配電網(wǎng)無功補(bǔ)償方案的技術(shù)比較

（國網(wǎng)安徽省電力公司池州供電公司 安徽池州247000）

摘 要：配電網(wǎng)合理的無功補(bǔ)償，能夠有效地維持系統(tǒng)的電壓水平，降低有功損耗，提高網(wǎng)絡(luò)輸送容量，減少供電成本，因此，確定無功補(bǔ)償?shù)暮侠砼渲煤头植挤浅Ｖ匾?。配電系統(tǒng)的4種無功補(bǔ)償方式各有的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)它們進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，以尋求一種配電網(wǎng)無功補(bǔ)償?shù)淖顑?yōu)方案。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)；無功補(bǔ)償；技術(shù)比較

引言

無功補(bǔ)償點(diǎn)的合理選擇以及補(bǔ)償容量的確定，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，避免大量無功功率的遠(yuǎn)距離傳輸，從而降低有功網(wǎng)損，減少發(fā)電費(fèi)用和供電成本。

1配電系統(tǒng)無功補(bǔ)償方案及其比較

1.1變電站集中補(bǔ)償方式

1.1.1變電站集中補(bǔ)償方式及其優(yōu)缺點(diǎn)

要平衡輸電網(wǎng)的無功功率，可在變電站進(jìn)行集中補(bǔ)償，見圖1中的方式1。在這種方式下，補(bǔ)償裝置包括并聯(lián)電容器、同步調(diào)相機(jī)、靜止補(bǔ)償器等，主要目的是改善輸電網(wǎng)的功率因數(shù)，提高終端電壓，補(bǔ)償裝置一般連接在變電站的10kV母線上，優(yōu)點(diǎn)是管理容易、維護(hù)方便，缺點(diǎn)是對(duì)配電網(wǎng)的降損起不到什么作用。

1.1.2變電站集中補(bǔ)償方式的技術(shù)應(yīng)用

為了調(diào)整變電站的電壓，通常利用無功補(bǔ)償裝置（一般是并聯(lián)電容器組）結(jié)合變壓器有載調(diào)壓抽頭來調(diào)節(jié)。通過兩者的協(xié)調(diào)來進(jìn)行電壓和無功功率的控制，且這一方面的技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，九區(qū)圖便是一種變電站電壓和無功功率控制的有效方法，然而操作上還是較為麻煩的，因?yàn)橄拗敌枰S不同的運(yùn)行方式進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，在某些區(qū)上會(huì)產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，而且實(shí)際操作中，抽頭調(diào)節(jié)和電容器組投切次數(shù)是有限的，但九區(qū)圖沒有相應(yīng)的判斷?，F(xiàn)行九區(qū)圖的調(diào)節(jié)效果也不是數(shù)學(xué)上證明的最好效果，因此九區(qū)圖的應(yīng)用還有待進(jìn)一步改善。文獻(xiàn)[1]利用模糊數(shù)學(xué)的概念建立了數(shù)學(xué)模型，得出了模糊邊界的無功功率調(diào)節(jié)判據(jù)，它的特點(diǎn)是將九區(qū)圖中固定的無功功率上下限邊界改變成受電壓影響的模糊邊界，其邊界的斜率可根據(jù)具體的投切邊界條件進(jìn)行調(diào)整，依據(jù)這種思路，設(shè)計(jì)出一種新型的變電站電壓無功功率微機(jī)綜合控制裝置，它可以在保證電壓合格和無功功率最佳補(bǔ)償效果的情況下，有載變壓器分接頭的調(diào)節(jié)次數(shù)比同類裝置或人工調(diào)節(jié)減少1/3，提高了變電站電壓合格率，線損降低約20%。

將電容器安裝在配電變壓器低壓側(cè)，主要補(bǔ)償配電變壓器的空載無功功率和漏磁無功功率。一般情況下，配網(wǎng)配變負(fù)載率較低，輕載或空載時(shí)，無功負(fù)荷主要是變壓器的空載勵(lì)磁無功，因此配變無功補(bǔ)償容量不易超過其空載無功，否則，在配變接近空載時(shí)可能造成過補(bǔ)償，所以應(yīng)按式Qb ≤ I0%Se/100（其中：I0%是空載電流百分?jǐn)?shù)，從手冊(cè)中可查出，Se是變壓器的額定容量），但對(duì)于工業(yè)用戶的變壓器補(bǔ)償，因其負(fù)荷率高，補(bǔ)償時(shí)應(yīng)從提高變壓器出力的角度考慮。

