10kV配電無功補償技術(shù)與經(jīng)濟效益探討

國網(wǎng)浙江省電力有限公司樂清市供電公司 王海林

隨著國民經(jīng)濟發(fā)展水平的提升，居民生產(chǎn)生活對電能供應質(zhì)量提出更高要求。無功功率與有功功率均是輸配電網(wǎng)中的重要組成部分，而無功功率更是保證整個電力系統(tǒng)正常運行的基礎與前提。對于10kV配電線路來說，運行期間功率因數(shù)降低會導致能耗增加、供電質(zhì)量下降的問題，因此應及時通過無功補償技術(shù)實現(xiàn)無功就地平衡，進而減少線路長距離運輸中的電能損耗，為電力系統(tǒng)運行提質(zhì)增效提供保障。

1 10kV配電網(wǎng)中無功補償?shù)募夹g(shù)原理與應用價值

1.1 技術(shù)原理

一般來說，配電線路輸出功率主要由有功功率和無功功率組成，其中有功功率是指設備正常運行中直接耗損的部分電能，可實現(xiàn)對熱能、光能、機械能的轉(zhuǎn)化；而無功功率是將電能轉(zhuǎn)化為另一種形式的能，為電氣設備作功提供條件。在純電阻性負載狀態(tài)下，交流電電能實現(xiàn)向熱能的轉(zhuǎn)化，因不做功而產(chǎn)生無功功率；而在實際負載中往往是混合性負載，使得電流通過時存在部分不做功電能，為提高電能利用率，需要針對這部分無功功率無功補償。無功補償技術(shù)的主要功能是穩(wěn)定配電系統(tǒng)功率因數(shù)在正常范圍內(nèi)，從而盡可能減少變壓設備以及輸電線路的電能損耗，提高配電系統(tǒng)運行質(zhì)量[1]。

就實際情況來看，只有采用合理有效的無功補償技術(shù)才能降低電能耗損、保障供配電質(zhì)量；反之則會引發(fā)電壓波動、諧波增大等問題。而且，無功功率平衡、無功電源分布及傳輸?shù)榷紩﹄娏ο到y(tǒng)損耗及其經(jīng)濟性造成影響。

1.2 應用價值

無功補償技術(shù)是10kV配電系統(tǒng)無功功率失衡維護的主要技術(shù)手段，在配電網(wǎng)出現(xiàn)電壓異常情況時，可及時修復，有效減少電力運行自然線損，保證供電穩(wěn)定性。當前，還應針對10kV配電無功補償工作展開進一步完善，同時明確其應用價值。

一是提高電能使用效率。10kV配電網(wǎng)運行期間，電力輸送線路會受到環(huán)境因素影響，電力熱能轉(zhuǎn)換受限，在無功補償技術(shù)作用下可有效降低電流通行運行數(shù)值，實現(xiàn)電容器整合，起到減少電力運行損耗、提高電力運行效率的作用。

二是減少電力線路損耗。線路有功功率損耗計算公式可表示為：Px=R（P2+Q2）/U，式中Px表示的是線路有功功率損耗；R表示的是線路電阻，單位Ω；P表示的是線路輸送有功功率，單位kW；Q表示的是線路輸送無功功率，單位kW；U表示的是線路額定電壓，單位kV?？梢钥闯觯瑴p少無功功率輸送可有效降低功率損耗。

三是提高電網(wǎng)輸送能力。視在功率和有功功率的關系式為：P=Scosφ，式中可以看出，在視在功率一定的條件下，功率因數(shù)會隨著輸送有功增加而增大。

四是減少電壓損失。用電過程中受到電流或電壓不穩(wěn)定影響會導致用電成本增加，同時造成潛在的用電危險。采用10kV配電系統(tǒng)無功補償技術(shù)后，實現(xiàn)電容器并聯(lián)并減少無功功率，根本上減少了電壓損失，節(jié)約用電成本。而且還可以通過電壓功率調(diào)頻優(yōu)化電力系統(tǒng)，提升供電穩(wěn)定性[2]。

2 10kV配電無功補償?shù)脑O置原則

在對10kV配電線路設置無功補償時，應對補償為止、補償容量以及補償點數(shù)量進行確定。本文以某10kV配電線路為例，對10kV配電無功補償?shù)脑O置原則加以分析。

