無(wú)功補(bǔ)償法在電力系統(tǒng)中的實(shí)踐應(yīng)用研究

姚 洋，翁同洋，武 濤，傅維柱

（國(guó)網(wǎng)六安供電公司，安徽 六安 237006）

1 無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)概述

1.1 無(wú)功補(bǔ)償?shù)幕驹?/h3>

電網(wǎng)在輸送電力時(shí)，其輸出的功率包括有功功率和無(wú)功功率。前者直接消耗電能并將電能轉(zhuǎn)化為熱能、機(jī)械能以及化學(xué)能等其他形式的有用能，也就是正常用電；后者不消耗電能，只是將電能轉(zhuǎn)化為無(wú)用的其他形式的能，難以避免。無(wú)功功率補(bǔ)償即尋找一種無(wú)功功率的輸出，可以將輸出的能量補(bǔ)償給另一種需要無(wú)功功率的裝置。以電磁元件為例，當(dāng)電流在電感元件中做功時(shí)，電流滯后于電壓90°；在電容元件中做功時(shí)，電流超前于電壓90°[1]。這種電感電流和電容電流在同一電路中方向相反的情況可以被有效利用：一是可以將一定比例的電容元件安裝在電磁元件中，減小電流和電壓的矢量夾角；二是將容性功率負(fù)荷的裝置和感性功率負(fù)荷裝置并聯(lián)在同一電路，讓容性負(fù)荷輸出的無(wú)功功率補(bǔ)償感性負(fù)荷需要的無(wú)功功率。

1.2 無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆诸?/h3>

無(wú)功補(bǔ)償?shù)膸追N方式如圖1 所示。

圖1 無(wú)功補(bǔ)償示意

1.2.1 變電站集中補(bǔ)償

變電站集中補(bǔ)償主要是補(bǔ)償主變壓器本身的無(wú)功損耗，減少上級(jí)輸電線路的無(wú)功電能。利用安裝在高低壓配電線路中的并聯(lián)電容器組或靜止補(bǔ)償裝置，改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，進(jìn)而提高終端變電站的母線電壓。需要注意的是，電網(wǎng)中配電網(wǎng)的線損一般占總線損的70%，而這種無(wú)功損耗不能通過變電站集中補(bǔ)償調(diào)節(jié)，需要使用其他的補(bǔ)償方式（如分散補(bǔ)償法）有效降低線損。

1.2.2 隨器補(bǔ)償

隨器補(bǔ)償是在輸電線路的低壓側(cè)（用戶配電變壓器）安裝補(bǔ)償裝置，也叫做配變低壓補(bǔ)償。這種補(bǔ)償方式的安裝維護(hù)較為簡(jiǎn)單，節(jié)省成本。當(dāng)用戶日負(fù)荷變化大時(shí)，能夠及時(shí)跟進(jìn)補(bǔ)償，降損節(jié)能效果好。此外，還可以采用微機(jī)控制跟蹤電荷波動(dòng)，將結(jié)果顯示在用戶端的配電屏上，方便隨時(shí)分組投切電容器。

1.2.3 中壓與低壓線路補(bǔ)償

如果某些輸電線路的低壓側(cè)沒有安裝補(bǔ)償裝置，并且該線路輸電距離長(zhǎng)、電壓負(fù)荷重且功率因數(shù)低，則其配電網(wǎng)的無(wú)功損耗將會(huì)非常嚴(yán)重，只能由變電站或發(fā)電廠提高能量供應(yīng)進(jìn)行彌補(bǔ)。為了解決這種情況，可以將高壓并聯(lián)電容器分散安裝在配電線路上，補(bǔ)償線路上感性電抗消耗的無(wú)功功率和配電變壓器的無(wú)功功率損耗。這種線路補(bǔ)償方法投資小、回收便捷，使用效果突出。