例1：某地良種場(chǎng)有一臺(tái)變壓器Se = 80kVA，cosφ= 0.8，帶一抽水用電動(dòng)機(jī)Pe = 75kW，P = Se×cosφ = 80×0.8 = 64kW < 75kW，可見變壓器處于超載運(yùn)行，若提高cosφ的方法提高變壓器出力，設(shè)擬增cosφ = 0.95，則P = 0.95×80 = 76kW > 75kW，由公式Qb = P×tgφ可知，應(yīng)補(bǔ)償無功Qb = 25kvar。

1.2低壓集中補(bǔ)償方式

目前，國內(nèi)較普遍采用的另外一種無功補(bǔ)償方式，是在配電變壓器380 V側(cè)進(jìn)行集中補(bǔ)償，見圖1中的方式2。在這種方式下，補(bǔ)償裝置通常采用微機(jī)控制的低壓并聯(lián)電容器柜，容量在幾十至幾百千乏不等，它是根據(jù)用戶負(fù)荷水平的波動(dòng)，投入相應(yīng)數(shù)量的電容器進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償。主要目的是提高專用變壓器用戶的功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)無功功率的就地平衡，對(duì)配電網(wǎng)和配電變壓器的降損有一定作用，也可以保證該用戶的電壓水平。這種補(bǔ)償方式的投資及維護(hù)均由專用變壓器用戶承擔(dān)。目前國內(nèi)各廠家生產(chǎn)的自動(dòng)補(bǔ)償裝置通常是根據(jù)功率因數(shù)來進(jìn)行電容器的自動(dòng)投切，也有為了保證用戶電壓水平而以電壓為判據(jù)進(jìn)行控制。這種補(bǔ)償方式雖然利于保證用戶的電能質(zhì)量，但對(duì)供電企業(yè)并不一定有利。因?yàn)榫€路電壓的波動(dòng)主要由無功量變化引起，而線路的電壓水平由系統(tǒng)情況決定。當(dāng)線路電壓基準(zhǔn)偏高或偏低時(shí)，無功功率的投切量可能與實(shí)際需求相差甚遠(yuǎn)，可能出現(xiàn)無功功率補(bǔ)償過多或補(bǔ)償不足的情況。

對(duì)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，而面向廣大居民用戶及其他小型用戶的公用變壓器，其通常安裝在戶外的桿架上，進(jìn)行低壓無功功率集中補(bǔ)償則是不現(xiàn)實(shí)的，難維護(hù)、控制和管理，容易成為生產(chǎn)安全隱患。這樣，配電網(wǎng)的補(bǔ)償度就受到了限制。

在低壓母線上裝設(shè)自動(dòng)投切的并聯(lián)電容器成套裝置主要補(bǔ)償變壓器本身及以上輸電線路的無功功率損耗，而在配電線路上產(chǎn)生的損耗并未減少，因此，補(bǔ)償不宜過大，否則變壓器輕載或空載運(yùn)行時(shí)，將造成過補(bǔ)償，補(bǔ)償容量應(yīng)以變壓器額定容量的30%～40%確定，即：Qb = （0.3 - 0.4）SN，或從提高功率因數(shù)的角度考慮Qb = P（tgφ1 - tgφ2），其中tgφ1 、tgφ2是補(bǔ)償前后功率因數(shù)角的正切值。

1.3桿上無功補(bǔ)償方式

文獻(xiàn)[2，3]提出了在配電系統(tǒng)桿上進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)谋匾院头椒āＳ捎谂潆娋W(wǎng)中大量存在的公用變壓器沒有進(jìn)行低壓補(bǔ)償，補(bǔ)償度受到限制。由此造成很大的無功功率缺口需要由變電站或發(fā)電廠來填補(bǔ)，大量的無功功率沿線傳輸，配電網(wǎng)網(wǎng)損居高不下。因此可以把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）的方法來進(jìn)行無功補(bǔ)償（見圖1中的方式3），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，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，桿上無功功率優(yōu)化補(bǔ)償必須結(jié)合以下實(shí)際工程要求來進(jìn)行：

