配電網四種無功補償方式的比較

摘要：電力系統中的電壓與無功功率的狀況密切相關，電力系統中的變化，特別是無功功率的變化，會使電力線路和變壓器的電壓損耗發生變化，并引起各節點電壓的變化，隨著電力系統裝機容量的日益遞增，而網絡建設尤其是配電網的建設明顯滯后，使 10KV及以下配電網的損耗問題日益突出。合理選擇無功補償方案和補償容量，能有效提高系統的電壓穩定性，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。

關鍵詞：配電網；無功補償；方式比較

中圖分類號：X773文獻標識碼：A文章編號：16723198（2007）11028502

1配電及低壓系統無功補償種類

無功補償的補償方式按照電壓等級可分為高壓補償和低壓補償，其中高壓補償又分為一次側補償和二次側補償，低壓補償分為隨機補償、隨器補償和跟蹤補償。按照投切方式可以分為靜態補償、動態補償和動靜相結合的補償方式。按照補償地點劃分可以分為四種，分別是：變電站高壓補償、線路分布補償、變壓器低壓母線補償和低壓用戶分散補償。每一種補償方式都有自己的優勢，必須結合農網的實際情況，進行綜合對比。按照“分層分區、就地補償”這一原則，選用合理的無功補償方案。

1.1變電站高壓補償

變電站補償是將電容器組連接在變電站的二次母線上，大多數采用靜態補償，也有投切方式的電容器組，但比較少。開關設備主要選用斷路器，對電容器組可實現較為完善的保護。高壓斷路器的種類有油斷路器、空氣斷路器、六氟化硫斷路器、真空斷路器和磁吹斷路器，目前國內大多采用六氟化硫斷路器，因為它的性能好，體積小，而且造價低。由于農村變電站容量較小，因此，電容器組的安裝容量大都在10000kVar以下，布置方式可專設電容器室或室外布置。變電站補償對農網的降損作用很小，但在下級補償不夠完善的情況下，它是保證總受電端功率因數達到考核標準的不可缺少的一種補償方式。

高壓補償是無功平衡的一個重要組成部分，很多企業，尤其是是大中型企業存在很多高壓負載，比如高壓電動機、變壓器、電爐等。高壓補償的特點是電壓高、補償容量大，是低壓的幾倍到幾十倍之多。據實際的現場調查，發現大部分高壓補償裝置已經越來越不適應當今的用電生產要求了，由于分組數少，而且大多為手動方式，所以補償時易發生嚴重的過補現象，不僅增加了線損，還導致電網電壓升高，人為因素多導致投切效果差。

1.2線路分布補償

線路分布補償，多數情況采用動態補償，這就需要裝設控制器了，所用到的開關類型是負荷開關，負荷開關只能切斷過負荷電流，不能斷開故障電流，所以通常情況下都要和熔斷器配合使用。靜態補償時就不需要控制器了，開關設備除用到上面所提到的負荷開關加容短器外，還可采用斷口開距大的刀閘，也就是隔離開關，但也需要配合使用熔斷器。

10kV線路分布補償屬于高壓補償的一種，在配電線路上安裝并聯電容器，實現無功就地補償，具有投資省、見效快、降損顯著的優點，而且安裝簡單，維護工作量小，事故率低，特別適應于線路較長、負荷供電點多的配電線路上。因此，配電線路上裝設并聯電容器補償在世界發達國家中得到廣泛的應用。

1.3變壓器低壓母線補償

變壓器低壓母線補償，也稱為低壓跟蹤補償，是指以無功補償投切裝置作為控制保護裝置，將低壓電容器組補償在大用戶0.4KV母線上的補償方式，多數屬于動態補償。這種情況下用到的開關有交流接觸器或晶閘管，再加上控制器配套工作，如果是靜態補償，用普通的刀閘就可以了。這種補償方式只能補償線路無功負荷的基荷部分，如果補償容量過大，在負荷低谷時無功將倒送，增加網損和使電壓升高，影響電容器和其他設備正常運行。因此，低壓母線補償不能代替下級補償，在下級補償完善的情況下，可取消線路補償。

1.4低壓用戶分散補償

低壓用戶分散補償也就是低壓隨機補償，是將低壓補償電容器組與電動機繞組直接并接，采用刀閘控制和一套保護裝置，與電動機一起投切，屬于靜態補償。

目前，在寧夏，低壓用戶的用電量大幅增長，企業、廠礦和小區等對無功功率需求都很大，直接對用戶末端進行無功補償，將最恰當地降低電網的損耗，有數據統計，這種補償方式的線損率可減少20％。對于容量較大、負荷平穩且經常使用的用電設備，無功負荷宜單獨就地補償，例如企業和廠礦中的電動機，而且這種補償的接線簡單，便于維護管理。但這種補償方式通常按配電變壓器低壓側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，設備利用率不高。

表1四種補償方式綜合比較

補償方式變電站集中補償線上分布補償低壓母線集中補償低壓用戶分散補償

補償對象變電站無功需求10kV線路無功負荷配電變壓器無功需求終端用戶無功需求

降低損耗有效范圍變電站主變壓器及輸電網10kV線路及輸電網配電變壓器及輸配電網整個電網

改善電壓效果較好較好較好最好

單位投資大小較大較小較大較大

設備利用率較高較高較高較低

維護方便程度方便方便方便方便

從表1中可以比較出各種補償方式的突出特點，結合寧夏農網的實際情況，對于配電網的無功補償應傾向于采用線上分布補償方式，可以大大降低線路損耗。我們看到，雖然低壓用戶分散補償降損、節能的效果最好，但是實際當中，不可能實現每一個用戶都安裝補償裝置，這樣也不經濟。另外，目前的補償絕大多數是為了滿足功率因數需要，很少考慮到輸電線路和配電網的損耗。

