配電網無功補償方案比較和補償工程應注意的問題（建筑電氣論文

1、配電網無功補償方案比較和補償工程應注意的問題1 引言由于無功補償對電網安全、優(yōu)質、經濟運行具有重要作用，因此無功補償是電力部門和用戶共同關注的問題。合理選擇無功補償方案和補償容量，能有效提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，保證電網的電壓質量，提高發(fā)輸電設備的利用率，降低有功網損和減少發(fā)電費用。 我國配電網的規(guī)模巨大，因此配電網無功補償對降損節(jié)能，改善電壓質量意義重大。本文結合當前人們關注的電網無功補償問題，重點分析、比較了配電網常用無功補償方案特點，并通過對無功補償應用技術的分析，提出了配電網無功補償工程應注意問題和相關建議。2 配電網無功補償方案比較配電網無功補償方案有變電站集中補償、配電變低壓補償、配電

2、線路固定補償和用電設備分散補償。四種方案示意圖見圖1所示。2.1變電站集中補償變電站集中補償裝置包括并聯(lián)電容器、同步調相機、靜止補償器等，主要目的是平衡輸電網的無功功率，改善輸電網的功率因數(shù)，提高系統(tǒng)終端變電所的母線電壓，補償變電站主變壓器和高壓輸電線路的無功損耗。這些補償裝置一般集中接在變電站10kV母線上，因此具有管理容易、維護方便等優(yōu)點，但這種補償方案對10kV配電網的降損不起作用。為實現(xiàn)變電站的電壓/無功綜合控制，通常采用并聯(lián)電容器組和有載調壓抽頭協(xié)調調節(jié)。協(xié)調調節(jié)控制算法國內學者進行過大量研究，九區(qū)圖法是一種常用的有效方法。但大量的實際應用表明，投切過于頻繁會影響電容器開關和分接頭的

3、使用壽命，增大運行維護工作量，通常在實際中要限制抽頭調節(jié)和電容器組操作次數(shù)。采用電力電子開關控制成本比較高、開關自身功率損耗也很大，因此變電站高壓電壓/無功控制技術仍有待進一步改善和研究。鑒于變電站無功補償對提高高壓電網功率因數(shù)，維持變電所母線電壓和平衡系統(tǒng)無功有重要作用，因此應根據(jù)負荷的增長安排、設計好變電站的無功補償容量，運行中在保證電壓合格和無功補償效果最好的情況下，盡可能使電容器組投切開關的操作次數(shù)為最少。2.2 配電變低壓補償配電變低壓補償是目前應用最普遍的補償方法。由于用戶的日負荷變化大，通常采用微機控制、跟蹤負荷波動分組投切電容器補償，總補償容量在幾十至幾百千乏不等。目的是提高專

4、用變用戶功率因數(shù)，實現(xiàn)無功的就地平衡，降低配電網損耗和改善用戶電壓質量。配變低壓無功補償?shù)膬?yōu)點是補償后功率因數(shù)高、降損節(jié)能效果好。但由于配電變壓器的數(shù)量多、安裝地點分散，因此補償工程的投資較大，運行維護工作量大，也因此要求廠家要盡可能降低裝置的成本，提高裝置的可靠性。采用接觸器投切電容器的沖擊電流大，影響電容器和接觸器的使用壽命；用晶閘管投切電容器能解決接觸器投切電容器存在的問題，但明顯缺點是裝置存晶閘管功率損耗，需要安裝風扇和散熱器來通風與散熱，而散熱器會增大裝置的體積，風扇則影響裝置的可靠性。為解決這些問題，筆者組織開發(fā)、研制了機電一體開關無功補償裝置，機電開關補償裝置典型接線如圖2所示。

5、裝置采用固定補償與分組補償結合，以降低裝置的生產成本；裝置能實現(xiàn)分相補償，以滿足三相不平衡系統(tǒng)的需要。機電開關控制使裝置既有晶閘管開關的優(yōu)點，又具有接觸器無功率損耗的優(yōu)點。幾千臺裝置的現(xiàn)場運行、試驗表明，機電開關補償裝置體積小、可靠性高，能滿足戶外環(huán)境、長期工作需要。低壓補償裝置安裝地點分散、數(shù)量大，運行維護是補償工程需要重點考慮的問題；另外，配電系統(tǒng)負荷情況復雜，系統(tǒng)可能存在諧波、三相不平衡，以及防止出現(xiàn)過補償?shù)葐栴}，這些工程中應注意的問題后面詳細紹。2.3 配電線路固定補償大量配電變壓器要消耗無功，很多公用變壓器沒有安裝低壓補償裝置，造成的很大無功缺額需要變電站或發(fā)電廠承擔，大量的無功沿線