a）補(bǔ)償點(diǎn)宜少。一條配電線路上宜采用單點(diǎn)補(bǔ)償，不宜采用多點(diǎn)補(bǔ)償。

b）控制方式從簡(jiǎn)。桿上補(bǔ)償不設(shè)分組投切。

c）補(bǔ)償容量不宜過大。補(bǔ)償容量太大，將會(huì)導(dǎo)致配電線路在輕載時(shí)過電壓和過補(bǔ)償現(xiàn)象。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。建議按重載補(bǔ)償后電源節(jié)點(diǎn)功率因數(shù)不超過0.95和輕載時(shí)功率因數(shù)達(dá)到1左右即可的方法來處理。

d）接線宜簡(jiǎn)單。最好是每相只配置一臺(tái)電容器裝置，以降低整套補(bǔ)償設(shè)備的故障率。

e）保護(hù)方式也要簡(jiǎn)化。采用熔絲和氧化鋅避雷器分別作為過流保護(hù)和過電壓保護(hù)。

f）防止電容器安裝后產(chǎn)生諧振現(xiàn)象。

顯然，桿上無功補(bǔ)償主要是針對(duì)10kV饋線上沿線的公用變壓器所需無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，文獻(xiàn)[3]提出了這種補(bǔ)償方式的最優(yōu)地點(diǎn)和容量的算法。因這種補(bǔ)償方式具有投資小、回收快、補(bǔ)償效率較高、便于管理和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，適合于功率因數(shù)較低且負(fù)荷較重的長(zhǎng)距離配電線路，但是因負(fù)荷經(jīng)常波動(dòng)，而該補(bǔ)償方式又是長(zhǎng)期固定補(bǔ)償，適應(yīng)能力較差，主要是補(bǔ)償了無功基荷，在線路重載情況下，補(bǔ)償度一般是不能達(dá)到0.95。

將電容器分散安裝在高壓配電線路上，主要補(bǔ)償線路上的無功消耗，還可以提高線路末端電壓，改善電壓質(zhì)量。其補(bǔ)償容量一般遵循"三分之二"原則，即補(bǔ)償容量為無功負(fù)荷的三分之二，而電壓降為DU = （PR + QX）/Ue。

例1：一條10kV線路，長(zhǎng)為5km，導(dǎo)線型號(hào)LGJ-70，其中g(shù) = 0.46W/km，X0 = 0.411Ω/km，所帶負(fù)荷200 + j150，在線路末端補(bǔ)償QC= 100kvar，求線路損耗和電壓降。

①求線路上的損耗

補(bǔ)償前：△P1 = 3×I2R = 3×（2002 + 1502）/102×5×0.46 = 4313W。

補(bǔ)償后：△P2 = 3×I2R = 3×[2002 +（150 - 100）2]/102×5×0.46 = 2933W。

則一年少損失電量：△A = （△P1 - △P2）T×10-3 = （4313 - 2933）×365×24×10-3 = 12089kWh。

②求電壓降

補(bǔ)償前：△U = （PR + QX）/U = （200×0.46×5 + 150×0.411×5）/10 = 77V。

補(bǔ)償后：△U = （PR + QX）/U = [200×0.46×5 + （150 - 100）×0.411×5] /10 = 56V。

所以補(bǔ)償后電壓由9.92kV提高到9.94kV，改善了電壓質(zhì)量。

1.4用戶終端分散補(bǔ)償方式

目前，在我國城鎮(zhèn)，低壓用戶的用電量大幅增長(zhǎng)，企業(yè)、廠礦和小區(qū)等對(duì)無功功率需求都很大，直接對(duì)用戶末端進(jìn)行無功補(bǔ)償，見圖1中的方式4，是最恰當(dāng)?shù)亟档碗娋W(wǎng)的損耗和維持網(wǎng)絡(luò)的電壓水平。GB50052—1995《供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》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(dú)就地補(bǔ)償。這樣，對(duì)于企業(yè)和廠礦中的電動(dòng)機(jī)，應(yīng)該進(jìn)行就地?zé)o功補(bǔ)償，即隨機(jī)補(bǔ)償；針對(duì)小區(qū)用戶終端，由于用戶負(fù)荷小，波動(dòng)大，地點(diǎn)分散，無人管理，應(yīng)該開發(fā)一種新型低壓終端無功補(bǔ)償裝置，并能滿足智能型控制、免維護(hù)、體積小、易安裝、功能完善、造價(jià)較低等的要求。

