無功補(bǔ)償技術(shù)在低壓配電系統(tǒng)中的應(yīng)用

孔令俊

摘要：針對(duì)目前低壓配電系統(tǒng)功率因數(shù)較低，嚴(yán)重影響低壓配電系統(tǒng)供電質(zhì)量的問題，文章首先分析了在低壓配電系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)脑砗驮瓌t，其次探究了無功補(bǔ)償技術(shù)在低壓配電系統(tǒng)的具體應(yīng)用，最后研究了在低壓配電系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償時(shí)補(bǔ)償容量的確定方法，期望能為實(shí)際進(jìn)行無功補(bǔ)償提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：無功補(bǔ)償技術(shù)；低壓配電系統(tǒng)；功率因數(shù)；供電質(zhì)量；補(bǔ)償容量 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM714 文章編號(hào)：1009-2374（2015）04-0066-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0315

隨著人們生活水平的提高，電力負(fù)荷持續(xù)增長，大量感性負(fù)荷和新型非線性電力設(shè)備在電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用，這就要求電網(wǎng)必須提供足夠的無功功率，否則，將會(huì)對(duì)電網(wǎng)的供電質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。尤其是低壓電力，用戶數(shù)量多，分布范圍廣，所用負(fù)荷的功率因數(shù)又比較低，因此對(duì)低壓配電系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償具有十分重要的意義。

1 低壓配電系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)脑砗驮瓌t

1.1 低壓配電系統(tǒng)無功補(bǔ)償原理

無功功率是指沒有消耗，僅是將電能轉(zhuǎn)換為其他形式的能，這種能量是部分電氣設(shè)備能夠做功的必備條件，同時(shí)這種能量能夠和電能進(jìn)行周期性轉(zhuǎn)換，如電磁元件建立磁場(chǎng)占用電能、電容器建立電場(chǎng)占用電能等。在配電網(wǎng)中，若電流分別在電感元件、電容元件中做功，會(huì)使電流和電壓出現(xiàn)不同相，前者使電流比電壓超前90℃，后者使電流比電壓滯后90℃。在同一組成電路中，電感電流和電容電流具有完全相反的方向，在相位上相差180℃。此時(shí)若在電磁元件電路中安裝合適的電容元件，使電感電流和電容電流完全抵消，減少電路中電流和電壓矢量的夾角，提高整個(gè)配電網(wǎng)的做功性能，這就是無功補(bǔ)償?shù)脑怼?/p>

1.2 低壓配電系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)幕驹瓌t

在對(duì)低壓配電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償配置時(shí)必須遵循下述三個(gè)原則：第一，總體平衡和局部平衡相結(jié)合的原則；第二，分散補(bǔ)償和集中補(bǔ)償相結(jié)合的原則；第三，降損和調(diào)壓相結(jié)合的原則。通常情況下，低壓配電網(wǎng)絡(luò)在進(jìn)行無功補(bǔ)償時(shí)，都以局部、分散補(bǔ)償為主，兼顧整體平衡和集中補(bǔ)償，還要結(jié)合電力部門和用戶補(bǔ)償進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，最大限度減少無功功率在低壓配電網(wǎng)的輸送，實(shí)現(xiàn)就地補(bǔ)償和平衡。

2 無功補(bǔ)償技術(shù)在低壓配電系統(tǒng)的應(yīng)用探究

2.1 通過無功補(bǔ)償能夠有效減少低壓配電系統(tǒng)輸電線路的功率損耗

低壓配電網(wǎng)在補(bǔ)償前后，系統(tǒng)的有功功率為固定值，用公式表示為：，在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償后，會(huì)得到一定程度的提高，即補(bǔ)償后略微大于，為了研究問題的方便，可近似認(rèn)為補(bǔ)償前后的電壓相等，此時(shí)可以得到：，據(jù)此能夠求出對(duì)低壓配電系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償后，線損減少的百分?jǐn)?shù)可表示為：；若補(bǔ)償前后系統(tǒng)的功率因數(shù)從0.70～0.85增加到0.95，根據(jù)線損減少的百分?jǐn)?shù)公式可知低壓配電系統(tǒng)的有功損耗將降低20%～45%。

2.2 通過無功補(bǔ)償能夠有效改善低壓配電系統(tǒng)的電壓質(zhì)量

若低壓配電系統(tǒng)線路中的電流為，則此時(shí)線路中的電壓降可表示如下式（1）所示：

（1）

上式中，Z、R、X分別表示線路的阻抗、電阻和電抗。根據(jù)電阻抗三角形的關(guān)系，對(duì)上式進(jìn)行數(shù)學(xué)變換，可得到如下（2）所示的表達(dá)式：

（2）

上式中，表示功率因數(shù)角。在一般低壓配電系統(tǒng)中，存在，此時(shí)在對(duì)整個(gè)線路進(jìn)行無功補(bǔ)償后，在一定程度上減少了功率因數(shù)角，ΔU也明顯得到減小。由此可知，在低壓配電系統(tǒng)中進(jìn)行無功補(bǔ)償后，能夠改善配電系統(tǒng)的電壓質(zhì)量。

2.3 能夠提高電力設(shè)備的利用率，增加電力供應(yīng)

若低壓配電系統(tǒng)供電容量不足，不僅會(huì)造成電壓波動(dòng)，也會(huì)導(dǎo)致配電網(wǎng)的輸電線路和設(shè)備過熱。若裝設(shè)了無功補(bǔ)償電容器，就可以產(chǎn)生釋放容量，增加電力供應(yīng)。如在某供電系統(tǒng)中，電力設(shè)備的有功功率、無功功率和視在功率分別為P1、Q1、S1，如圖1所示：