1.2.4 隨機(jī)補(bǔ)償

以上都是對(duì)配電網(wǎng)輸電線路的無(wú)功補(bǔ)償，雖然有效，但是對(duì)線路的總無(wú)功損耗補(bǔ)償效果較差，僅占1/3 左右，而實(shí)際生產(chǎn)生活中用戶設(shè)備的無(wú)功消耗占據(jù)著總無(wú)功消耗的65%，因此設(shè)計(jì)一種對(duì)用戶用電設(shè)備進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ直匾ｋS機(jī)補(bǔ)償（用電設(shè)備就地補(bǔ)償）是將電容器直接接到用電設(shè)備的同一個(gè)電氣回路上，可以利用設(shè)備自帶的開關(guān)進(jìn)行同步控制。當(dāng)設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，電容器同時(shí)投運(yùn)；當(dāng)設(shè)備斷開時(shí)，電容器同時(shí)斷開。這種就地平衡無(wú)功電流的方法，既避免了無(wú)負(fù)荷時(shí)過量補(bǔ)償?shù)那闆r，又可以使有負(fù)荷時(shí)的電壓質(zhì)量得到保障[2]。

1.3 無(wú)功補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用原則

無(wú)功補(bǔ)償在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)該注意以下原則。

1.3.1 高壓補(bǔ)償和低壓補(bǔ)償相結(jié)合

由于電力系統(tǒng)需要向不同類型的用戶供應(yīng)電力，用電需求不同，電壓和電流的負(fù)荷也不同，僅采取其中一種補(bǔ)償方式會(huì)導(dǎo)致電力供應(yīng)系統(tǒng)的輸電線路無(wú)功損耗補(bǔ)償有時(shí)過量、有時(shí)不足，使得輸電損耗難以控制。高壓補(bǔ)償和低壓補(bǔ)償相結(jié)合的方式能更好地適應(yīng)不同的電量需求場(chǎng)景，從而降低電能損耗。

1.3.2 集中補(bǔ)償和分散補(bǔ)償相結(jié)合

集中補(bǔ)償體現(xiàn)在高壓側(cè)，分散補(bǔ)償體現(xiàn)在低壓側(cè)，兩者各有作用，結(jié)合起來(lái)能夠極大延長(zhǎng)電力傳輸?shù)木嚯x。

1.3.3 無(wú)功補(bǔ)償和有功補(bǔ)償相結(jié)合

有功補(bǔ)償在一些情況下可以提高無(wú)功補(bǔ)償?shù)恼w效果，避免無(wú)功補(bǔ)償過度或不足導(dǎo)致配電系統(tǒng)受到影響的情況。

1.3.4 整體和局部平衡

無(wú)功平衡強(qiáng)調(diào)的是電力系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)處于最佳狀態(tài)，一旦局部無(wú)功補(bǔ)償和整體出現(xiàn)失衡狀況，就會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)運(yùn)行波動(dòng)。為此，可以在實(shí)踐中采取降損為主、調(diào)壓為輔的補(bǔ)償方式，大大減少整個(gè)輸電線路的能量損失，提高線路的負(fù)荷水平和電力系統(tǒng)的輸電能力。

2 電力系統(tǒng)中無(wú)功補(bǔ)償?shù)膸追N措施

2.1 裝設(shè)并聯(lián)電容器

并聯(lián)電容器構(gòu)造簡(jiǎn)單、安裝快捷、維護(hù)方便、補(bǔ)償效率高且能源損耗低，因此目前裝設(shè)并聯(lián)電容器是電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖畛Ｓ梅椒?。并?lián)電容器的缺點(diǎn)是安裝完畢后使用時(shí)無(wú)法連續(xù)調(diào)節(jié)，只能根據(jù)安裝前設(shè)定的固定參數(shù)補(bǔ)償無(wú)功功率，因此很有可能出現(xiàn)過度補(bǔ)償無(wú)功功率的現(xiàn)象，造成系統(tǒng)震蕩[3]。

2.2 裝設(shè)同步調(diào)相機(jī)

同步調(diào)相機(jī)又可以看作空載的同步電動(dòng)機(jī)，通過調(diào)整勵(lì)磁電流決定向系統(tǒng)供給無(wú)功功率或是吸收無(wú)功功率。同步調(diào)相機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是使用平滑，通過調(diào)整勵(lì)磁電流改變無(wú)功功率的大小，讓電網(wǎng)的功率因數(shù)能夠經(jīng)常接近于1；缺點(diǎn)是投資較大，損耗大且噪聲大，維護(hù)較為復(fù)雜困難，現(xiàn)在電力系統(tǒng)很少使用。

