配電系統(tǒng)無功補(bǔ)償方法分析

周 榮

國網(wǎng)湖北省電力有限公司襄陽供電公司，湖北 襄陽 441000

0 引言

用電設(shè)備在運(yùn)行過程中，會(huì)吸收電源中的有功功率和無功功率，如果電網(wǎng)的無功功率不足，將無法按照要求建立起完整的磁場(chǎng)，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓降低，使用電設(shè)備無法正常工作。在發(fā)電機(jī)、高壓輸電線路無法按照實(shí)際負(fù)荷供給需求提供足夠的無功功率情況下，需要選擇無功補(bǔ)償裝置，將其設(shè)置在配電網(wǎng)中提供無功補(bǔ)償，使電壓得以穩(wěn)定，設(shè)備可以正常工作，從而保障電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

1 配電系統(tǒng)無功補(bǔ)償概述

1.1 無功補(bǔ)償特點(diǎn)

在企業(yè)生產(chǎn)中，異步電動(dòng)機(jī)、變壓器等設(shè)備消耗無功功率較多。異步電動(dòng)機(jī)無功功率在電網(wǎng)消耗無功功率量中占比達(dá)60%，變壓器占比則約為20%，整流設(shè)備、電抗器等約占20%。因此，設(shè)備中主要是異步電動(dòng)機(jī)和變壓器消耗無功功率，架空供電線路也存在無功功率消耗，供用電設(shè)備無功功率補(bǔ)償方面，可選擇動(dòng)態(tài)、靜態(tài)等補(bǔ)償方式。

1.2 無功補(bǔ)償?shù)淖饔?/h3>

（1）使系統(tǒng)的功率因數(shù)得以增加，相關(guān)設(shè)備得到充分利用，設(shè)備所需容量小、線路和設(shè)備損耗降低，實(shí)現(xiàn)電能節(jié)約目標(biāo)。（2）提高并穩(wěn)定受電端和電網(wǎng)的電壓，配電系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng)，而進(jìn)一步提高電能質(zhì)量水平。（3）三相負(fù)載不協(xié)調(diào)的地方設(shè)置無功補(bǔ)償，可以使其更加平衡。（4）會(huì)增長變壓器、發(fā)電機(jī)等設(shè)備和供電線路的備用量，配電變壓器安裝容量減小，同時(shí)降低所需電費(fèi)?？傊?，采取無功補(bǔ)償?shù)哪康闹?，主要就是?shí)現(xiàn)電網(wǎng)無功平衡，高電壓水平下無功系統(tǒng)中無功電源比較多可以更好地達(dá)到無功平衡要求，同時(shí)也會(huì)提高系統(tǒng)運(yùn)行中電壓水平。與之相反，無功缺失的情景下運(yùn)行電壓水平則會(huì)降低。因此，需注意額定電壓下系統(tǒng)無功功率的平衡，合理設(shè)置無功補(bǔ)償裝置[1]。

1.3 無功功率對(duì)電網(wǎng)的影響

在一般運(yùn)行過程中，電力系統(tǒng)主要存在兩方面無功功率消耗情況，一是在輸電過程中，電路本身對(duì)無功功率的主動(dòng)消耗；二是用電設(shè)備工作消耗，主要有感性負(fù)載、非線性負(fù)荷消耗無功這兩種情況。用電容量較大的設(shè)備，在啟動(dòng)過程中消耗的無功量大，容易導(dǎo)致電網(wǎng)電壓產(chǎn)生畸變、波動(dòng)的情況。在受到感性負(fù)載不良影響下，電力系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)電網(wǎng)功率因數(shù)降低的現(xiàn)象。首先，會(huì)影響發(fā)電機(jī)組、輸變電設(shè)備，降低電氣設(shè)備效率，使其輸電能力變?nèi)酰瑢⒃黾影l(fā)電、輸變電成本；其次，損耗也會(huì)隨之增大，使運(yùn)營成本增加；最后，電網(wǎng)電壓會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)、畸變問題。

2 無功補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 補(bǔ)償形式

（1）純電容器補(bǔ)償形式為主。電網(wǎng)中存在不少諧波，而電容器又比較脆弱，采用純電容器形式實(shí)施系統(tǒng)無功補(bǔ)償，會(huì)放大諧波電力，對(duì)用電設(shè)備、補(bǔ)償電容器、相關(guān)元件等產(chǎn)生破壞。

