工廠供配電系統(tǒng)中的無功補(bǔ)償技術(shù)探究

謝瀾XIE Lan

（延長石油天然氣股份有限公司，延安 717599）

1 配電網(wǎng)絡(luò)無功補(bǔ)償概述

配電網(wǎng)是城市供電系統(tǒng)的核心部分，通過電網(wǎng)可將電能逐級配送給用電單位或單個(gè)用戶，然而電能并不像自來水一樣是順著管道定向流動(dòng)的，受到磁場、供電線路、用電器其其他因素影響，在配電網(wǎng)中存在著大量的感性負(fù)荷，因此在配電的過程中就會(huì)同時(shí)產(chǎn)生無功功率和有功功率兩種不同類型的功率類型。

從市場角度來說，無功功率不具備相應(yīng)的市場效益或經(jīng)濟(jì)價(jià)值，然而隨著配電距離的增加、線路材料的改變等無功功率會(huì)逐漸增加，大量的無功功率傳遞會(huì)直接影響到整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定性，引起電壓波動(dòng)和用電質(zhì)量問題，比如大量無功功率在長距離傳輸過程中會(huì)引起電壓的大幅下降，造成電壓損耗，導(dǎo)致變壓器或仙侶元件功率損耗增加，產(chǎn)生不必要的電能損耗導(dǎo)致能源浪費(fèi)問題。這種由無功功率引起的電壓損耗會(huì)隨著配電網(wǎng)電壓增加而增加，但是無功功率在配電網(wǎng)中并非完全無意義。

2 無功補(bǔ)償主要特點(diǎn)分析

無功功率補(bǔ)償器是電力系統(tǒng)主要組成。系統(tǒng)中無功功率補(bǔ)償器具有穩(wěn)定電網(wǎng)、保護(hù)高壓、低壓的優(yōu)點(diǎn)。為了使電纜裝置的電氣安全，可在局部發(fā)生過熱時(shí)降低溫度。本技術(shù)應(yīng)用廣泛，可在負(fù)荷功率因數(shù)過低時(shí)采用，從而可使電器設(shè)備的靜電容量最小，減少不必要的電流損失。電網(wǎng)產(chǎn)生最大無功功率的設(shè)備主要是變壓器和異步電動(dòng)機(jī)。一個(gè)變壓器的無功功率是工作功率的50%，異步電動(dòng)機(jī)是60%。核反應(yīng)堆等其他設(shè)備發(fā)電機(jī)的無功功率、供電線路、整流器設(shè)備也占工作功率的20%。從上述數(shù)據(jù)可以看出，電網(wǎng)的無功功率主要來自變壓器、電源線、異步電機(jī)等設(shè)備。無功功率補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用可以有效地補(bǔ)償消耗的大量無功功率，從而提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，保證許多電力設(shè)備的能效和高效工作。

3 無功補(bǔ)償原理分析

無功功率是電力系統(tǒng)中不可或缺的重要功率，對于穩(wěn)定電力系統(tǒng)的電壓以及感性設(shè)備的正常運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。無功功率分為感性無功功率和容性無功功率兩種，感性負(fù)荷消耗無功功率，為無功負(fù)載；容性負(fù)荷發(fā)出無功功率，為無功電源。在低壓電網(wǎng)中，異步電動(dòng)機(jī)是最常見的感性負(fù)荷，其正常運(yùn)行需要無功功率提供磁場能，另外，電網(wǎng)中對于供電安全可靠運(yùn)行起到至關(guān)重要作用的變壓器、電抗器等設(shè)備的正常運(yùn)行也離不開無功功率。如果不采取無功補(bǔ)償技術(shù)，負(fù)荷所需的無功功率只能遠(yuǎn)距離通過輸電線路送給負(fù)荷，這將導(dǎo)致輸電線路功率因數(shù)增加、供電末端電壓降低以及電能損耗增大。如果將容性負(fù)荷與感性負(fù)荷并聯(lián)在一個(gè)母線上，在同一電壓向量下，感性負(fù)荷和容性負(fù)荷電流方向相反，相當(dāng)于容性負(fù)荷為感性負(fù)荷提供無功功率[1]。