2無功補償的裝置

2.1各種裝置性能比較

電力網中的無功補償設備有很多，同步調相機、靜電電容器、靜止無功補償器以及靜止無功發生器都可以用來補償無功或作為無功電源。機械式投切的并聯電抗器和晶閘管可投切并聯電容器是目前我國常用的無功調節設備，這些靜止型調壓設備無功調節不連續，并且響應速度慢（秒級），很難適應系統運行狀態的快速變化。靜止無功補償器和靜止無功發生器是20世紀70年代以來出現的先進的補償裝置，響應速度快，運行范圍寬，完全可以達到動態無功補償的需要，但所需投資較大。表2中指出了幾種補償裝置的應用場所，對農電網的來說，由于其負荷比較分散，單處所需補償容量相對較小，故總的原則應該是以電容器為主。因其具有設備簡單，容量大小組合靈活，安裝和維護方便，本身損耗低，單位投資省等一系列優點，因而在電力網（特別是農電網）的無功補償中得到了廣泛的應用。

表2補償裝置的優缺點

補償裝置應用場所主要優點主要缺點

并聯電容器變電所及用戶安裝地點靈活，可分散也可集中安裝；容量可任意選擇；結構簡單，投資省，運行維護方便、經濟，容易實現系統優化控制；功耗小調節容量階梯形變化，不連續；補償容量隨電壓變化而變化；對諧波有放大作用；投切時有沖擊電流；補償母線附近發生短路電流是助長沖擊電流

并聯電抗器高、中壓變電所及線路中點吸收線路容性無功，結構簡單，投資省，運行維護方便、經濟容量固定，分組投切時，調節容量階梯性變化，不平滑

靜止補償器高、中壓變電所能升高或降低電壓，可連續調節，性能好，響應速度快，僅有5-10ms產生諧波，投資大

調相機大型變電所及大用戶可連續平滑的調節電壓，諧波少投資大，旋轉裝置維護復雜，響應速度較慢

2.2電容器補償的基本原理

為什么并聯電容器能夠提高功率因數呢？功率因數是用電設備的一個重要技術指標。電路的功率因數是由負載中包含的電阻與電抗的相對大小所決定的，或者說是由電路中有功功率與無功功率的相對大小所決定的。純電阻負載的功率因數為1，感性負載的功率因數介于O與1之間。生產中使用的電氣設備多屬于感性負載，如變壓器、異步電動機及帶整流器的日光燈和高壓柔燈等，它們的功率因數都比較低，有的低至0.35(如電焊變壓器)。提高用戶的功率因數，對于提高電網運行的經濟效益以及節約電能都具有重要意義。

我們可以從簡單的電路圖入手分析，見圖1，一般的負載都是感性負載，在下面的電路中，假設沒有并聯電容器以前回路的電流是i1，并聯電容器后支路的電流是i2，可以得到下面的公式計算：

I1=UR2+X2L

I2=UXc

圖1

圖2

未并聯電容之前，感性負載的有功功率為:

P=UILcosφL ；則 ILcosφL =P/U；

并聯電容器后，整個電路的有功功率不變，因為電阻未變，這時有功功率還可按下式計算：P=UIcosφ



并聯電容之后總電流I的無功分量為:Ix=Isinφ

并聯電容器的容量：

c=PU2ω(tanφL-tanφ)



并聯電容器的額定無功功率應為:Qc=U2ωC=P(tanφL -tanφ)

可以看出，并聯電容器后，對原感性負載的工作情況沒有任何影響，即流過感性負載的電流和它的功率因數均未改變，我們所說的功率因數提高了，是指包括電容在內的整個電路的功率因數比單獨的感性負載的功率因數提高了；另外線路電流的減小，是由于電流的無功分量減小的結果，而電流的有功分量并未改變。實際生產中，并不要求把功率因數提高到1，即補償后仍使整個電路呈感性，感性電路功率因數習慣上稱滯后功率因數。若將功率因數提高到1，需要并聯的電容較大，會增加設備投資。

3電容器的補償方式

3.1欠補償

當 Ι1Sinφ1＞Ι2時，總電壓超前總電流，如圖3中a圖，φ為正值，Q也是正值，電路呈感性，這種情況稱為欠補償，也就是說，電容支路的無功電流補償了R、L支路的無功電流的一部分，但沒有完全補償，電路仍然為感性電路。無功補償中欠補償的情況也很普遍，雖然電容器投入運行，但仍舊不能充分補償電網的無功。

3.2過補償

當Ι1Sinφ1＜Ι2時，總電壓滯后總電流，如圖3中b圖所示， φ為負值，Q也為負值，電路呈容性。這種情況稱為過補償。也就是說，電容支路的無功電流把R、L支路的感性無功電流全部補償后還有多余，使整個電路呈容性。在變電所的無功補償中要特別注意過補償，出現這種情況后就會向電網倒送無功，電網電壓升高，危害電網和設備安全運行，增加往損，電壓合格率降低。但是在線路的分布補償中過補現象經常出現。

3.3全補償

當Ι1Sinφ1=Ι2時，總電壓和總電流同相位，如圖3.1中c圖所示。φ=0，Q =0，整個電路呈阻性，兩個支路的無功電流相互抵消，總電流中只有有功分量，我們把這種情況稱為電路發生諧振。

圖3

4結束語

通過配電網四種無功補償方式和補償裝置的比較，得出最優的補償方案：線路分布補償，安裝并聯電容器。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。