無功功率補償工程要注意的問題

由於無功補償對電網**、上等、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，能有效提高係統的電壓穩定性，保證電網的電壓質量，提高發輸電設備的利用率，降低有功網損和減少發電費用。

我國配電網的規模巨大，因此配電網無功補償對降損節能，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，並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並聯電容器、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，提高係統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、維護方便等優點，但這種補償方案對10KV配電網的降損不起作用。

圖1配電網常見無功補償方式示意圖

為實現變電站的電壓／無功綜合控製，通常采用並聯電容器組和有載調壓抽頭協調調節。協調調節控製算法國內學者進行過大量研究，九區圖法是一種常用的有效方法【1】。但大量的實際應用表明，投切過於頻繁會影響電容器開關和分接頭的使用壽命，增大運行維護工作量，通常在實際中要限製抽頭調節和電容器組操作次數。采用電力電子開關控製成本比較高、開關自身功率損耗也很大，因此變電站高壓電壓／無功控製技術仍有待進一步改善和研究。

鑒於變電站無功補償對提高高壓電網功率因數，維持變電所母線電壓和平衡係統無功有重要作用，因此應根據負荷的增長安排、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*好的情況下，儘可能使電容器組投切開關的操作次數為*少。

2.2配電變低壓補償

配電變低壓補償是目前應用*普遍的補償方法。由於用戶的日負荷變化大，通常采用微機控製、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。目的是提高專用變用戶功率因數，實現無功的就地平衡，降低配電網損耗和改善用戶電壓質量。

配變低壓無功補償的優點是補償後功率因數高、降損節能效果好。但由於配電變壓器的數量多、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，也因此要求廠家要儘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衝擊電流大，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。

圖2機電一體開關無功補償裝置接線圖

為解決這些問題，筆者組織開發、研製了機電一體開關無功補償裝置【2】，機電開關補償裝置典型接線如圖2所示。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；裝置能實現分相補償，以滿足三相不平衡係統的需要。機電開關控製使裝置既有晶閘管開關的優點，又具有接觸器無功率損耗的優點。幾千台裝置的現場運行、試驗表明，機電開關補償裝置體積小、可靠性高，能滿足戶外環境、長期工作需要。機電開關的原理與技術詳見文獻【2】。

低壓補償裝置安裝地點分散、數量大，運行維護是補償工程需要重點考慮的問題；另外，配電係統負荷情況複雜，係統可能存在諧波、三相不平衡，以及防止出現過補償等問題，這些工程中應注意的問題後麵詳細介紹。

2.3配電線路固定補償

大量配電變壓器要消耗無功，很多公用變壓器冇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電廠承擔，大量的無功沿線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【3】【4】提出了配電線路無功補償的必要性和方法。

線路補償既通過在線路杆塔上安裝電容器實現無功補償。由於線路補償遠離變電站，因此存在保護難配置、控製成本高、維護工作量大、受安裝環境限製等問題。因此，線路補償的補償點不宜過多；控製方式應從簡，一般不采用分組投切控製；補償容量也不宜過大，避免出現過補償現象；保護也要從簡，可采用熔斷器和避雷器作為過電流和過電壓保護。

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地點和補償容量，文獻【4】給出了補償地點和容量的實用優化算法。線路補償具有投資小、回收快、便於管理和維護等優點，適用於功率因數低、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，低壓設備無功補償的經濟效果*佳，綜合性能*強，是值得推廣的一種節能措施。

感應電動機是消耗無功*多的低壓用電設備，故對於油田抽油機、礦山提升機、港口卸船機等廠礦企業的較大容量電動機，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，隨機補償更能體現以下優點【5】：

1）線損率可減少20％；

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）釋放係統能量，提高線路供電能力。

由於隨機補償的投資大，確定補償容量需要進行計算，以及管理體製、重視不夠和應用不方便等原因，目前隨機補償的應用情況和效果都不理想。因此，對隨機補償需加強宣傳力度，增強節能意識，同時應針對不同用電設備的特點和需要，開發研製體積小、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

3無功補償的調壓作用分析

鑒於配變無功補償是供電企業和用戶普遍關注的工作。現在開始，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為某市台江變電站10KV母線953線路簡化接線。該線路自變電站端開始一段與956線為同杆雙回線，其中956線較短些，接有18台配電變壓器；而953線路較長，接有31台配電變壓器，變壓器總容量為9895KVA。

953線路31台變壓器容量為50～1000KVA大小不等，為計算和分析方便，對實際的31台變壓器就近進行了等值處理。例如，節點8處是一個較大的用戶，接有3台1000KVA的變壓器；而節點3處1695KVA是6台變壓器的總容量，其它節點情況與節點3相同。

圖1各段線路下數字為導線公裡長度，主乾線路導線型號為LGJ—120。根據圖1各節點變壓器的總容量，假設變壓器在經濟負載係數KF＝0.65（相當較大負荷情況）狀態下工作，取功率因數為COSφ＝0.85，可計算節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彆為10.5KV和11.4KV，運用負荷矩法可分彆計算不同情況下線路的各節點電壓。依此方法計算的幾種結果如表2所示。

表2不同情況線路節點電壓的計算結果

3.2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末端用戶（節點8和節點9）母線電壓在額定範圍內，變電站母線應達到的電壓，也是實際係統中經常需要的運行電壓。計算結果為功率因數為0.85和0.95兩種情況電壓，目的在於分析配變無功補償對電壓的影響。