4 無功補(bǔ)償作用分析

在電網(wǎng)系統(tǒng)中配備一定無功補(bǔ)償裝置，可有效維持并控制電網(wǎng)的實(shí)際感性負(fù)荷，繼而有效控制設(shè)備的實(shí)際能源損耗現(xiàn)象。實(shí)際安裝過程中，盡可能在并聯(lián)電容器中配置并聯(lián)補(bǔ)償容器，如此才能獲得最好且難以代替的效果。在實(shí)際實(shí)踐期間，想要充分發(fā)揮無功補(bǔ)償裝置的實(shí)際作用，則必須將無功補(bǔ)償裝置裝設(shè)在電網(wǎng)系統(tǒng)對應(yīng)位置中，一般情況下是低壓、高壓并聯(lián)電容器對應(yīng)電路中。在實(shí)際安裝過程中，無功補(bǔ)償電力設(shè)備的安裝是非常簡單的，且維修工作也相對簡單好處理，不繁瑣復(fù)雜，無需維修人員拆裝系統(tǒng)針對某一部分進(jìn)行維修，也無需為維修這一部分培訓(xùn)專業(yè)的維修人員或是制定相應(yīng)的培訓(xùn)方案。但是這種無功補(bǔ)償裝置往往會(huì)被諧波干擾，無法連續(xù)調(diào)節(jié)，長期運(yùn)用會(huì)提升電容器的實(shí)際損壞幾率，因此在實(shí)際應(yīng)用過程中必須明確無功補(bǔ)償裝置的實(shí)際調(diào)節(jié)方法。

5 配網(wǎng)系統(tǒng)無功補(bǔ)償存的主要問題

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力優(yōu)化分配現(xiàn)象和電網(wǎng)覆蓋范圍越來愈廣泛。但是，由于我國的電網(wǎng)建設(shè)逐漸被推遲，因此因電力供應(yīng)不足而導(dǎo)致電力供應(yīng)不均的發(fā)展趨勢越來越大。當(dāng)然，這會(huì)對城市用電造成一定的影響，但這樣可以減少電力的傳輸損耗。目前，針對通過增加能源系統(tǒng)的電力供應(yīng)以有效保護(hù)居民的正常用電量這個(gè)問題進(jìn)行了深入討論，針對配電系統(tǒng)無功補(bǔ)償面對的問題分析如下：

5.1 質(zhì)量安全問題

應(yīng)用無功補(bǔ)償技術(shù)過程中會(huì)出現(xiàn)不合理的容量分配以及安全和質(zhì)量問題。因?yàn)槲覈€處在無功功率補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展的初期階段，有些問題還沒有被認(rèn)識到，這樣的問題在預(yù)備階段技術(shù)上是無法避免的，但是如果這個(gè)問題得不到解決，將會(huì)變得更加嚴(yán)重。妨礙電力工業(yè)發(fā)展。若沒有充分了解無功功率補(bǔ)償技術(shù)在研發(fā)過程中存在的問題，那么一旦把它投入到電器行業(yè)，電氣行業(yè)的人就會(huì)在下列情況下使用電能：損耗太大，損失會(huì)很大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)安全問題。

5.2 線路組合比較復(fù)雜

根據(jù)線路設(shè)計(jì)具體情況而言，配網(wǎng)多采用閉環(huán)設(shè)計(jì)，而運(yùn)行時(shí)則是以開環(huán)的方式為主。通常情況下線路中的配電網(wǎng)相互之間是各自獨(dú)立的，配電網(wǎng)對不同用戶的配電一般以直接分配為主。雖然采用組合線路、以大量負(fù)荷節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配電的方式能獲得更好的無功補(bǔ)償效果，但也會(huì)造成配電網(wǎng)復(fù)雜程度的直線上升，從而使得配網(wǎng)中無功補(bǔ)償優(yōu)化的算法更加復(fù)雜，這就意味著無功補(bǔ)償工作面臨的難度更大，從整體上來看是得不償失的做法。