與上述3種補(bǔ)償方式相比，用戶終端分散補(bǔ)償方式更能體現(xiàn)以下優(yōu)點(diǎn)：

a）線損率可減少20%；

b）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(dòng)和運(yùn)行條件；

c）釋放系統(tǒng)能量，提高線路供電能力。

缺點(diǎn)是低壓無功補(bǔ)償通常按配電變壓器低壓側(cè)最大無功功率需求來確定安裝容量，而各配電變壓器低壓負(fù)荷波動(dòng)的不同時(shí)性造成大量電容器在較輕載時(shí)閑置，設(shè)備利用率不高

將電容器直接并聯(lián)在電動(dòng)機(jī)上，用以補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)的無功消耗。搞好電動(dòng)機(jī)的無功補(bǔ)償，使其無功就地平衡，既能減少配電線路的損耗，同時(shí)還可以提高電動(dòng)機(jī)的出力。一般對(duì)7.5kW以上電動(dòng)機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，確定容量應(yīng)按QC ≤ 3UeI0。另外，對(duì)于排灌所帶機(jī)械負(fù)荷較大的電動(dòng)機(jī)，補(bǔ)償容量可適當(dāng)加大，大于電動(dòng)機(jī)的空載無功，但要小于額定無功負(fù)荷，即Q0 ≤ QC ≤ Qe。

例3：某地自來水公司，一條線路長(zhǎng)1km，導(dǎo)線型號(hào)LGJ-70，其中g(shù) = 0.46W/km，X0=0.411Ω/km，帶一抽水用電動(dòng)機(jī)Pe = 95kW，實(shí)用負(fù)荷為100 + j60，由于長(zhǎng)期超載，在電動(dòng)機(jī)上補(bǔ)償無功QC = 30kvar，求補(bǔ)償前后線路的損耗和電動(dòng)機(jī)的出力。

視在功率S=（1002+602）1/2= 116.26kVA

①求線路上的損耗

補(bǔ)償前：△P1 = 3×I2R =1002 + 602）/0.382×1×0.46 = 43.32kW。

補(bǔ)償后：△P1 = 3×I2R = [1002 + （60 - 30）2]/0.382×1×0.46 = 34.72kW。

△P1 - △P2 = 43.32 - 34.72 = 8.6 kW，則一年少損失電量8.6×24×365 = 75.33MWh。

②求電動(dòng)機(jī)出力

補(bǔ)償前：PN = 95kW < 100kW，電動(dòng)機(jī)處于超載運(yùn)行。

補(bǔ)償后：PN = 112kW > 95kW，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行正常，提高了電動(dòng)機(jī)的出力

1.5 4種補(bǔ)償方式的綜合比較

通過以上分析可知，4種無功補(bǔ)償方式各有各的優(yōu)缺點(diǎn)，其綜合比較見表1所示。

2配網(wǎng)無功補(bǔ)償遇到的問題

隨著人們對(duì)配電網(wǎng)建設(shè)的重視及無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展，低壓側(cè)無功補(bǔ)償技術(shù)在配電系統(tǒng)中也開始普及。從靜態(tài)補(bǔ)償?shù)絼?dòng)態(tài)補(bǔ)償，從有觸點(diǎn)補(bǔ)償?shù)綗o觸點(diǎn)補(bǔ)償，都取得了豐富的經(jīng)驗(yàn)，但是在實(shí)踐應(yīng)用中也暴露出一些問題，必須引起重視。

2.1優(yōu)化的問題

目前，很多單位選擇無功補(bǔ)償?shù)某霭l(fā)點(diǎn)還放在用戶側(cè)，只注意補(bǔ)償用戶的功率因數(shù)，而不是立足于降低電力網(wǎng)的損耗。例如，為提高某電力負(fù)荷的功率因數(shù)，增設(shè)1臺(tái)補(bǔ)償箱。這對(duì)降損有一定好處，但若要實(shí)現(xiàn)有效的降損，必須通過計(jì)算無功功率潮流，確定各點(diǎn)的最優(yōu)補(bǔ)償量和補(bǔ)償方式，才能使有限的資金發(fā)揮最大的效益。這是從電力系統(tǒng)角度考慮問題的方法。

