（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，確定無功補償?shù)暮侠砼渲煤头植挤浅Ｖ匾Ｅ潆娤到y(tǒng)的4種無功補償方式各有的優(yōu)缺點，對它們進行技術(shù)經(jīng)濟比較，以尋求一種配電網(wǎng)無功補償?shù)淖顑?yōu)方案。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)；無功補償；技術(shù)比較

引言

無功補償點的合理選擇以及補償容量的確定，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距離傳輸，從而降低有功網(wǎng)損，減少發(fā)電費用和供電成本。

1配電系統(tǒng)無功補償方案及其比較

1.1變電站集中補償方式

1.1.1變電站集中補償方式及其優(yōu)缺點

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

1.1.2變電站集中補償方式的技術(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，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，因為限值需要隨不同的運行方式進行相應(yīng)的調(diào)整，在某些區(qū)上會產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，而且實際操作中，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)學上證明的最好效果，因此九區(qū)圖的應(yīng)用還有待進一步改善。文獻[1]利用模糊數(shù)學的概念建立了數(shù)學模型，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行調(diào)整，依據(jù)這種思路，設(shè)計出一種新型的變電站電壓無功功率微機綜合控制裝置，它可以在保證電壓合格和無功功率最佳補償效果的情況下，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)配變負載率較低，輕載或空載時，無功負荷主要是變壓器的空載勵磁無功，因此配變無功補償容量不易超過其空載無功，否則，在配變接近空載時可能造成過補償，所以應(yīng)按式Qb ≤ I0%Se/100（其中：I0%是空載電流百分數(shù)，從手冊中可查出，Se是變壓器的額定容量），但對于工業(yè)用戶的變壓器補償，因其負荷率高，補償時應(yīng)從提高變壓器出力的角度考慮。

例1：某地良種場有一臺變壓器Se = 80kVA，cosφ= 0.8，帶一抽水用電動機Pe = 75kW，P = Se×cosφ = 80×0.8 = 64kW < 75kW，可見變壓器處于超載運行，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)補償無功Qb = 25kvar。

1.2低壓集中補償方式

目前，國內(nèi)較普遍采用的另外一種無功補償方式，是在配電變壓器380 V側(cè)進行集中補償，見圖1中的方式2。在這種方式下，補償裝置通常采用微機控制的低壓并聯(lián)電容器柜，容量在幾十至幾百千乏不等，它是根據(jù)用戶負荷水平的波動，投入相應(yīng)數(shù)量的電容器進行跟蹤補償。主要目的是提高專用變壓器用戶的功率因數(shù)，實現(xiàn)無功功率的就地平衡，對配電網(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。這種補償方式的投資及維護均由專用變壓器用戶承擔。目前國內(nèi)各廠家生產(chǎn)的自動補償裝置通常是根據(jù)功率因數(shù)來進行電容器的自動投切，也有為了保證用戶電壓水平而以電壓為判據(jù)進行控制。這種補償方式雖然利于保證用戶的電能質(zhì)量，但對供電企業(yè)并不一定有利。因為線路電壓的波動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。當線路電壓基準偏高或偏低時，無功功率的投切量可能與實際需求相差甚遠，可能出現(xiàn)無功功率補償過多或補償不足的情況。

對配電系統(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，進行低壓無功功率集中補償則是不現(xiàn)實的，難維護、控制和管理，容易成為生產(chǎn)安全隱患。這樣，配電網(wǎng)的補償度就受到了限制。

在低壓母線上裝設(shè)自動投切的并聯(lián)電容器成套裝置主要補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，補償不宜過大，否則變壓器輕載或空載運行時，將造成過補償，補償容量應(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是補償前后功率因數(shù)角的正切值。

1.3桿上無功補償方式

文獻[2，3]提出了在配電系統(tǒng)桿上進行無功補償?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行低壓補償，補償度受到限制。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，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）的方法來進行無功補償（見圖1中的方式3），以提高配電網(wǎng)功率因數(shù)，達到降損升壓的目的。由于桿上安裝的并聯(lián)電容器遠離變電站，出現(xiàn)保護不易配置，控制成本高，維護工作量大，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)化補償必須結(jié)合以下實際工程要求來進行：

a）補償點宜少。一條配電線路上宜采用單點補償，不宜采用多點補償。

b）控制方式從簡。桿上補償不設(shè)分組投切。

c）補償容量不宜過大。補償容量太大，將會導致配電線路在輕載時過電壓和過補償現(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。建議按重載補償后電源節(jié)點功率因數(shù)不超過0.95和輕載時功率因數(shù)達到1左右即可的方法來處理。

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

e）保護方式也要簡化。采用熔絲和氧化鋅避雷器分別作為過流保護和過電壓保護。

f）防止電容器安裝后產(chǎn)生諧振現(xiàn)象。

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

將電容器分散安裝在高壓配電線路上，主要補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。其補償容量一般遵循"三分之二"原則，即補償容量為無功負荷的三分之二，而電壓降為DU = （PR + QX）/Ue。

例1：一條10kV線路，長為5km，導線型號LGJ-70，其中g(shù) = 0.46W/km，X0 = 0.411Ω/km，所帶負荷200 + j150，在線路末端補償QC= 100kvar，求線路損耗和電壓降。

