電線路以安裝一組補償電容器為宜，安裝于“2／3”線路處的所謂2/3原則。補償容量可按線路上配變總勵磁無功功率進行補償，補償容量可由下式確定：

式中Qc——線路無功補償容量；

I0%——線路所有配變空載電流百分數(shù)的加權(quán)平均值；

Sei——單臺變壓器的容量；

XL——每公里線路阻抗值；

If——線路負荷電流；

L——線路長度。

根據(jù)運行經(jīng)驗，一般配電線路集中補償容量約為線路配電變壓器總?cè)萘康?%～10%。

（3）低壓集中補償。

低壓集中補償容量不宜過大，電力用戶應以就地補償為主，以低壓集中補償為輔，其容量的確定，新上的用戶可按變壓器容量的30%～40%確定。原有用戶可按下式計算：

式中a——平均負荷系數(shù)，可取0.7～0.8；

PJS——計算有功功率；

tgΦ1、tgΦ2——補償前、 后計算負荷功率因數(shù)正切值。

2.2.2 低壓就地補償?shù)娜萘坑嬎?/p>

（1）隨器補償。

配電變壓器的無功功率損耗包括空載勵磁損耗和漏磁無功損耗，其補償容量可按下式計算：

式中Qc——變壓器無功補償容量；

I0%——變壓器空載電流百分數(shù)；

Uk%——變壓器短路電壓百分數(shù)；

Se——變壓器額定容量；

β——變壓器負荷率可取0.7～0.8。

根據(jù)運行經(jīng)驗，一般配電變壓器補償容量約為配電變壓器容量的20%～40%。

（2）隨機補償。

異步電動機的無功補償功率可按其技術(shù)參數(shù)選擇，以便電機在運行過程中，功率因數(shù)在0.90～0.98之間變化。按電動機額定參數(shù)計算無功補償容量公式如下：

式中Qc——無功補償容量（kvar）；

Ue——電機額定線電壓（V）；

Ie——電機額定電流（A）；

cosΦ——電動機額定功率因數(shù)的正弦值；

K——補償系數(shù)，2、4極電動機取0.8，6、8極電動機取0.9。

3 結(jié)合實例進行并聯(lián)電容補償?shù)男б娣治?/h2>

3.1 無功補償?shù)慕?jīng)濟分析

以一家普通工業(yè)用電戶為例，該用戶配變?nèi)萘浚篠=100 kVA；有功功率：P=70 kW；功率因數(shù)：cosΦ=0.7；每日(按 10 小時)用電量為：A=700 kW·h 。

該用戶未安裝無功補償裝置時，根據(jù)電價手冊規(guī)定，普通工業(yè)用電的功率因數(shù)為0.7時，應增收7.5%的功率因數(shù)調(diào)節(jié)電費。如果電能電費按年平均值0.58元/kW·h，則該用戶每天增加的功率因數(shù)調(diào)節(jié)電費為：0.58×700-7.5%=30.45（元），即供電部門對該用戶加收的功率因數(shù)調(diào)節(jié)電費為30.45元。

如果該用戶安裝無功補償裝置，功率損耗將明顯減少。為簡化計算程序，采用無功補償經(jīng)濟當量來計算無功補償?shù)慕?jīng)濟效益，即每安裝1 kvar的補償電容，相當于降低了多少千瓦的有功損耗。查有關資料知，各種電壓等級的無功補償經(jīng)濟當量和該用戶補償后的降損功率如附表。

附表 各電壓等級下的無功補償經(jīng)濟當量和補償后的功率損耗

從以上數(shù)據(jù)可知，該用戶每天在35 kV、10 kV、0.38 kV線路上減少的有功功率損耗總和為：△P=4.25+1.70+0.48=6.43 kW；

每天減少的損耗電量為：△A=6.43×10=64.30 kW·h；

每天減少損耗電費為：0.58×64.30=37.29元。

該用戶每天減少損耗的有功電量占每天供電量的比例為：

該用戶如果按規(guī)定，將現(xiàn)有的用電功率因數(shù)從0.7提高到0.85，需安裝電容0.4 kvar/kW，70 kW共需安裝電容容量應為：0.4×70=28.00 kvar。

按目前市場上價格，60元/1 kvar計，購28.00 kvar的電容投資為1 680.00元。

3.2 無功補償?shù)慕?jīng)濟效益比較

經(jīng)無功補償?shù)慕?jīng)濟分析后，對該用戶作如下經(jīng)濟效益比較：安裝補償電容后，線損下降了8.41%；安裝補償電容器后，供電部門的經(jīng)濟效益損失可減少：每天：37.29－30.45=6.84元，每月：按22天計，6.84×22=150.48元，每年：按 264 天計，6.84×264=1 805.76 元。

安裝補償電容后，用戶的經(jīng)濟損失可減少：每天：30.45元，每月：按 22天計，30.45×22=669.90元，每年：按264天計30.45×264=8 038.80元。用戶購買28 kvar電容器的投資1 680.00元，僅需兩個半月即可收回成本。

據(jù)計算，安裝補償電容后，可提高2.83%的低壓末端電壓。增加了配變15 kW的有功出力。

3.3 結(jié) 論

從以上的分析和經(jīng)濟效益比較，當用戶的用電功率因數(shù)未達到規(guī)定值時，應就地安裝電容補償無功，既可減少供電部門的經(jīng)濟損失，又可減少用戶的經(jīng)濟損失，還可以提高線路末端電壓和配變出力，是降損增效的好措施。對企業(yè)來說，電容補償更是降低企業(yè)成本、提高企業(yè)經(jīng)濟效益的好辦法。

隨著無功補償技術(shù)研究的進一步加深，出現(xiàn)了SVC、ASVG晶閘管動態(tài)靜止無功補償裝置，它們在改善系統(tǒng)電壓質(zhì)量，提高穩(wěn)定性方面具有無法比擬的優(yōu)點，能有效提高配電網(wǎng)電能質(zhì)量的綜合指標，改善系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)品質(zhì)，是今后靜止無功補償技術(shù)發(fā)展的方向。

1劉文華.采用GTO的新型靜止無功發(fā)生器[J].電力系統(tǒng)自動化，1997，（3）.

2姜齊榮，等.采用GTO的±120kvar新型靜止無功發(fā)生器[J].清華大學學報，1997.

3米勒.電力系統(tǒng)無功功率控制[M].北京：水利電力出版社，1990.