2.3 配備靜止類無(wú)功補(bǔ)償裝置

靜止類無(wú)功補(bǔ)償裝置指實(shí)際運(yùn)行時(shí)固定的補(bǔ)償裝置，具有體積小、占地面積小、效率高、動(dòng)態(tài)效應(yīng)時(shí)間短的特點(diǎn)，在電力系統(tǒng)無(wú)功功率控制領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。

3 無(wú)功補(bǔ)償法在電力系統(tǒng)中的實(shí)踐應(yīng)用

3.1 電網(wǎng)配電線路中的無(wú)功補(bǔ)償應(yīng)用

電網(wǎng)配電線路中，無(wú)功補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵在于保持無(wú)功功率的平衡性。選擇電網(wǎng)分支線路中負(fù)荷較大的線路作為無(wú)功補(bǔ)償設(shè)置點(diǎn)，負(fù)荷大意味著消耗多，無(wú)功功率的補(bǔ)償帶來(lái)的改善更佳。集中計(jì)算分支線路的一部分配電變壓器集中計(jì)算，平均分配負(fù)荷，然后補(bǔ)償容量。對(duì)于電網(wǎng)中以空載無(wú)功損耗為主的分支線路和安裝負(fù)載的線路而言，雖然某一部分線路會(huì)使設(shè)備投入量處于不足狀態(tài)，進(jìn)而使線路處于欠補(bǔ)償?shù)男问?，但是電力系統(tǒng)的總無(wú)功補(bǔ)償率可達(dá)70%，無(wú)功功率的平衡性較好[4]。

3.2 電力用戶的無(wú)功補(bǔ)償應(yīng)用

電力用戶應(yīng)用無(wú)功補(bǔ)償方法主要從3 方面入手。一是利用集中補(bǔ)償?shù)姆绞?，將電容器裝設(shè)在輸電線路的高壓側(cè)，這種方式可以有效減少線路的無(wú)功損耗。二是利用分組補(bǔ)償?shù)姆绞?，將電容器分別裝設(shè)在輸電線路的各個(gè)低壓側(cè)，這種方式可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)備的就地平衡，有效減少用戶設(shè)備的無(wú)功損耗。三是在分組補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上，將電容器并聯(lián)到各個(gè)電氣設(shè)備上，可以有針對(duì)性地幫助用戶實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)電氣設(shè)備的無(wú)功補(bǔ)償，讓更加頻繁運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備能夠處于高效、低耗的狀態(tài)，同時(shí)也避免了其他停止運(yùn)作的設(shè)備過度補(bǔ)償。對(duì)于用戶而言，無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)能夠提高功率因數(shù)，減少設(shè)備損耗，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)用電，極大提高了經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 靜止無(wú)功補(bǔ)償器的技術(shù)應(yīng)用

靜止無(wú)功補(bǔ)償器普遍指使用晶間管的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置，目前應(yīng)用十分廣泛，大體分為晶閘管控制電抗器和晶閘管投切電容器，可以分開使用，也可以混合安裝。靜止無(wú)功補(bǔ)償器與傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償方式存在一定的不同，具有更快的響應(yīng)速度，可以連續(xù)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，并且不會(huì)出現(xiàn)涌流、拉弧等情況，適用于大多數(shù)工業(yè)電力用戶，幫助實(shí)現(xiàn)節(jié)能降損的目標(biāo)[5]。例如，電力機(jī)車、電弧爐、軋機(jī)等工業(yè)設(shè)備在使用靜止無(wú)功補(bǔ)償器后，均能夠有效提高功率因數(shù)。但是靜止無(wú)功補(bǔ)償器也有缺點(diǎn)，如工作時(shí)產(chǎn)生諧波，需要進(jìn)一步研究如何防范或解決此類問題。

4 電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償發(fā)展中應(yīng)注意的問題

4.1 注意諧振的防護(hù)

電力系統(tǒng)在非線性負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)很容易產(chǎn)生諧振、諧波，它們對(duì)電路系統(tǒng)有極大的危害，出現(xiàn)時(shí)會(huì)導(dǎo)致過電壓和過電流現(xiàn)象，長(zhǎng)時(shí)間存在還會(huì)加劇電力系統(tǒng)負(fù)荷，造成電力設(shè)備損壞，并且絕緣設(shè)備也會(huì)存在很大的運(yùn)轉(zhuǎn)壓力。因此，在實(shí)際應(yīng)用無(wú)功補(bǔ)償時(shí)，一定要注意諧振和諧波的防護(hù)，盡量避免產(chǎn)生諧振和諧波。一旦其出現(xiàn)于電路系統(tǒng)，則代表電路系統(tǒng)存在質(zhì)量問題，需要及時(shí)維修。