2.1 補償位置的確定

安裝無功補償裝置時應遵循無功就地平衡原則，最大限度上減少主干線電流傳輸。10kV線路電容器組安裝位置的計算公式可表示為：Li=2i×（2n+1）L，式中：L表示線路長度；n表示電容器組數(shù)；Li表示第i組電容器安裝位置與線路首端的距離，i=1,2,…,n。

2.2 補償容量的確定

確定10kV配電線路電容器組容量應遵循盡可能降低線損的原則，通常來說，配電線路中有n補償點，那么第i個補償電力電容器補償容量計算公式可表示為：Qi=2iQ×（2n+1），式中：Q表示線路首端總無功功率；n表示電容器組數(shù)；Qi表示第組電容器安裝位置與線路首端的距離，i=1,2,…,n。

2.3 補償點數(shù)量的確定

對于10kV配電線路來說，第i個補償點網(wǎng)損降低率計算公式可表示為：η=[1-1×（2i+1）2]×100%，結(jié)合本式來看，在10kV線路中網(wǎng)損降低率會隨著補償點數(shù)量增加而變大，同時補償效益也在逐漸提高。當補償點數(shù)量到達4時，網(wǎng)損降低率增加幅度開始趨于平緩，因此10kV配電線路補償點一般不超過4個。結(jié)合當前的電力工程實踐情況來看，10kV線路補償電容器裝置一般安裝于戶外電桿也不設置自動投切裝置，因此采取的是固定補償模式，通過線路流動最小無功負荷完成電容器容量補償，規(guī)避無功倒送情況的出現(xiàn)[3]。在此期間，應進行最小無功負荷值測算，進而得出線路明確的無功補償容量。根據(jù)上述內(nèi)容，可得出10kV配電線路無功補償裝置、補償容量及補償點數(shù)量的關系，具體關系見表1。

表1 10kV配電線路無功補償位置、補償容量及補償點數(shù)量的關系

表中L表示的是線路總長度，Q表示的是線路最小負荷無功功率。根據(jù)表1數(shù)據(jù)來看，10kV配電線路上電容器數(shù)量越多，網(wǎng)損下降越顯著，因此對線路運行造成更大影響，需要增加維護投入；而隨著電容器組數(shù)的增加，單位補償容量對應的網(wǎng)損降低率呈減少趨勢，因此對于一般的10kV配電線路來說，電容器可安裝1～2組。

綜合來看，10kV配電無功補償?shù)脑O置原則集中在以下幾方面：一是對于負荷較重的10kV配電線路來說，可在距支線首端2/3處安裝電容器，確保補償容量為無功負荷平均值的2/3；二是還可在干線距首端2/3處安裝電容器，補償容量為整體線路剩余無功負荷的2/3；三是在對10kV配電線路實施無功補償技術(shù)時，應以負荷較重及長度較長的線路為重點，若干線長度在10km以上可對其配電線路進行補償；而對于鐵損≥70%的線路則不宜安裝電容器，避免增加線損[4]。

3 10kV配電無功補償?shù)挠嬎銉?yōu)化

10kV配電線路運行期間，受到結(jié)構(gòu)復雜、功率因素低、負荷分布不均等因素的影響，造成較大的線路損耗，為保證供配電質(zhì)量，減少不必要的經(jīng)濟投入，需要對無功補償技術(shù)進行計算優(yōu)化。

3.1 補償前線路功率因數(shù)

補償前線路功率因數(shù)計算應根據(jù)代表性月份實際情況，根據(jù)10kV配電線路有功電量和無功電量得出各個線路的功率因數(shù)，其計算公式可表示為：，式中：λ1表示線路補償前線路功率因數(shù)；AY表示線路有功電量，單位kWh；AW表示線路無功電量，單位kWh。

3.2 最小、最大有功功率

通常情況下，變電站10kV出線不會配置功率表，因此可根據(jù)最小電流、最大電流、母線電壓以及功率因數(shù)進行線路最小、最大有功功率計算，公式表示為：、，式中：Px及Pd分別表示線路最小和最大有功功率，單位kW；Ix及Id表示線路最小、最大電流，單位A；U表示10kV母線電壓，單位kV；cosφ1表示線路補償前功率因數(shù)。