6、傳輸使得配電網的網損居高難下，這種情況下可考慮配電線路無功補償，文獻34提出了配電線路無功補償?shù)谋匾院头椒?。線路補償既通過在線路桿塔上安裝電容器實現(xiàn)無功補償。由于線路補償遠離變電站，因此存在保護難配置、控制成本高、維護工作量大、受安裝環(huán)境限制等問題。因此，線路補償?shù)难a償點不宜過多；控制方式應從簡，一般不采用分組投切控制；補償容量也不宜過大，避免出現(xiàn)過補償現(xiàn)象；保護也要從簡，可采用熔斷器和避雷器作為過電流過電壓保護。線路補償主要提供線路和公用變壓器需要的無功，工程問題關鍵是選擇補償?shù)攸c和補償容量，文獻4給出了補償?shù)攸c和容量的實用優(yōu)化算法。線路補償具有投資小、回收快、便于管理和維護等優(yōu)點，適用于

7、功率因數(shù)低、負荷重的長線路。線路補償一般采用固定補償，因此存在適應能力差，重載情況下補償度不足等問題。自動投切線路補償仍是需研究的課題。2.4 用電設備隨機補償在10kV以下電網的無功消耗總量中，變壓器消耗占30左右，低壓用電設備消耗占65以上。由此可見，在低壓用電設備上實施無功補償十分必要。從理論計算和實踐中證明，低壓設備無功補償?shù)慕洕Ч罴?，綜合性能最強，是值得推廣的一種節(jié)能措施。 感應電動機是消耗無功最多的低壓用電設備，故對于油田抽油機、礦山提升機、港口卸船機等廠礦企業(yè)的較大容量電動機，應該實施就地無功補償，即隨機補償。與前三種補償方式相比，隨機補償更能體現(xiàn)以下優(yōu)點：1）線損率可減少2

8、0%；2）改善電壓質量，減小電壓損失，進而改善用電設備啟動和運行條件；3）釋放系統(tǒng)能量，提高線路供電能力。由于隨機補償?shù)耐顿Y大，確定補償容量需要進行計算，以及管理體制、重視不夠和應用不方便等原因，目前隨機補償?shù)膽们闆r和效果都不理想。因此，對隨機補償需加強宣傳力度，增強節(jié)能意識，同時應針對不同用電設備的特點和需要，開發(fā)研制體積小、造價低、易安裝、免維護的智能型用電設備無功補償裝置。根據(jù)以上常用無功補償方案的分析、討論，我們可歸納、整理出四種補償方案的特點和基本性能如表1所示。表1 四種無功補償方法的特點比較補償方式變電站集中補償配電變低壓補償配電線路固定補償用電設備隨機補償補償對象變電站無功需

9、求配電變無功需求配電線路無功基荷用電設備無功需求降損范圍主變壓器及輸電網配電變及輸配電網配電線路及輸電網整個輸配電系統(tǒng)網調壓效果較好較好較好最好單位投資較大較大較小較大設備利用率較高較高很高較低維護方便性方便較方便方便不方便3 無功補償?shù)恼{壓作用分析鑒于配變無功補償是供電企業(yè)和用戶普遍關注的工作?，F(xiàn)在開始，本文重點對配變無功補償及工程問題進行分析和探討。3.1 典型實例的計算 圖1為某市臺江變電站10kV母線953線路簡化接線。該線路自變電站端開始一段與956線為同桿雙回線，其中956線較短些，接有18臺配電變壓器；而953線路較長，接有31臺配電變壓器，變壓器總容量為9895kVA。953線

10、路31臺變壓器容量為501000kVA大小不等，為計算和分析方便，對實際的31臺變壓器就近進行了等值處理。例如，節(jié)點8處是一個較大的用戶，接有3臺1000kVA的變壓器；而節(jié)點3處1695kVA是6臺變壓器的總容量，其它節(jié)點情況與節(jié)點3相同。圖1各段線路下數(shù)字為導線公里長度，主干線路導線型號為LGJ120。根據(jù)圖1各節(jié)點變壓器的總容量，假設變壓器在經濟負載系數(shù)Kf=0.65（相當較大負荷情況）狀態(tài)下工作，取功率因數(shù)為cos=0.85，可計算節(jié)點變壓器和各段線路的有功負荷；再假設變電站母線電壓分別為10.5kV和11.4kV，運用負荷矩法可分別計算不同情況下線路的各節(jié)點電壓。依此方法計算的幾種結