按國標（GB12325－90）電能質量——供電電壓允許偏差中的規定：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COSφ＝0.85時，節點6到節點9電壓超標；功率因數COSφ＝0.95時，節點7到節點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COSφ值為各節點變壓器的功率因數。因此在配變低壓補償無功功率，提高變壓器功率因數，對該線路電壓有調節作用，但隻能部分地解決電壓問題；但從調壓和降損兩方麵考慮，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係統電壓問題的主要原因是導線截麵小、供電半徑大。例如，在線路4.5KM範圍內（5節點之前），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。但由於街區位置和條件限製，插入變電站改造需要的投資非常大，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】提出的晶閘管串聯調壓方法是一個很好的解決思路，希望這種變壓器能儘快得到推廣和應用。但該方案需要更換的變壓器數量多，工程改造投資會很大。

表3采用TVR調壓線路節點電壓的計算結果

在圖1節點6位置安裝一台晶閘管電壓調節器（TVR）【7】，是解決該線路電壓問題的更有效措施。TVR可使節電6電壓在方案1和方案2基礎上調高500V，有TVR調壓的各節點電壓計算結果如表3所示。TVR方案優點是一台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、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輸配電網的損耗。由於計算整個電網損耗涉及因素多，工作量大，下麵僅以圖1中節點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。

設補償前節點4變壓器滿載運行，視在功率S＝1000KVA，功率因數COSφ＝0.85，年用電時間為T＝3000小時，計算：1）若將COSφ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，計算補償後的年效益。

根據已知條件，可計算補償前

P1＝SCOSφ1＝1000×0.85＝850KW

Q1＝SSINφ1＝1000×0.52678＝526.78KVAR

1）求需要安裝的補償電容器容量X

因裝置本身有功損耗為3％，補償後的電網無功Q2＝526.78－X，要求COSφ為0.95，可求TGφ2＝0.3287，於是有

可求補償容量X＝245.73≈246KVAR

2）補償前需要支付的年費用

基本電費：一般按*大負荷收取，設每KVA收取的費用為180元／年，故有

FJ1＝180×1000＝18萬元

電量電費：設每KWH為0.4元，故有

FD1＝0.4×850×3000＝102萬元

補償前年費用：

FZ1＝FJ1＋FD1＝18＋102＝120萬元

3）補償後需要支付的年費用和年效益

補償後的視在功率和基本電費：

KVA

FJ2＝180×857＝15.426萬元

電量電費：FD2＝0.4×（850＋0.03×246）×3000＝102.88萬元

補償裝置折舊費：

FF＝150×246×10％＝0.369萬元

補償後年費用：FZ2＝FJ2＋FD2＋FF＝

15.426＋102.88＋0.369＝118.675萬元

安裝無功補償可獲得的年效益

△F＝FZ1－FZ2＝120－118.675＝1.325萬元

上麵僅僅是無功補償提高功率因數角度計算的效益；如果計及降低輸配電網損耗、功率因數調整電費，以及節約建設投資、改善電壓質量等方麵因素，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、數量多，且配電網電壓、負荷情況複雜；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，低壓補償裝置的維護量無疑要高很多；控製係統越複雜、功能越多，維護工作量越大。有些單位從“長遠”考慮，提出聯網、監控等很多要求，無疑會增大投資和運行維護量，事實是很多冇有聯網的可能。

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*佳選擇。

2）產品類型和功能選擇問題

對配電台變的補償控製，有多種類型和不同功能的產品可供選擇。城網台變多以無功補償為主，很多要求有綜合監測功能。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＋綜測。

對監控功能的要求高，必然成本高、投資大。建議根據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，不應出現一個變台安裝有多個箱子的情況。

3）控製量選取和控製方式問題

很多專變補償裝置根據電壓控製電容器補償無功量，這種方式有助於保證用戶的電壓質量，但對電力係統無功補償不可取。前麵圖1線路的電壓分析表明，電網的電壓水平是由係統情況決定的。若隻按電壓高或低控製，無功補償量可能與實際需求相差很大，容易出現無功過補償或欠補償。從電網降低網損角度，取無功功率為控製量是*佳控製方式。

4）補償效果和補償容量問題

前麵實例分析表明，配變低壓補償無功可提高配變功率因數，降低配變損耗，但隻節點6配變裝補償，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。

前麵計算方法確定補償容量，對實際工程難以實現。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，對動態補償在配變容量20％－－30％內。同時，對個彆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。為防止三相不平衡係統的無功倒送，應要求控製器檢測、計算三相無功投切控製。固定補償部分容量過大，容易出現無功倒送。一般動態補償能有效避免無功倒送。

係統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。並不是所有廠家的控製器都具有分相控製功能，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製失靈，諧波放大會使乾擾更加嚴重。工程中應掌握用戶負荷性質，必要時應對補償係統的諧波進行測試，存在諧波但不超標可選抗諧波無功補償裝置，而諧波超標則應治理諧波。

電容器耐壓標準為1.1UN，補償控製器過壓保護一般取1.2UN，超過必須跳閘，如圖1線路端節點配變的補償裝置可能發生跳閘。實際工程中，對電壓較高電網的裝置應予以關注。

總之，由於配電網負荷、場合的複雜性，雖然裝置容量小、電壓低，卻有很多值得認真分析和思考的問題。特彆是台變補償在戶外，使用環境差，工程上應給予足夠的重視。

6結語

電網無功補償是一項建設性的技術措施，對電網**、上等、經濟運行有重要作用。由於篇幅限製，本文重點對配電網的無功補償技術進行了分析、探討。分析計算結果和大量工程實踐表明，雖然配變無功補償容量小、電壓低，但工程中卻有很多技術問題值得認真分析和思考；而無功補償工程是供電企業和產品廠家雙方的事情，都應充分重視解決工程中的問題。

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