3.3 線路補償容量

線路最小補償容量。須根據(jù)最小負荷以及補償前后功率因數(shù)進行計算，將其作為定補，避免10kV線路運行至最低負荷時存在補償?shù)顾颓闆r而導致線損升高，其公式可表示為：，式中：Qx表示線路最小補償容量，單位kVar；cosφ1及cosφ2表示線路補償前后功率因數(shù)；線路最大補償容量。需根據(jù)最大負荷以及補償前后功率因數(shù)進行計算，其公式可表示為：，式中：Qd表示線路最大補償容量，單位kVar；cosφ1及cosφ2表示線路補償前后功率因數(shù)。

4 10kV配電無功補償?shù)慕?jīng)濟效益分析

4.1 提高設備供電能力

在滿足有功負荷相同條件時，通過無功補償技術(shù)可以起到降低變壓器在功率的作用，根據(jù)視在功率與有功功率關系式P=Scosφ得出，在實施無功補償技術(shù)后，可實現(xiàn)cosφ1向cosφ2的轉(zhuǎn)變，進而得出：ΔS=S1-S2=P（1/cosφ1-cosφ2）。在滿足功率相同條件時，通過無功補償技術(shù)可以起到提高變壓器有功輸出的作用，在落實無功補償技術(shù)后，P1、P2為補償前后的有功功率，進而得出：P1=S×cosφ1、P2=S×cosφ2，由于cosφ2≥cosφ1，供電設備在相同容量狀態(tài)下就可以輸出更多有功功率。

與此同時，在變壓器額定條件下，變壓器有功輸送能力會隨著功率因數(shù)降低而降低，因此除了要考慮負載有功功率以外還要更多關注到功率因數(shù)，避免出現(xiàn)變壓器超載的情況。隨著無功補償技術(shù)的應用，可以顯著起到增加有功功率、減少無功功率的作用，電力系統(tǒng)無功負荷也會隨著無功補償而降低，保證供電設備可以達到額定出力要求。

4.2 降低線路電力損耗

實施無功補償技術(shù)后，電力系統(tǒng)網(wǎng)絡損耗減少值可以表示為：ΔP=ΔP1-ΔP2=3（I21-I22）R，式中：ΔP1、ΔP2表示補償前后的線路損耗；I1、I2表示補償前后通過電力線路的電流；R表示電力電路電阻。相較于補償前，補償后有功損耗減少值可表示為：θ=（ΔP/ΔP1）×100%。根據(jù)上述分析可以得出，受到無功補償技術(shù)的影響，通過電力線路電流會一定程度上減少，電力系統(tǒng)網(wǎng)絡損耗也會降低，為便于計算，視為U2≈U1，得出：η=（1-cosφ1/cosφ2）×100%。

根據(jù)上式得出，例如功率因數(shù)為0.7，經(jīng)過無功補償后提升至0.95，那么電力線路有功功率損耗相較于補償前可減少46.8%，電力線路電壓損失可減少27.2%。結(jié)合電力設計規(guī)程來看，應保證電力線路電壓損耗在5%以內(nèi)，進而可以得出線路允許電壓損失最大值為5%×（1+27.2%）=6.4%，即線路有功損耗會在6.4%以內(nèi)。由此可見，在無功功率補償技術(shù)作用下，電力線路損耗將明顯減少，節(jié)能效果顯著提升，而且隨著功率因數(shù)提高，線路減少的損耗通常會在線路運行總功率的2.9%以內(nèi)。

4.3 減少用戶電費支出

無功補償技術(shù)的應用還可直接減少用戶電費支出，達到降低生產(chǎn)成本的目的。針對10kV配電線路進行無功補償后，一方面可以提高功率因數(shù)，用戶可以根據(jù)功率因數(shù)調(diào)整而獲得供電部門獎勵；另一方面，在提高功率因數(shù)后，電網(wǎng)傳輸因無功功率造成的有功損耗顯著降低，進而減少電費支出，給用戶帶來直接的經(jīng)濟效益。

綜上所述，無功補償技術(shù)是10kV配電線路運行過程中重要的補償方式，在優(yōu)化補償效果、提高設備利用率等方面具有明顯優(yōu)勢。本項目運行期間，充分發(fā)揮無功補償技術(shù)成效，在安裝無功補償裝置期間應對補償位置、補償容量以及補償點數(shù)量加以確定，并對具體的技術(shù)應用進行計算優(yōu)化。結(jié)合本項目實施情況來看，該技術(shù)在提高設備供電能力、降低線路電力損耗、減少用戶電費支出等方面也起到明顯作用，因此具有較強的經(jīng)濟性、安全性與合理性。