11、果如表2所示。表2 不同情況線路節(jié)點電壓的計算結果方案序號功率因數(shù)線路節(jié)點電壓值（kV）2345678910.8510.510.0839.7819.4979.2979.1429.0639.08120.9510.510.1309.8429.5899.3959.2579.1879.20330.8511.410.98310.69910.40010.18310.0279.9489.96640.9511.411.03310.74210.48910.29510.15710.08610.1033.2 計算結果分析表2中變電站母線電壓10.5kV為負荷高峰期正常逆調壓的要求電壓；11.4kV是為保證和滿足線路

12、末端用戶（節(jié)點8和節(jié)點9）母線電壓在額定范圍內，變電站母線應達到的電壓，也是實際系統(tǒng)中經常需要的運行電壓。計算結果為功率因數(shù)為0.85和0.95兩種情況電壓，目的在于分析配變無功補償對電壓的影響。按國標（GB 12325-90）電能質量供電電壓允許偏差中的規(guī)定：10kV及以下三相供電電壓允許偏差為額定電壓的7%。因此，從表2計算結果可以看出：1）該線路依靠正常的分接頭逆調壓，功率因數(shù)cos=0.85時，節(jié)點6到節(jié)點9電壓超標；功率因數(shù)cos=0.95時，節(jié)點7到節(jié)點9電壓超標。因此，僅靠變壓器分接頭逆調壓，不能滿足線路末端用戶的電壓質量要求。2）表2中的cos值為各節(jié)點變壓器的功率因數(shù)。因此在

13、配變低壓補償無功功率，提高變壓器功率因數(shù)，對該線路電壓有調節(jié)作用，但只能部分地解決電壓問題；但從調壓和降損兩方面考慮，無功補償是應普遍采用的技術。3）變電站電壓提高到11.4kV能滿足末端用戶電壓要求，但變電站母線電壓屬嚴重超標。會造成變電站10kV電容器和部分低壓電容器的保護超過1.1UN的定值，使無功補償裝置退出運行（實際情況），這將使電網損耗明顯增大。3.3 原因和解決措施造成圖1系統(tǒng)電壓問題的主要原因是導線截面小、供電半徑大。例如，在線路4.5km范圍內（5節(jié)點之前），電壓不會超標。因此，對更換導線或插入新變電站是解決該線路電壓問題的根本措施。但由于街區(qū)位置和條件限制，插入變電站改造需

14、要的投資非常大，因此該線路必須尋求其它的解決辦法。文獻6提出的有載調壓變壓器是解決該線路電壓問題的有效手段。但配電變的負荷波動大、變化頻繁，機械式分接頭難適應和滿足電網的調壓需要。文獻6提出的晶閘管串聯(lián)調壓方法是一個很好的解決思路，希望這種變壓器能盡快得到推廣和應用。但該方案需要更換的變壓器數(shù)量多，工程改造投資會很大。 表3 采用TVR調壓線路節(jié)點電壓的計算結果方案序號功率因數(shù)線路節(jié)點電壓值（kV）2345678950.8510.510.0839.7819.4979.7979.6429.5639.58160.8510.259.8339.5319.2579.5299.3749.2979.3137

15、0.9510.510.139.8429.5899.8959.7579.6879.70380.9510.259.8809.5929.3399.6469.5079.4379.453在圖1節(jié)點6位置安裝一臺晶閘管電壓調節(jié)器（TVR）7，是解決該線路電壓問題的更有效措施。TVR可使節(jié)電6電壓在方案1和方案2基礎上調高500V，有TVR調壓的各節(jié)點電壓計算結果如表3所示。TVR方案優(yōu)點是一臺設備解決全線路的電壓問題，經濟性是顯而易見的。以上實例說明，低壓無功補償具有調節(jié)、改善10kV電網電壓的作用；但不能解決像圖1這種長線路存在的電壓問題。4 無功補償效益的簡要分析配變低壓無功補償能有效降低配電變及以上

16、輸配電網的損耗。由于計算整個電網損耗涉及因素多，工作量大，下面僅以圖1中節(jié)點4的1000kVA變壓器為例，通過簡單計算，說明無功補償具有巨大的直接和間接效益。設補償前節(jié)點4變壓器滿載運行，視在功率S1000KVA，功率因數(shù)COS0.85，年用電時間為T3000小時，計算：1）若將COS提高到0.95，計算需要的補償電容器容量；2）補償前需要支付的年費用；3）補償裝置單位投資為150元/kvar，補償裝置本身損耗為3，投資回收率為10/年，計算補償后的年效益。根據(jù)已知條件，可計算補償前P1SCOS110000.85850kWQ1Ssin110000.52678526.78kvar1）求需要安裝的