（2）接觸器為投切開關(guān)的方式為主。這種補(bǔ)償方式將接觸器作為投切電容器開關(guān)使用，如果用電設(shè)備出現(xiàn)較快無功變化，或者系統(tǒng)出現(xiàn)復(fù)雜沖擊情況，其緩慢的響應(yīng)速度難以滿足跟蹤補(bǔ)償要求。電容器投入產(chǎn)生較大涌流，切除則會(huì)產(chǎn)生較大的過電壓，再次投入電容器之前，需要進(jìn)行充分放電。

（3）等容循環(huán)投切控制策略為主。采用該控制策略，存在分組粗略、補(bǔ)償精度低的問題。用電系統(tǒng)欠補(bǔ)償狀態(tài)長期持續(xù)，導(dǎo)致平均功率因數(shù)較低。

（4）普通控制器策略。普通控制器缺乏足夠的抗干擾能力，容易出現(xiàn)動(dòng)作失誤、死機(jī)等情況，對(duì)于存在諧波的系統(tǒng)不適用，其控制器功能簡單，難以滿足需要多種保護(hù)功能的先進(jìn)補(bǔ)償系統(tǒng)控制要求。

（5）三相共補(bǔ)補(bǔ)償形式為主。三相不平衡負(fù)載系統(tǒng)中有效分相補(bǔ)償難以實(shí)現(xiàn)。

（6）缺乏完善保護(hù)措施，補(bǔ)償設(shè)備異常狀態(tài)下難以實(shí)施有效保護(hù)。

（7）成套柜體有著復(fù)雜的結(jié)構(gòu)組成，實(shí)際組裝作業(yè)難度較高。

（8）元器件采購于不同的廠家，其質(zhì)量參差不齊，相關(guān)參數(shù)配合不準(zhǔn)確不合理，影響補(bǔ)償設(shè)備運(yùn)行的可靠性，易引發(fā)故障。

2.2 不良問題

（1）我國無功補(bǔ)償設(shè)備市場(chǎng)中，相關(guān)產(chǎn)品存在質(zhì)量和性能較差的問題，這些產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)會(huì)對(duì)公用電網(wǎng)造成影響，不利于保障電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和電能質(zhì)量，影響電力系統(tǒng)的發(fā)展。

（2）當(dāng)前在一些有著高補(bǔ)償系統(tǒng)要求的場(chǎng)所中，仍主要采用外國設(shè)備產(chǎn)品。

（3）維修作業(yè)量大、成本高。在相關(guān)調(diào)查中顯示，我國使用傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置只有不足30%的補(bǔ)充設(shè)備正常運(yùn)行、發(fā)揮作用，無效設(shè)備浪費(fèi)了大量人力、物力，且節(jié)能作用不足，用戶還需支付大量額外費(fèi)用[2]。

3 配電系統(tǒng)無功補(bǔ)償合理配置原則

（1）有機(jī)結(jié)合總體平衡與局部平衡，其中以局部平衡為主。主要目標(biāo)是使區(qū)域內(nèi)電網(wǎng)無功電力達(dá)到平衡要求，變電所和配電線路實(shí)現(xiàn)無功電力平衡。采取不合理無功電源布局，如補(bǔ)償容量不合理、補(bǔ)充位置有問題等，會(huì)對(duì)局部地區(qū)無功電力產(chǎn)生影響，導(dǎo)致其就地平衡無法實(shí)現(xiàn)，分區(qū)與分區(qū)之間無功電力輸送與交換，需要長途運(yùn)行，在很大程度上增加電網(wǎng)功率損耗、電能損耗。因此，規(guī)劃配置無功補(bǔ)償需保證達(dá)到總體要求，然后合理設(shè)計(jì)各局部補(bǔ)償方式，優(yōu)化補(bǔ)償組合方式，實(shí)現(xiàn)最佳補(bǔ)償效果。

（2）電力部門補(bǔ)償需結(jié)合用戶補(bǔ)償。配電系統(tǒng)中約有55%無功功率為用戶消耗，其余主要為配電網(wǎng)消耗。要想減少無功功率的輸送，必須實(shí)現(xiàn)就地補(bǔ)償，使電力部門和用戶補(bǔ)償相結(jié)合。