5.3 制約條件比較多

配網(wǎng)無功補(bǔ)償工作過程中需要全面考慮很多因素，包括但不限于功率平衡、電壓約束等因素，還有其他客觀制約條件。如一些人員密集、不適合架設(shè)線路的位置卻被計(jì)算證實(shí)是架設(shè)線路的最佳選址，而環(huán)境、能源、線路損耗線路容量等問題也會(huì)制約配網(wǎng)無功補(bǔ)償?shù)墓ぷ餍Ч?/p>

5.4 線路損耗問題

對于高能耗企業(yè)而言，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況并不好，功率增加可能導(dǎo)致短路和過大的功率消耗。電氣自動(dòng)化在這一階段面臨的問題是電路損耗和損耗。電力自動(dòng)化APP應(yīng)用并非一次性的APP 應(yīng)用。電力被用在從電站到各種電力用戶和家庭。由于電力消耗大，輸電首先要經(jīng)過高壓變電所，然后再過高壓。對最終固定電力用戶的變電站而言，輸電過程中的電力線路數(shù)量較多，因此在一定程度上會(huì)考慮到非規(guī)則的維護(hù)。

6 工廠供配電系統(tǒng)中的無功補(bǔ)償技術(shù)

無功補(bǔ)償是一種比較概念化的稱呼，它也有一個(gè)比較普遍化和日?；姆Q呼叫做無功功率補(bǔ)償。無功補(bǔ)償技術(shù)的使用范圍是非常廣泛的，最關(guān)鍵的原因就是無功補(bǔ)償技術(shù)在多方面都能良好地發(fā)揮其作用。其最主要的作用就是在電能的實(shí)際操作和傳輸過程當(dāng)中，確保電能在輸送線路和變壓器上不會(huì)存在大量損耗的問題，以達(dá)到資源最大化利用的目的，讓電能在電網(wǎng)上的運(yùn)輸功率得到進(jìn)一步的提升，并且也可以通過這樣的方式來整頓電網(wǎng)的運(yùn)行環(huán)境，讓整個(gè)運(yùn)行環(huán)境更加的安全可靠和穩(wěn)固。

6.1 低壓集補(bǔ)償

集中補(bǔ)償就是通過在高低壓配電線路中安裝并聯(lián)電容器組來實(shí)現(xiàn)感性功率和容性功率的相互轉(zhuǎn)化。在過去電網(wǎng)規(guī)模較小的時(shí)期，這種補(bǔ)償方式能夠有效調(diào)節(jié)配電網(wǎng)內(nèi)功率因數(shù)，促進(jìn)電能利用效率的提高。但隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，集中補(bǔ)償?shù)谋锥巳找骘@現(xiàn)，一方面是隨著供電距離的增加，電網(wǎng)內(nèi)無功功率比例會(huì)逐漸增加，在電容器組連接線路遠(yuǎn)端功率因數(shù)調(diào)節(jié)效果并不明顯，另一方面則是為了適應(yīng)電網(wǎng)發(fā)展的需要，想要有效調(diào)節(jié)功率因數(shù)就不得不擴(kuò)大并聯(lián)電容器組的容量，導(dǎo)致集中補(bǔ)償?shù)某杀驹黾覽2]。

6.2 高壓配電線路無功補(bǔ)償

配電網(wǎng)當(dāng)中公共的變壓器一般情況下都利用高壓的配電線路進(jìn)行無功的補(bǔ)償，因?yàn)楣沧儔浩髯陨淼臄?shù)量是比較多的，所以在傳輸?shù)倪^程當(dāng)中，損耗將會(huì)隨著運(yùn)作的發(fā)展而不斷地增加，這就需要通過無功補(bǔ)償?shù)姆绞絹磉M(jìn)行彌補(bǔ)。當(dāng)然這種補(bǔ)償?shù)姆绞綉?yīng)用的比較廣泛，也可以叫這種補(bǔ)償?shù)姆绞綖榫€路無功補(bǔ)償。一般情況下，通過安裝的10kV 室外并聯(lián)電容器就能夠?qū)ε潆娋W(wǎng)所具備的功率因數(shù)進(jìn)行改變，這樣也能夠通過這一電容器減少容易產(chǎn)生的功率損耗。高壓配電在進(jìn)行無功優(yōu)化補(bǔ)償?shù)倪^程當(dāng)中，也需要遵循一定的原則，只有遵循原則進(jìn)行補(bǔ)償才能夠取得最好的效果。