17、補償電容器容量x因裝置本身有功損耗為3，補償后的電網無功Q2526.78x，要求COS為0.95，可求tg20.3287，于是有可求補償容量x245.73246kvar2）補償前需要支付的年費用基本電費：一般按最大負荷收取，設每KVA收取的費用為180元/年，故有FJ1180100018萬元電量電費：設每KWh為0.4元，故有FD10.48503000102萬元補償前年費用：FZ1FJ1+ FD118+102120萬元3）補償后需要支付的年費用和年效益補償后的視在功率和基本電費：FJ218085715.426萬元電量電費：FD20.4(850+0.03246)3000102.88萬元補償裝置折

18、舊費：Ff150246100.369萬元補償后年費用：FZ2FJ2+ FD2+ Ff15.426+102.88+0.369118.675萬元安裝無功補償可獲得的年效益FFZ1FZ2120118.6751.325萬元上面僅僅是無功補償提高功率因數(shù)角度計算的效益；如果計及降低輸配電網損耗、功率因數(shù)調整電費，以及節(jié)約建設投資、改善電壓質量等方面因素，其經濟效益更加可觀。5 產品選型及工程應注意的問題低壓無功補償安裝地點分散、數(shù)量多，且配電網電壓、負荷情況復雜；工程中相關問題考慮不周，不僅影響裝置正常運行，也帶來很多維護、管理等問題，工程問題必須引起重視。1）運行及產品可靠性問題與配電變壓器相比，低壓

19、補償裝置的維護量無疑要高很多；控制系統(tǒng)越復雜、功能越多，維護工作量越大。有些單位從“長遠”考慮，提出聯(lián)網、監(jiān)控等很多要求，無疑會增大投資和運行維護量，事實是很多沒有聯(lián)網的可能。低壓補償裝置的可靠性在開關和電容器，電容器壽命與工作條件有關，因此裝置的投切開關是關鍵。大量工程實踐表明，戶外配變無功補償因工作條件差，晶閘管或接觸器補償裝置難滿足可靠性要求2，機電一體開關是最佳選擇。2）產品類型和功能選擇問題對配電臺變的補償控制，有多種類型和不同功能的產品可供選擇。城網臺變多以無功補償為主，很多要求有綜合監(jiān)測功能。農網不同場合要求不同，可考慮配電+補償、補償+計量，特殊用戶可用配電+補償+計量或補償+

20、綜測。對監(jiān)控功能的要求高，必然成本高、投資大。建議根據(jù)實際需要和使用場合，合理選擇功能適用、價位合理的產品。實際工程上，不應出現(xiàn)一個變臺安裝有多個箱子的情況。3）控制量選取和控制方式問題很多專變補償裝置根據(jù)電壓控制電容器補償無功量，這種方式有助于保證用戶的電壓質量，但對電力系統(tǒng)無功補償不可取。前面圖1線路的電壓分析表明，電網的電壓水平是由系統(tǒng)情況決定的。若只按電壓高或低控制，無功補償量可能與實際需求相差很大，容易出現(xiàn)無功過補償或欠補償。從電網降低網損角度，取無功功率為控制量是最佳控制方式。4）補償效果和補償容量問題前面實例分析表明，配變低壓補償無功可提高配變功率因數(shù)，降低配變損耗，但只節(jié)點6配

21、變裝補償，對10kV線路降損作用很小。因此，某條線路配變安裝補償數(shù)量少或補償容量不足，影響全網（線路）降損和電壓改善效果。前面計算方法確定補償容量，對實際工程難以實現(xiàn)。配電網日負荷變化大，負荷性質不同，補償容量要求也不同。大量工程實踐表明，對動態(tài)補償在配變容量20%-30%內。同時，對個別情況可能需要進行特殊處理。5）無功倒送和三相不平衡問題無功倒送會增加線路和變壓器的損耗，加重線路供電負擔。為防止三相不平衡系統(tǒng)的無功倒送，應要求控制器檢測、計算三相無功投切控制。固定補償部分容量過大，容易出現(xiàn)無功倒送。一般動態(tài)補償能有效避免無功倒送。系統(tǒng)三相不平衡同樣會增大線路和變壓器損耗。對三相不平衡較大的負荷，比如機關、學校等單相負荷多的用戶，應考慮采用分相無功補償裝置。并不是所有廠家的控制器都具有分相控制功能，這是工程中必須考慮的問題。6）諧波影響和電容器保護問題諧波影響會使電容器過早損壞或造成控制失靈，諧波放大會使干擾更加嚴重。工程中應掌握用戶負荷性質，必要時應對補償系統(tǒng)的諧波進行測