淺析配電網無功補償的經濟性

1 概述

近幾年來，隨著電力設備的日益更新以及農網、城網改造的逐步落實，配電網的結構正在日趨合理，線路、配變的供電能力日漸增強，供電可靠性及安全系數都得到明顯提高。但是，隨著國民經濟的高速發展和人民生活水平的提高，人們對電力的需求日益增長，同時對供電的可靠性和供電質量提出了更高的要求。由于電網負荷的不斷增加，不但改變了電力系統的網絡結構和電源分布，而且造成系統的無功分布不盡合理，甚至可能出現局部地區無功嚴重不足、電壓水平普遍較低的情況。電力系統無功分布是否合理，不僅關系到電力系統向用戶提供電能質量的優劣，而且還直接影響電網自身運行的安全性和經濟性。這在與用戶直接相關的配電網中顯得尤為重要。若無功電源容量不足，系統運行電壓將難以保證。由于電網容量的增加，對電網無功要求也與日增加。此外，網絡的功率因數和電壓的降低將使電氣設備得不到充分利用，降低了網絡傳輸能力，并引起損耗增加。因此，解決好配電網絡無功補償的問題，對電網的安全性和降損節能有著重要的意義。

合理的無功補償點的選擇以及補償容量的確定，能夠有效地維持系統的電壓水平，提高系統的電壓穩定性，避免大量無功的遠距離傳輸，從而降低有功網損。而且由于我國配電網長期以來無功缺乏，造成的網損相當大，因此無功功率補償是降損措施中投資少回收高的有效方案。配電網無功補償方式常用的有：變電站集中補償方式、低壓集中補償方式、桿上無功補償方式和用戶終端分散補償方式。

《電力系統電壓和無功電力管理條例》第一章之第一條中明確規定：“……無功電力是影響電壓質量的一個重要因素。各級電力部門和各用電單位都要加強電壓和無功管理，切實改善電網和用戶端的受電電壓。”

交流異步電機廣泛用于工業與民用系統。但不少電機負荷率低，常處于輕載或空載狀態，無功功率消耗比有功功率大，電能浪費嚴重。因此采用無功補償，提高功率因數、節約電能、減少運行費用是很有效的措施。對異步電動機采用無功功率補償以提高功率因數，節約電能，減少運行費用，提高電能質量，符合我國節約能源的國策，同時亦給企業帶來經濟效益。書面理論和多年的實踐經驗均表明，無功補償對于電壓質量的改善和經濟效益的提高都有很大益處；然而，卻一直得不到很好的推廣，下面就無功補償的有關方面做簡單分析。

2 實施無功補償的意義

2.1 對電壓的影響

配電網末端總存在電壓過低等有關問題，究其原因，除電網自身的問題之外，主要是由于無功不足所(如圖1的方式1)，補償裝置包括并聯電容器、同步調相機、靜止補償器等，主要目的是改善輸電網的功率因數、提高終端變電所的電壓和補償主變的無功損耗。這些補償裝置一般連接在變電站的10kV母線上，因此具有管理容易、維護方便等優點。

為了實現變電站的電壓控制，通常采用無功補償裝置(一般是并聯電容器組)結合變壓器有載調壓共同調節。通過兩者的協調來進行電壓／無功控制在國內已經積累了豐富的經驗，九區圖便是一種變電站電壓／無功控制的有效方法。然而操作上還是較為麻煩的，因為由于限值需要隨不同運行方式進行相應的調整，甚至在某些區上會產生振蕩現象；而且由于實際操作中變壓器有載分接頭的調節和電容器組的投切次數是有限的，而在九區圖沒有相應的判斷。因此，現行九區圖的調節效果還有待進一步改善。

(2)低壓集中補償方式

在配電網中，目前國內較普遍采用的無功補償方式是在配電變壓器380V側進行集中補償(如圖1的方式2)，通常采用微機控制的低壓并聯電容器柜，容量在幾十至幾百千乏左右，根據用戶負荷水平的波動投入相應數量的電容器進行跟蹤補償。它主要目的是提高專用變用戶的功率因數，實現無功補償的就地平衡，對配電網和配電變的降損有積極作用，同時也有助于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用戶承擔。目前國內各廠家生產的自動補償裝置通常是根據功率因數來進行電容器的自動投切。就這種方案而言，雖然有助于保證用戶的電能質量，但對電力系統并不可取。雖然線路電壓的波動主要由無功量變化引起，但線路的電壓水平往往是由系統情況決定的。當線路電壓基準值偏高或偏低時，無功的投切量可能與實際需求相距甚遠，易出現無功過補償或欠補償。