6.3 變電站集中補(bǔ)償

變電站的集中補(bǔ)償通常用于處理輸電網(wǎng)的無功平衡，這種無功補(bǔ)償方式主要在變電站進(jìn)行，通過對變電站的集中補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)對務(wù)工效率的補(bǔ)償。一般采取將補(bǔ)償裝置連接在變電站10kv 及以下配網(wǎng)的母線上，而補(bǔ)償裝置本身包括同步調(diào)相機(jī)、靜止補(bǔ)償器及并聯(lián)電容器等設(shè)備，其原理是改善輸電網(wǎng)的功率因數(shù)，使主變電所無功損耗的電壓及終端變電所的電壓得到增強(qiáng)，但其缺點(diǎn)在于不能實(shí)現(xiàn)對配電網(wǎng)損失的控制。

6.4 桿上無功補(bǔ)償

配電網(wǎng)傳輸距離比較長，相關(guān)采油區(qū)比較分散，如果采用隨機(jī)補(bǔ)償、隨器補(bǔ)償方式，由于油井停機(jī)等會(huì)導(dǎo)致電容器出現(xiàn)自勵(lì)磁過電壓問題，無法實(shí)現(xiàn)全部補(bǔ)償。此外，一些配電變壓器并不能采用隨器補(bǔ)償方式，對此可選擇桿上無功補(bǔ)償方式，具體要結(jié)合工程要求進(jìn)行，盡量少布置補(bǔ)償點(diǎn)，一條配電線路更加適合采用單點(diǎn)補(bǔ)償方式。同時(shí)，需簡化控制方式，不設(shè)置分布投切，且補(bǔ)償容量相對較小，重載狀態(tài)下，其補(bǔ)償后功率因素在0.95 以下，輕載狀態(tài)則低于1。

6.5 客戶終端分散補(bǔ)償

通過就地補(bǔ)償方式實(shí)現(xiàn)分散補(bǔ)償，需采用容量大、負(fù)荷穩(wěn)定的無功補(bǔ)償裝置，同時(shí)，設(shè)備使用較多，電網(wǎng)系統(tǒng)中主要就是注水輸油泵的電機(jī)。與其他無功補(bǔ)償方式相比，該方式電壓損失和線損都比較小，且可明顯改善電能質(zhì)量。但也存在不足之處，即在低壓無功補(bǔ)償中，需以設(shè)備最大無功作為基準(zhǔn)確定其安裝容量，對于應(yīng)用率較低設(shè)備并不適用。

6.6 就地補(bǔ)償

直接將無功功率補(bǔ)償設(shè)備安裝在功率因數(shù)較低的負(fù)荷處，負(fù)荷所需的無功功率以最短的路徑直接從補(bǔ)償裝置獲取，無功流動(dòng)造成的功率損耗幾乎為零，補(bǔ)償效果最好。但就地補(bǔ)償方案對安裝場地有要求，很多場合無法滿足其要求。另外，每個(gè)負(fù)荷單獨(dú)配置無功補(bǔ)償設(shè)備，使得無功功率不能統(tǒng)籌協(xié)調(diào)使用，工程造價(jià)明顯提高。因此，一般用于單個(gè)大容量負(fù)荷需求的場合，實(shí)際應(yīng)用場合較少。在實(shí)際工程中，根據(jù)負(fù)荷的分布特點(diǎn)，往往采用多重形式并用的補(bǔ)償方案，常見的有高壓補(bǔ)償與低壓補(bǔ)償相結(jié)合、集中補(bǔ)償與分散補(bǔ)償相結(jié)合的方案，以滿足不同場合下的負(fù)荷無功功率需求[3]。