4 配電系統(tǒng)無功補(bǔ)償方法

4.1 變電站集中補(bǔ)償

為了提高輸電網(wǎng)絡(luò)功率因數(shù)，需要采取措施平衡輸電網(wǎng)絡(luò)間無功功率，降低主變壓器無功損耗。通常會(huì)采取變電站集中補(bǔ)償方式，選取10 kV母線為無功補(bǔ)償點(diǎn)，作為接入線，主要補(bǔ)償裝置為靜態(tài)補(bǔ)償器、并聯(lián)電容器和同步調(diào)相機(jī)。無功補(bǔ)償設(shè)備又被稱為并聯(lián)電容器組，一般其工作模式是對(duì)變壓器配合調(diào)壓抽頭完成無功補(bǔ)償、電壓調(diào)節(jié)。在操作、管理和維護(hù)方面，集中補(bǔ)償優(yōu)勢(shì)明顯，但無法減少配電網(wǎng)的損耗。

4.2 低壓集中補(bǔ)償

當(dāng)前低壓配電變壓器所使用的無功補(bǔ)償方式一般為集中補(bǔ)償，主要通過計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)低壓并聯(lián)電容器柜加以操控，跟蹤用戶負(fù)載水平，使電容器可自動(dòng)補(bǔ)償。這種方式改善了專用變壓器用戶產(chǎn)生功率，可實(shí)現(xiàn)無功功率平衡，維持用戶電壓水平穩(wěn)定。但是，該方式不適用于電力系統(tǒng)，系統(tǒng)線路電壓水平影響線路電壓水平，集中補(bǔ)償會(huì)引發(fā)線路波動(dòng)，但并非主導(dǎo)因素。同時(shí)，線路參考電壓不在標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，會(huì)產(chǎn)生冗余無功電容補(bǔ)償，或者補(bǔ)償不足問題。

4.3 高壓配電線路無功補(bǔ)償

配電網(wǎng)公共變壓器大多采用高壓配電線路無功補(bǔ)償，公共變壓器數(shù)量多，傳輸中隨著運(yùn)作發(fā)展其數(shù)量增加，需要采取無功補(bǔ)償。通常，安裝10 kV室外并聯(lián)電容器可以改變配電網(wǎng)功率因數(shù)，減少功率損耗。高壓配電無功優(yōu)化補(bǔ)償中，需遵循一定的原則，即盡量減少補(bǔ)償點(diǎn)，一條線路采取單點(diǎn)補(bǔ)償方式；控制方式應(yīng)避免過于復(fù)雜，盡量簡單，且分組投切裝置多選擇不設(shè)置；接線應(yīng)簡單，每相最好設(shè)置一個(gè)電容器；避免過量補(bǔ)償，根據(jù)實(shí)時(shí)功率因數(shù)區(qū)間合理設(shè)置，一般補(bǔ)償容量在0.95～1.00；簡化保護(hù)方式[3]。

4.4 用戶終端分散補(bǔ)償

相比上述方法，用戶終端分散補(bǔ)償方式可以降低電壓損耗，減少線路損耗，改善線路供電能力和電壓質(zhì)量，但在面對(duì)不同配電變壓器低壓負(fù)載波動(dòng)情況下，容易引發(fā)多電容器輕載限制，降低設(shè)備利用效率。此外，使用這一補(bǔ)償方式，需要考慮部分變壓器功率需求，否則會(huì)影響低壓無功功率補(bǔ)償?shù)陌惭b。

4.5 低壓配電線路無功補(bǔ)償

對(duì)于380 kV配電線路，其本身較長，負(fù)荷較重，產(chǎn)生的無功功率也會(huì)不斷增加，導(dǎo)致電壓損耗、線路損耗的增加。為了解決這一問題，需采取無功補(bǔ)償配電方式。此外，低壓配電網(wǎng)存在分支多、配電網(wǎng)布設(shè)混亂、節(jié)點(diǎn)多等問題，為了優(yōu)化補(bǔ)償，需要合理配置補(bǔ)償電容器。

5 結(jié)論

文章通過研究可知，合理的配電系統(tǒng)無功補(bǔ)償方式，可以維持電壓平衡、減少配電網(wǎng)損耗、提高功率因數(shù)，確保配電網(wǎng)運(yùn)行良好并獲得效益。因此，需合理配置無功補(bǔ)償，根據(jù)技術(shù)要求和經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化補(bǔ)償方案。