①求線路上的損耗

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

補償后：△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

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

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

所以補償后電壓由9.92kV提高到9.94kV，改善了電壓質(zhì)量。

1.4用戶終端分散補償方式

目前，在我國城鎮(zhèn)，低壓用戶的用電量大幅增長，企業(yè)、廠礦和小區(qū)等對無功功率需求都很大，直接對用戶末端進行無功補償，見圖1中的方式4，是最恰當?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)計規(guī)范》指出，容量較大、負荷平穩(wěn)且經(jīng)常使用的用電設(shè)備，無功負荷宜單獨就地補償。這樣，對于企業(yè)和廠礦中的電動機，應(yīng)該進行就地無功補償，即隨機補償；針對小區(qū)用戶終端，由于用戶負荷小，波動大，地點分散，無人管理，應(yīng)該開發(fā)一種新型低壓終端無功補償裝置，并能滿足智能型控制、免維護、體積小、易安裝、功能完善、造價較低等的要求。

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

a）線損率可減少20%；

b）減小電壓損失，改善電壓質(zhì)量，進而改善用電設(shè)備啟動和運行條件；

c）釋放系統(tǒng)能量，提高線路供電能力。

缺點是低壓無功補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荷波動的不同時性造成大量電容器在較輕載時閑置，設(shè)備利用率不高

將電容器直接并聯(lián)在電動機上，用以補償電動機的無功消耗。搞好電動機的無功補償，使其無功就地平衡，既能減少配電線路的損耗，同時還可以提高電動機的出力。一般對7.5kW以上電動機進行補償時，確定容量應(yīng)按QC ≤ 3UeI0。另外，對于排灌所帶機械負荷較大的電動機，補償容量可適當加大，大于電動機的空載無功，但要小于額定無功負荷，即Q0 ≤ QC ≤ Qe。

例3：某地自來水公司，一條線路長1km，導線型號LGJ-70，其中g(shù) = 0.46W/km，X0=0.411Ω/km，帶一抽水用電動機Pe = 95kW，實用負荷為100 + j60，由于長期超載，在電動機上補償無功QC = 30kvar，求補償前后線路的損耗和電動機的出力。

視在功率S=（1002+602）1/2= 116.26kVA

①求線路上的損耗

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

補償后：△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求電動機出力

補償前：PN = 95kW < 100kW，電動機處于超載運行。

補償后：PN = 112kW > 95kW，電動機運行正常，提高了電動機的出力

1.5 4種補償方式的綜合比較

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

2配網(wǎng)無功補償遇到的問題

隨著人們對配電網(wǎng)建設(shè)的重視及無功補償技術(shù)的發(fā)展，低壓側(cè)無功補償技術(shù)在配電系統(tǒng)中也開始普及。從靜態(tài)補償?shù)絼討B(tài)補償，從有觸點補償?shù)綗o觸點補償，都取得了豐富的經(jīng)驗，但是在實踐應(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償?shù)某霭l(fā)點還放在用戶側(cè)，只注意補償用戶的功率因數(shù)，而不是立足于降低電力網(wǎng)的損耗。例如，為提高某電力負荷的功率因數(shù)，增設(shè)1臺補償箱。這對降損有一定好處，但若要實現(xiàn)有效的降損，必須通過計算無功功率潮流，確定各點的最優(yōu)補償量和補償方式，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)化配置的目標是在保證配網(wǎng)電壓水平的同時，盡可能降低網(wǎng)損。由于它要對補償后的運行費用以及相應(yīng)的安裝成本同時達到最小化，計算過程相當復雜。為此，以前的文獻中通常采取了許多不切實際的假設(shè)，比如固定負荷水平，統(tǒng)一線徑，把樹狀配電網(wǎng)簡化成梳狀網(wǎng)，這樣的結(jié)果并不理想。

2.2量測的問題

目前10kV配電網(wǎng)線路上的負荷點一般無表計，維護人員的技術(shù)水平和管理水平又參差不齊，表計記錄的準確性和同時性無法保證。這對配電網(wǎng)的潮流計算和無功優(yōu)化計算帶來很大困難。要爭取帶專用變壓器房用戶的支持，使他們能按一定要求進行記錄。380V終端用戶處通常只裝有有功電能表，要實現(xiàn)功率因數(shù)的測量是不可能的，這也是低壓無功補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，但同時也有放大諧波的副作用。諧波含量過大時，會對電容器的壽命產(chǎn)生影響，甚至造成電容器的過早損壞，由于電容器對諧波的放大作用，將使系統(tǒng)的諧波干擾更嚴重；另外，動態(tài)無功補償柜的控制環(huán)節(jié)容易受諧波干擾影響，造成控制失靈，因而做無功補償時必須考慮諧波治理，在有較大諧波干擾，又需要補償無功功率的地點，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，因為它會增加線路和變壓器的損耗，加重線路的負擔。雖然生產(chǎn)廠家都強調(diào)自己的設(shè)備不會造成無功功率的倒送，但是實際情況并非如此。因為對于接觸器控制的補償柜，補償量是三相同調(diào)的；對于晶閘管控制的補償柜，雖然三相補償量可以分調(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。于是在三相負荷不平衡的時候，就有可能造成無功功率倒送。至于采用固定電容器補償方式的用戶，則可能在負荷低谷時造成無功功率倒送，這應(yīng)引起充分考慮。

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

3結(jié)束語

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

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[5]GB50052—1995，供電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范[S].

作者簡介：

王鵬（1981—），男，安徽池州人，池州供電公司用電檢查員。