6.7 低壓配電線路無功補(bǔ)償

盡管以上補(bǔ)償方法可以使得大容量的負(fù)載得到有效的補(bǔ)償，但是380V 配電線的線路本身就比較長，所以說這種線路的負(fù)荷是比較重的，線路當(dāng)中所產(chǎn)生的無功功率也會(huì)不斷地增加，電壓的損耗以及線路的損耗同樣會(huì)隨之而增加。為了及時(shí)地解決這種問題，改善這種狀況。一般情況下都會(huì)通過無功補(bǔ)償?shù)呐潆姺绞介_展工作。當(dāng)然，低壓配電網(wǎng)也存在一定的弊端，比如，分支多，配電網(wǎng)布設(shè)混亂，節(jié)點(diǎn)多，因此為了達(dá)到最優(yōu)補(bǔ)償，需要對補(bǔ)償電容器進(jìn)行合理化的配置。

事實(shí)上各地電力企業(yè)已經(jīng)對10kV 及以下配網(wǎng)的無功補(bǔ)償投入了足夠的重視，在規(guī)劃與設(shè)計(jì)上也達(dá)到了較高的完善程度，但依然存在無功電源配置不合理的客觀問題。就以上四種無功補(bǔ)償?shù)姆绞蕉?，其本質(zhì)上均存在局部補(bǔ)償?shù)木窒扌?，對配電網(wǎng)整體的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況缺乏綜合性的考量，由于無功功率在配電網(wǎng)上的分布具有動(dòng)態(tài)性的特點(diǎn)，因此傳統(tǒng)定點(diǎn)補(bǔ)償方式并不能有效解決電壓波動(dòng)大、無功潮流分布不均的問題。

7 無功補(bǔ)償電路運(yùn)維及安全策略

對于無功補(bǔ)償電路，必須定期進(jìn)行維護(hù)。維護(hù)工作要對整個(gè)供配電系統(tǒng)一起進(jìn)行，維護(hù)周期是每天定時(shí)巡查兩次，每季度停電檢查一次，每半年清潔設(shè)備一次；配電室要求做到恒溫恒濕，防潮防塵防鼠。停電檢查的項(xiàng)目包括：隔離總開關(guān)、保險(xiǎn)、交流接觸器、控制繼電器、指示電路，各連接線等是否良好；阻流圈，電容器組是否正常，必要時(shí)要測量其參數(shù)；人工試驗(yàn)控制器工作是否正常，各項(xiàng)正常后才可投入自動(dòng)運(yùn)行。維護(hù)檢修必須嚴(yán)格執(zhí)行行業(yè)管理制度。具體要求如下：電氣安全技術(shù)措施，做到人身安全、設(shè)備安全、運(yùn)行安全，這是廣播電視安全的生命線。維護(hù)檢修人員必須取得電工上崗操作證，要熟識設(shè)備的工作原理、線路和性能；維護(hù)檢修要有領(lǐng)導(dǎo)、有組織地進(jìn)行，必須做好檢修前的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，檢修工作必須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成；嚴(yán)格執(zhí)行工作票、操作票制度，維護(hù)檢修時(shí)必須遵守安全用電操作規(guī)程，做好安全措施；嚴(yán)禁赤足檢修設(shè)備，一般不能帶電檢修，確實(shí)需要帶電時(shí)，要有兩人配合，一人操作，另一人監(jiān)護(hù)；檢修中，要更改設(shè)備線路和元器件類型的，須經(jīng)技術(shù)主管領(lǐng)導(dǎo)批準(zhǔn)，試驗(yàn)正常后進(jìn)行技術(shù)歸檔；檢修結(jié)束必須由組織者和技術(shù)負(fù)責(zé)人進(jìn)行檢查，各項(xiàng)正常后才可通電運(yùn)行[4]。

8 配電系統(tǒng)中應(yīng)用無功補(bǔ)償注意的主要問題

8.1 明確線路補(bǔ)償容量

線路補(bǔ)償容量的確定是使10kV 及以下配網(wǎng)電容無功補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的的關(guān)鍵。在容量設(shè)置過程中重視設(shè)置的科學(xué)性，能夠有效將配網(wǎng)中出現(xiàn)的線損降低到最低水平。一般情況下，無功補(bǔ)償裝置的容量可設(shè)置在平均無功負(fù)荷的三分之二左右，這是相對而言最理想的設(shè)置方式，且安裝無功補(bǔ)償裝置之前還需全面調(diào)查配網(wǎng)線路的實(shí)際負(fù)荷，確定合適的容量范圍。