對配電系統來說，除了專用變之外，還有許多公用變。而面向廣大家庭用戶及其他小型用戶的公用變，由于其通常安裝在戶外的桿架上，實現低壓無功集中補償則是不現實的，難于維護、控制和管理，且容易造成生產安全隱患。這樣，配電網的無功補償受到了很大地限制。

(3)桿上補償方式

由于配電網中大量存在的公用變壓器沒有進行低壓補償，使得補償度受到限制。由此造成很大的無功缺口需要由變電站或發電廠來填，大量的無功沿線傳輸使得配電網網損仍然居高難下。因此可以采用10kV戶外并聯電容器安裝在架空線路的桿塔上(或另行架桿)進行無功補償(如圖l的方式3)，以提高配電網功率因數，達到降損升壓的目的。但由于桿上安裝的并聯電容器遠離變電站，容易出現保護不易配置、控制成本高、維護工作量大、受安裝環境和空間等客觀條件限制等問題。因此，桿上無功優化補償必須結合以下實際工程要求來進行：

1) 補償點宜少。建議一條配電線路上宜采用單點補償，不宜采用多點補償；

2) 控制方式從簡。建議桿上補償不設分組投切；

3) 建議補償容量不宜過大。補償容量太大將會導致配電線路在輕載時出現過電壓和過補償現象。另外桿上空間有限，大多數電容器同桿架設，既不安全，也不利于電容器散熱；

4) 建議保護方式應簡化。主要采用熔斷器和氧化鋅避雷器作簡單保護。

顯然，桿上無功補償主要是針對10kV饋線上的公用變所需無功進行補償，因其具有投資小，回收快，補償效率較高，便于管理和維護等優點，適合于功率因數較低且負荷較重的長配電線路，但是因負荷經常波動而該補償方式是長期固定補償，故其適應能力較差，應積極開發應用電容器組能自動投切的桿上無功補償技術。

(4) 用戶終端分散補償方式

目前在我國城鄉各地，低壓用戶的用電量增長迅速，企業、廠礦和小區等對無功需求都很大，直接對用戶末端進行無功補償(如圖l的方式4)將是恰當地降低配電網的損耗和維持配電網的電壓水平的有效措施。對于企業和廠礦中的電動機，應該進行就地無功補償，即隨機補償；針對小區用戶終端，由于用戶負荷小，波動大，地點分散，無人管理，因此應積極開發應用一種新型的低壓終端無功補償裝置，并滿足以下要求：①智能型控制，免維護；②體積小，易安裝；③功能完善，造價較低。

與前面三種補償方式相比，本補償方式更能體現以下優點：①線損率可減少約20％；②減小電壓損失，改善電壓質量，進而改善用電設備啟動和運行條件；③釋放系統能量，提高線路供電能力。缺點是由于低壓無功補償通常按配電變壓器低壓側最大無功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負荷較輕時出現閑置，設備利用率不高。

綜合以上四種無功補償方式，技術性能比較如表l所示。

3.3 最優補償

實際補償過程中，電容器容量的選擇是一個十分重要的問題，如果我們選擇的容量過小，則起不到很好的補償作用；如果容量選擇過大，使供電回路電流的相位超前于電壓，就會產生過補償，將會引起變壓器二次電壓升高，導致電力線路及電容器自我的損耗增加。

電容器的補償容量要以具體情況而定，一般以下列公式計算：在變電所補償電容的選擇時應結合網內無功潮流的分布及配電線路用戶的無功補償水平來考慮，由于變電所一般均設兩臺變壓器、二次側接線又可分兩段接線，為了適應變壓器分臺運行和二次側分段運行及檢修方便，補償電容器組以分裝兩組為易，其容量一般均能適應輕載無功負荷(接近主變空載運行)及平均無功負荷(接近主變正常無功負荷)一般按主變容量的10％～20％確定。

無功補償是日常運行中最常用、最有效的節能降損技術措施，而無功分散補償更是實現無功就地平衡，對于降低供電線損，提高配網供電能力，改善電壓質量都有重大意義，所以，在配電網建設與改造中應大力應用無功補償技術。對無功功率進行補償的節能效果是有目共睹的，在應用的過程中，還應該在技術經濟上綜合考慮，根據具體情況進行分析，來決定是采用集中補償還是就地補償，還是兩者綜合采用，從而達到使電氣設備經濟運行的目的。

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。