電力系統(tǒng)容性無功問題及其補償策略

陳建堂

摘要：要想解決電力系統(tǒng)容性無功問題，必須得搞清楚為什么會產(chǎn)生容性無功。本文通過尋找電力系統(tǒng)容性無功的產(chǎn)生機理并加以分析，總結(jié)一些可行性補償策略。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；容性無功；補償策略；

中圖分類號：TM7文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-3520（2014）-06-00269-02一、引言

根據(jù)三相交流電的供電特性，電力系統(tǒng)交流輸電工程中的電壓、電流、功率有有功分量和無功分量兩種。而電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及輸電線損的大小直接受到無功分量的大小。而無功分量又可以分為感性無功和容性無功。電力系統(tǒng)中的輸電線路和電纜在作業(yè)時都會無可避免地產(chǎn)生容性無功。尤其是近年來城市電網(wǎng)改造工作的不斷深入，城網(wǎng)的配電網(wǎng)絡(luò)基本上都是由高壓電纜組成。然而高壓電纜產(chǎn)生的容性無功對配網(wǎng)的安全經(jīng)濟運行造成了嚴(yán)重影響。

二、電力系統(tǒng)容性無功產(chǎn)生的機理

（一）長線充電無功：我們可以把架空線路(尤其是高壓、超高壓線路）看做是一個電容。其輸電線路長度可達(dá)幾百甚至上千公里，而且導(dǎo)線大多數(shù)采用的是分裂導(dǎo)線，其等效面直徑將近1米，因此我們可以將這整條線路看做是一個面積可達(dá)上千平方米的巨大電容器，而導(dǎo)線就是極板。根據(jù)公式：

C=KεS/L

C——電容器電容：K——常數(shù)：ε——介質(zhì)介電常數(shù)：S——極板面積：L——極間距離

我們可以看出，對于高壓線路這樣的特殊電容器來說，極間距離雖然相對較遠(yuǎn)，空氣的介電常數(shù)也并不高，然而僅僅一個極板距離（S)就可以決定其產(chǎn)生巨大電容。

作為輸電設(shè)備，輸電線和電纜都是電力系統(tǒng)中的容性無功設(shè)備，其產(chǎn)生的容性無功功率相當(dāng)驚人，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的正常運行。特別是當(dāng)電力系統(tǒng)超負(fù)荷運行時，下路末端的電壓升高是線路無法正常工作，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致電力系統(tǒng)的崩潰。我國的高壓線路在最開始建成時，由于沒有充分考慮到末端電壓升高的問題，結(jié)果在線路投入使用后不久就不能夠正常運行，經(jīng)過長期的問題排查和相關(guān)研究后，通過安裝補償設(shè)備，問題才得以解決。

（二）電力電纜充電無功：由于受土地資源的限制和供電線路走廊的制約，在城市高壓輸電系統(tǒng)中經(jīng)常使用電力電纜來代替架空線路。但因為電力電纜芯線相間，對地距離較近，絕緣物介電常數(shù)又相對較高，如此一來，根據(jù)上述公式可知，也會產(chǎn)生較大的電容。例如某水廠采用的是YJV22-3x240電纜，電壓為10kV，全長6㎞，電容為0.41μF/km，以月為單位計算，每個月將近有6萬kw?h的無功電量產(chǎn)生，而每個月該線路的計量表上所顯示的數(shù)據(jù)卻只有60kw?h，用戶需要補繳的功率因數(shù)調(diào)整電費遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過有功電量的電費，這對于用戶來說確實是心存疑惑，由于電纜線路電容將近是架空線路的20-30倍，因此電纜線路的充電功率相當(dāng)大，長時間運行會吸入大量無功電量。

（三）風(fēng)電場普遍存在容性無功過剩現(xiàn)象：由于風(fēng)電場的高壓電纜長度大，布置比較分散等特點，容性無功過剩普遍存在。根據(jù)國家電網(wǎng)的規(guī)定，要求其配置的容性無功容量在滿足風(fēng)電場滿發(fā)時輸出線路一半的耗感性無功損的情況下還應(yīng)能補償并網(wǎng)點以下風(fēng)電場匯集系統(tǒng)及主變壓器的感性無功損耗，以達(dá)到其配置的感性無功容量能夠補償風(fēng)電場輸送線路的充電無功功率。

三、電力系統(tǒng)容性無功的特點

電網(wǎng)結(jié)構(gòu)固定后其容性無功相對固定

一條輸電線路一旦設(shè)定并建造完成，其線路長度、地線和導(dǎo)線的排列方式就被固定下來，其對地電容就不會再有太大的變化。只有在電壓發(fā)生變化時，其充電無功功率才會發(fā)生相應(yīng)的變化。根據(jù)電壓質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定高壓以及超高壓的系統(tǒng)的運行電壓一般不超過額定電壓±7%的變化，為保證電壓能夠達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，要根據(jù)負(fù)荷、發(fā)電量及運行方式及時調(diào)整系統(tǒng)調(diào)度。影響電力電纜充電無功的因素有三個：電纜長度、芯線截面大小和介質(zhì)介電常數(shù)。例如，城市一110kV變電站系統(tǒng)，其10kV輸電線路總長80km，那么它容性充電功率在1350～1500千瓦之間而基本上不會發(fā)生太大變化。