圖1 視在功率不變時(shí)無功補(bǔ)償釋放電容 圖2 視在功率不變無功補(bǔ)償后的有功輸送容量

如果在系統(tǒng)中增加補(bǔ)償電容器的容量為，且，此時(shí)系統(tǒng)中的有功功率不會(huì)發(fā)生變化，但無功功率由下降為，功率因數(shù)從增加到，視在功率由減小到，且，則系統(tǒng)釋放的電容量為，能夠減小電力設(shè)備容量的百分比為：。如果在加入無功補(bǔ)償裝置后，若保持電路中電流和視在功率不變，則有功功率，無功功率和視在功率的關(guān)系如圖2所示。此時(shí)無功功率增加的百分比為：，每千乏補(bǔ)償設(shè)備能夠增加的有功功率為：。

據(jù)上述分析可知，對(duì)低壓配電網(wǎng)電力設(shè)備來說，在用功功率一定的條件下，若功率因數(shù)得到一定程度的提高，負(fù)荷電流就會(huì)出現(xiàn)一定程度的下降，此時(shí)在向負(fù)荷傳送功率時(shí)所經(jīng)過的電力設(shè)備都增加了一定的功率儲(chǔ)備，滿足了負(fù)荷增長的需要；若低壓配電網(wǎng)已經(jīng)過載，隨著功率因數(shù)的增加，輸送無功會(huì)出現(xiàn)一定程度的減小，能使低壓配電系統(tǒng)不再過載運(yùn)行，充分發(fā)揮原有電力設(shè)備的潛力；對(duì)于處于設(shè)計(jì)階段的新建企業(yè)所建的低壓配電系統(tǒng)來說，進(jìn)行無功補(bǔ)償能夠降低設(shè)備容量，減少成本，在一定程度上還能減小所選變壓器的容量。

2.4 無功補(bǔ)償能夠減少企業(yè)的開支

為了合理利用電能，國家對(duì)不同性質(zhì)的企業(yè)收取不同的電費(fèi)，同時(shí)對(duì)于功率數(shù)值的要求也存在差異，所以，很多企業(yè)為了節(jié)省電費(fèi)開支，在其低壓配電系統(tǒng)增加無功補(bǔ)償，這樣不僅能減少機(jī)器產(chǎn)生的電能損耗，也能節(jié)約電費(fèi)開支，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。

3 低壓配電系統(tǒng)無功補(bǔ)償容量的選定

要計(jì)算無功補(bǔ)償容量，必須首先計(jì)算低壓用電企業(yè)的平均功率因數(shù)，如下所示：

3.1 平均功率因數(shù)的計(jì)算

對(duì)于運(yùn)行年限不同的企業(yè)，平均功率因數(shù)的計(jì)算具有不同的方法，具體來說可分為下述兩種情況：

第一，對(duì)于運(yùn)行超過一年的用電企業(yè)，可根據(jù)過去一年的有功和無功電能消耗量來進(jìn)行計(jì)算如下式（3）所示：

（3）

上式中，PP、QP、Wn、Vn分別表示用電企業(yè)年平均有功負(fù)荷、無功負(fù)荷、年有功和無功電能消耗量。

第二，對(duì)于處于設(shè)計(jì)階段的企業(yè)或者剛投入運(yùn)行的用電企業(yè)，無法得到年平均有功和無功電能消耗量，只能按照用電單位的計(jì)算負(fù)荷進(jìn)行估算如下式（4）

所示：

（4）

上式中，Pj、Qj、α、β分別表示有功計(jì)算負(fù)荷、無功計(jì)算負(fù)荷、用功和無功負(fù)荷系數(shù)。

3.2 補(bǔ)償電容器的容量和數(shù)量的確定

無功補(bǔ)償電容器容量的計(jì)算通常有下面兩種計(jì)算

方法：

第一種，利用補(bǔ)償率計(jì)算補(bǔ)償電容器的容量。假設(shè)某用電企業(yè)低壓配電系統(tǒng)補(bǔ)償前后的無功功率分別為、，則需要進(jìn)行人工補(bǔ)償?shù)碾娙萜魅萘繛椋海渲?、分別表示補(bǔ)償前后的正切值。補(bǔ)償電容器容量確定后，根據(jù)補(bǔ)償電容器的技術(shù)參數(shù)選定相對(duì)應(yīng)的信號(hào)規(guī)格，就可以確定補(bǔ)償電容器的數(shù)量。

第二種，根據(jù)年電能消耗量和年最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)來計(jì)算補(bǔ)償電容器的容量。采用此種方法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，年最大負(fù)荷利用小時(shí)，屬于假想時(shí)間，通常按照最大負(fù)荷持續(xù)用電時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，所消耗的電能正好等于一年內(nèi)實(shí)際消耗的電能，此時(shí)補(bǔ)償電容器的容量為：，容量確定后可根據(jù)相關(guān)要求確定電容器的數(shù)量。

4 結(jié)語

綜上所述，在低壓配電系統(tǒng)中運(yùn)用無功補(bǔ)償技術(shù)后給電網(wǎng)帶來明顯的好處，這種無功補(bǔ)償方式不僅能提高低壓配電系統(tǒng)的功率因數(shù)，還能有效地降低損耗，確保供電質(zhì)量和可靠性，同時(shí)也提高了用電企業(yè)的工作效率和投資成本。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱建軍，盧志剛.中低壓配電網(wǎng)的無功補(bǔ)償[J].電力電容器與無功補(bǔ)償，2011，（4）.

[2] 李東.淺談低壓無功補(bǔ)償裝置在配電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].中國科技信息，2010，（17）.

[3] 楊桂丹，李濤.城市配電網(wǎng)無功補(bǔ)償優(yōu)化配置的應(yīng)用研究[J].廣東電力，2008，（5）.

（責(zé)任編輯：黃銀芳）