無功功率優(yōu)化配置的目標(biāo)是在保證配網(wǎng)電壓水平的同時(shí)，盡可能降低網(wǎng)損。由于它要對(duì)補(bǔ)償后的運(yùn)行費(fèi)用以及相應(yīng)的安裝成本同時(shí)達(dá)到最小化，計(jì)算過程相當(dāng)復(fù)雜。為此，以前的文獻(xiàn)中通常采取了許多不切實(shí)際的假設(shè)，比如固定負(fù)荷水平，統(tǒng)一線徑，把樹狀配電網(wǎng)簡(jiǎn)化成梳狀網(wǎng)，這樣的結(jié)果并不理想。

2.2量測(cè)的問題

目前10kV配電網(wǎng)線路上的負(fù)荷點(diǎn)一般無表計(jì)，維護(hù)人員的技術(shù)水平和管理水平又參差不齊，表計(jì)記錄的準(zhǔn)確性和同時(shí)性無法保證。這對(duì)配電網(wǎng)的潮流計(jì)算和無功優(yōu)化計(jì)算帶來很大困難。要爭(zhēng)取帶專用變壓器房用戶的支持，使他們能按一定要求進(jìn)行記錄。380V終端用戶處通常只裝有有功電能表，要實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的測(cè)量是不可能的，這也是低壓無功補(bǔ)償難于廣泛開展的原因所在。

2.3諧波的問題

電容器本身具備一定的抗諧波能力，但同時(shí)也有放大諧波的副作用。諧波含量過大時(shí)，會(huì)對(duì)電容器的壽命產(chǎn)生影響，甚至造成電容器的過早損壞，由于電容器對(duì)諧波的放大作用，將使系統(tǒng)的諧波干擾更嚴(yán)重；另外，動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償柜的控制環(huán)節(jié)容易受諧波干擾影響，造成控制失靈，因而做無功補(bǔ)償時(shí)必須考慮諧波治理，在有較大諧波干擾，又需要補(bǔ)償無功功率的地點(diǎn)，應(yīng)考慮增加濾波裝置。

2.4無功功率倒送的問題

無功功率倒送是電力系統(tǒng)所不允許的現(xiàn)象，因?yàn)樗鼤?huì)增加線路和變壓器的損耗，加重線路的負(fù)擔(dān)。雖然生產(chǎn)廠家都強(qiáng)調(diào)自己的設(shè)備不會(huì)造成無功功率的倒送，但是實(shí)際情況并非如此。因?yàn)閷?duì)于接觸器控制的補(bǔ)償柜，補(bǔ)償量是三相同調(diào)的；對(duì)于晶閘管控制的補(bǔ)償柜，雖然三相補(bǔ)償量可以分調(diào)，但是很多生產(chǎn)廠家為了節(jié)約成本，往往只選擇一相做采樣及無功功率分析。于是在三相負(fù)荷不平衡的時(shí)候，就有可能造成無功功率倒送。至于采用固定電容器補(bǔ)償方式的用戶，則可能在負(fù)荷低谷時(shí)造成無功功率倒送，這應(yīng)引起充分考慮。

綜上所述，10kV配電網(wǎng)的無功補(bǔ)償工作應(yīng)更多地考慮系統(tǒng)的特點(diǎn)，不應(yīng)因電壓等級(jí)低、補(bǔ)償容量小而忽視補(bǔ)償設(shè)備對(duì)系統(tǒng)側(cè)的影響（包括網(wǎng)損）。如果需降損的線路能基于一個(gè)完善的補(bǔ)償方案進(jìn)行改造，則供電企業(yè)的收益將比分散的純用戶行為的補(bǔ)償方式要大得多。

3結(jié)束語

對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償，提高功率因數(shù)和搞好無功功率平衡，是一項(xiàng)建設(shè)性的降損技術(shù)措施。文章分析了4種配網(wǎng)無功補(bǔ)償方式的應(yīng)用，但筆者認(rèn)為應(yīng)更多地按系統(tǒng)的特點(diǎn)來進(jìn)行無功補(bǔ)償。目前，配電網(wǎng)的無功補(bǔ)償容量一般是根據(jù)供電部門要求達(dá)到的功率因數(shù)來確定的，而不是依據(jù)用戶用電時(shí)實(shí)際的節(jié)能效益、最佳電能質(zhì)量、最小支付電費(fèi)的經(jīng)濟(jì)功率因數(shù)來確定。如何確定無功補(bǔ)償設(shè)備的合理配置和分布，需尋找技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的最優(yōu)方案。

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作者簡(jiǎn)介：

王鵬（1981—），男，安徽池州人，池州供電公司用電檢查員。