4.2 有效控制無(wú)功補(bǔ)償?shù)墓β室驍?shù)

無(wú)功補(bǔ)償直接作用于功率因數(shù)，可以有效提高功率因數(shù)，從而減少電能的損耗。在實(shí)際應(yīng)用無(wú)功補(bǔ)償時(shí)，適當(dāng)提高功率因數(shù)可以降低輸電電流，提高線路使用率，提升整個(gè)電氣設(shè)備的電能利用率。但是要注意不能無(wú)節(jié)制地增大功率因數(shù)，功率因數(shù)過高會(huì)影響電氣設(shè)備的絕緣性，并且設(shè)備內(nèi)部溫度也會(huì)有所升高。一旦溫度超過合理范圍，設(shè)備內(nèi)部的零件配置會(huì)被破壞，從而影響電氣設(shè)備的使用壽命。在實(shí)際無(wú)功補(bǔ)償應(yīng)用分析中，功率因數(shù)從0.6 提升到0.7 和從0.7提升到0.8 所使用的補(bǔ)償容量幾乎相當(dāng)，因此這個(gè)范圍也被認(rèn)定為最安全的功率因數(shù)控制范圍。有效控制無(wú)功補(bǔ)償?shù)墓β室驍?shù)，對(duì)電力系統(tǒng)的傳輸安全和電氣設(shè)備的高效利用有著極大的幫助。

4.3 防止電力系統(tǒng)的電壓超標(biāo)

電力系統(tǒng)的電壓會(huì)隨著電容器無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖兓兓?，具體表現(xiàn)為正相關(guān)，即補(bǔ)償過多則電壓上升，補(bǔ)償不足則電壓下降。在實(shí)際應(yīng)用無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)時(shí)，切斷進(jìn)行補(bǔ)償?shù)碾妱?dòng)機(jī)電源后，電力系統(tǒng)還會(huì)輸送一段時(shí)間的無(wú)功功率，這部分補(bǔ)償會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)電壓容易超出額定值，而電力系統(tǒng)的電壓超標(biāo)會(huì)導(dǎo)致變電站、系統(tǒng)裝置、終端電氣設(shè)備均處于危險(xiǎn)狀態(tài)，因此電力系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償需要根據(jù)整個(gè)電力系統(tǒng)的實(shí)際情況，把握好補(bǔ)償因數(shù)，從而控制電壓超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。

4.4 考慮無(wú)功倒送問題

大多數(shù)電力用戶一般為小個(gè)體用戶，為了節(jié)約成本，往往在應(yīng)用無(wú)功補(bǔ)償時(shí)選擇一相進(jìn)行采樣和無(wú)功分析。在三相負(fù)荷不平衡時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)無(wú)功倒送的現(xiàn)象。對(duì)于另一部分只采用固定電容器補(bǔ)償?shù)挠脩?，?dāng)電氣設(shè)備處于負(fù)荷低谷時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)無(wú)功倒送問題。無(wú)功倒送會(huì)增加配電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)，也會(huì)增加輸電線路的負(fù)荷，對(duì)電力系統(tǒng)有一定的危害，需要用戶仔細(xì)考慮。

5 結(jié) 論

隨著電力電氣技術(shù)的日益進(jìn)步，我國(guó)在無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)的研究方面實(shí)現(xiàn)了很大的發(fā)展，為了適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)電力系統(tǒng)在裝置技術(shù)、輸電穩(wěn)定性和電能質(zhì)量等方面越來(lái)越高的要求，未來(lái)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)仍然需要不斷改進(jìn)。我國(guó)一直倡導(dǎo)能源節(jié)約，并一直為創(chuàng)造節(jié)約型社會(huì)而努力，無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在電能節(jié)約方面有著極大的作用，未來(lái)隨著無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的越發(fā)成熟，其對(duì)電力系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)化將會(huì)愈發(fā)高效，在節(jié)約電力資源的基礎(chǔ)上，促進(jìn)社會(huì)的和諧發(fā)展。