8.2 嚴(yán)格控制無功功率補(bǔ)償范圍

許多人認(rèn)為無功功率補(bǔ)償?shù)脑黾邮欠浅Ｓ幸娴模聦?shí)并非如此。對于傳輸線系統(tǒng)，引入高水平的補(bǔ)償雖是有益的，但會(huì)導(dǎo)致總損失中可以節(jié)省的份額增加。例如，我們說功率因數(shù)可被調(diào)整為0.7，但當(dāng)功率因數(shù)增加到0.8 時(shí)與功率因數(shù)調(diào)整到0.1 無功補(bǔ)償是差不多的，所以這樣增加無功功率補(bǔ)償只會(huì)浪費(fèi)投資成本。

8.3 明確補(bǔ)償裝置的安裝位置

無功補(bǔ)償裝置的安裝應(yīng)遵循“就地平衡”的原則，盡可能使線路中無功電流的產(chǎn)生得到控制，無功補(bǔ)償裝置的安裝以每條線路一臺為最理想狀態(tài)，同時(shí)還要對安裝位置及補(bǔ)償點(diǎn)補(bǔ)償容量進(jìn)行詳細(xì)規(guī)劃，強(qiáng)化對線路的檢修，及時(shí)修復(fù)損壞的線路，保證電能的持續(xù)利用，使整個(gè)配電網(wǎng)的建設(shè)能夠滿足社會(huì)建設(shè)過程中的電力需求。

8.4 避免出現(xiàn)電力系統(tǒng)產(chǎn)生諧振

工業(yè)的日常使用電情況直接取決于電力系統(tǒng)是否穩(wěn)定。此外，電網(wǎng)問題不僅明顯影響人們的正常生活，而且還可能阻礙某些項(xiàng)目的完成。但是，由于電力系統(tǒng)的總體覆蓋范圍較大，并且在成本、修護(hù)和操作方面存在問題，因此無法預(yù)估損失，即使能夠控制空間，但也存在無法避免的人員問題。鑒于當(dāng)前情況，有必要采取某些措施以避免出現(xiàn)更為嚴(yán)重的后果，通過增加有線設(shè)備的數(shù)量并控制其質(zhì)量的方式，可以減少風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。

8.5 防止存在過分補(bǔ)償

電流是在電力系統(tǒng)的電路中得到控制的，但電流本身就很難控制。如果過程有問題，就會(huì)引發(fā)“多諾米骨牌效應(yīng)”。該效應(yīng)出現(xiàn)是由其固有特性決定的，尤其是在傳輸過程中，先前連接中的問題是下一步問題的原因，通常這些問題會(huì)導(dǎo)致電力設(shè)備損壞。但是如果我們假設(shè)在電力工作中使用其他設(shè)備，則線性磁場本身將因負(fù)載而產(chǎn)生磁場電壓，同時(shí)產(chǎn)生能量，但這很容易損壞電力設(shè)備[5]。

9 結(jié)語

無功補(bǔ)償是電力行業(yè)對無功功率補(bǔ)償?shù)膭e稱，無功補(bǔ)償在電力系統(tǒng)中能夠提高高壓電網(wǎng)的功率因數(shù)，同時(shí)可在高壓電網(wǎng)中電能的變壓和傳輸過程中降低電力損耗功率，起著調(diào)節(jié)供電環(huán)境的作用，因此無功補(bǔ)償裝置在高壓供電系統(tǒng)中不可或缺。為了盡可能地降低高壓電網(wǎng)的損耗功率，改善電網(wǎng)質(zhì)量，需要選擇合適的無功補(bǔ)償裝置。而如果不能合理選擇并應(yīng)用無功補(bǔ)償裝置，則可能使高壓供電系統(tǒng)中的電壓產(chǎn)生波動(dòng)并增大其諧波。