四、電力系統(tǒng)容性無功補償?shù)牟呗?/p>

從電力系統(tǒng)容性無功產(chǎn)生的機理上來看，配電網(wǎng)消耗的無功功率最多，其他各級網(wǎng)絡(luò)和輸電設(shè)備也有相應(yīng)的損耗。為了將無功功率的傳輸損耗降到最低，合理地對無功補償設(shè)備的配置進(jìn)行布局安排,最大限度地提高輸配電設(shè)備的工作效率,有人提出了“就地平衡，分級補償”的原則，其具體內(nèi)容如下：

（一）總體平衡與局部平衡相結(jié)合：試想，如果無功電源的布局不合理，而補償容量和補償位置也設(shè)計得不得當(dāng)，就會導(dǎo)致局部區(qū)間的無功電力不平衡，從而造成電網(wǎng)的功率和電能的大量損耗。因此，在電網(wǎng)的設(shè)計過程中，首先要考慮的是根據(jù)變電所的要求，保證10kV 配電線路的無功電力平衡。只有在總平衡的基礎(chǔ)上，研究各個局部的補償方案，才能更好地對容性無功起到補償作用。

（二）電力部門補償與用戶補償相結(jié)合：由于在配電網(wǎng)絡(luò)中，不僅僅是在配電網(wǎng)中存在無功功率的消耗，而且用戶也在消耗無功功率，并且用戶的無功功率消耗要遠(yuǎn)大于配電網(wǎng)中的無功消耗，鑒于此，應(yīng)該采取電力部門補償與用戶補償相結(jié)合的補償方式。

（三）集中補償與分散補償相結(jié)合：集中補償，是指在變電所集中配置大容量的電容補償設(shè)備，主要是針對主變壓器本身的無功進(jìn)行補償；而分散補償，指的是在配電網(wǎng)絡(luò)中分散的負(fù)荷區(qū)進(jìn)行的無功補償，主要包括對配電線路，配電變壓器和用戶的用電設(shè)備進(jìn)行補償。

（四）降損與調(diào)壓相結(jié)合：通過電容器的并聯(lián)方式可以進(jìn)行無功補償從而就地平衡無功電力，減少無功損耗。同時對電容器進(jìn)行分組，適當(dāng)調(diào)整電壓，改善電壓的質(zhì)量。

五、無功負(fù)荷的最優(yōu)補償

（一）變電所無功負(fù)荷的最優(yōu)補償：變電所一般都會配備兩臺變壓器，根據(jù)就地補償?shù)脑瓌t，可以將變電所的補償電容器組分為兩組，結(jié)合網(wǎng)內(nèi)無功電流的分布以及配電線路和用戶的無功補償水平來考慮，其容量一般均能夠滿足輕載無功負(fù)荷及平均無功負(fù)荷的需求，一般可將主變壓器容量控制在10%-15%左右。

（二）配電線路無功負(fù)荷的最優(yōu)補償：由于在電力系統(tǒng)中，輸送的有功功率一般都是一定的，基本沒有太大變化，因此，無功功率的損耗決定了總功率損耗的多少，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)固定且輸送的有功功率一定的情況下，輸送的無功功率越大，總的功率損耗就越大。而負(fù)荷功率因數(shù)的高低，直接決定了無功功率的大小。負(fù)荷功率因數(shù)越低，則負(fù)荷所需要無功功率越大。其中功率因數(shù)與無功功率，有功功率和線損之間的關(guān)系可以用下面的等式表示：

（kW）

其中：

△P——有功功率損耗：P——有功功率（kW）：R——線路額定電阻（Ω）：U——線路額定電壓（kV）：cos——線路功率因素

該式清晰地展示了線路有功功率損耗（△P）與線路功率因數(shù)（cos）成反比的關(guān)系，即，線路功率因素越高，則線路有功功率損耗越小，從而可以通過提高線路功率因素來減少線路有功功率損耗。

（三）配電變壓器的無功補償

針對后半夜時電力電纜處于低容負(fù)荷狀態(tài)從而使整個輸電系統(tǒng)出現(xiàn)容性無功過剩的情況，經(jīng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，其主要是由變壓器的有功損耗和無功損耗造成的，利用配電網(wǎng)線損理論計算配電變壓器的無功損耗可知，所占比例約是配電網(wǎng)總損耗的60%。綜合各方面的因素進(jìn)行考慮，對200kVA以上的配電變壓器可以安裝自動跟蹤補償裝置，而對于容量在200kVA以下的配電變壓器，可以根據(jù)掌握配變?nèi)萘康?%左右來進(jìn)行靜態(tài)無功補償。

六、結(jié)語

對電力系統(tǒng)容性無功問題采取補償措施，可以起到節(jié)能的作用，符合我國建設(shè)資源節(jié)約型社會的道路。本文通過對電力容性無功的產(chǎn)生機理進(jìn)行探究，總結(jié)了一些補償性策略，希望在實踐運用的過程當(dāng)中具有可行性并發(fā)揮功效。

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