礦山配電網無功補償及補償效益優化

【摘要】 本文分析了常見的無功損耗與常用的無功電源以及它們的無功補償特性，無功功率平衡與電壓穩定的基本關系；闡釋了電力系統配電網無功補償的基本概念和常用的四種補償方式，功率因數的高低關系到輸配電線路、設備的供電能力，也影響到其功率損耗。本文從理論上分析了提高功率因數對于節約電能，降低損耗，提高輸配電設備的供電能力和經濟效益。

【關鍵詞】 無功補償;礦山配電網;補償效益分析;節能分析

一、無功補償概述

功率因數是供用電系統的一項重要技術經濟指標，用電設備在消耗有功功率的同時，還需大量的無功功率由電源送往負荷，功率因數反映的是用電設備在消耗一定的有功功率的同時所需的無功功率。對于礦山電網中的電力負荷如電動機、變壓器等，大部分屬于感性負荷，在運行過程中需向這些設備提供相應的無功功率。在電網中安裝并聯電容器等無功補償設備以后，可以提供感性電抗所消耗的無功功率，減少了電網電源向感性負荷提供、由線路輸送的無功功率，由于減少了無功功率在電網中的流動，因此可以降低線路和變壓器因輸送無功功率造成的電能損耗，這就是無功補償。無功補償可以提高功率因數，是一項投資少、收效快的降損節能措施。

電網中常用的無功補償方式包括：①在變電所母線集中安裝并聯電容器組；②在高低壓配電線路中分散安裝并聯電容器組；③在配電變壓器低壓側和用戶車間配電屏安裝并聯補償電容器；④在單臺電動機處安裝并聯電容器等。加裝無功補償設備，不僅可使功率消耗減小，功率因數提高，還可以充分挖掘設備輸送功率的潛力。確定無功補償容量時，應注意以下兩點：①在輕負荷時要避免過補償，倒送無功造成功率損耗增加，也是不經濟的。②功率因數越高，每千乏補償容量減少損耗的作用將變小，通常情況下，將功率因數提高到0.95就是合理補償。

二、礦山供電線路損失分析

礦山網和城網線路功率因數大都在0.65～0.85之間，非電業管理的企業用戶，其內部10KV配網功率因數在0.85左右；由于大部分380V用電線路動力設備實際功率比額定容量小的特性決定了其功率因數偏低，線損偏高。10KV與380V電網功率因數偏低的主要原因是無功補償設備集中在變電站10KV側，只對10KV以上電網具有補償作用，沒有實現無功就地補償，380V配網無功投入不足，缺乏可靠實用的無功補償設備以及合理的補償方式。無功功率不足，是功率因數低的主要原因，造成了10KV及以下配網有功功率損失較大。根據10KV線路線損率10%，平均功率因數為0.8，降損潛力非常大。

三、礦山無功補償

1.礦山配電網無功補償

在提高用電自然功率因數的基礎上，按有關標準設計和安裝無功補償設備，并做到隨其負荷和電壓變動及時投入或切除， 防止無功倒送。100KV·A及以上高壓供電用戶的功率因數為0.90以上。其他電力用戶和大中型電力配電站、躉購轉售電企業，功率因數在0.85以上。一般用戶的功率因數為0.80。由于無功補償所產生的經濟效益不直接，因此供電部門在進行配網規劃時，只考慮增加電源點和變壓器容量，往往忽視無功補償設備的投入。而公用配變的特點是容量大，負荷較重，用電時間相對集中，變壓器空載和輕載運行時間較長，造成變壓器功率因數較低，損耗較大。綜上所述，針對礦山配網負荷增長快、功率因數低、壓降大、10KV/380V配網綜合線損高的現狀，對低壓配網進行無功補償已勢在必行。

（1）在技術經濟比較的基礎上，確定礦山配網最佳補償方案，將網的無功損耗控制在最小范圍內，將無功消滅在高壓入口端。

（2）最大限度提高10KV配網的功率因數，使其達到0.95以上，達到降損目的。

對10KV線路合理進行補償時，需要考慮以下兩個問題:

（1）補償容量的確定據一般規定，可以按照配電線路變壓器裝接容量的10%左右考慮。

（2）安裝位置的確定線路出口電壓較高，無需進行補償，線路末端電壓偏低，電容器運行困難，可以將自動補償裝置安裝在距線路電源側2/3處。目前新型的無功自動補償裝置，可以根據配網無功潮流分布情況實時補償，達到最佳效果。如果線路較長，可根據負荷情況選擇兩處補償點，一處安裝在線路2/5處，另一處在4/5處。礦山配網的無功補償經濟效益非常明顯，節能降損的潛力巨大。由于無功補償經濟效益分析涉及很多內容，計算比較復雜，本文旨在對節能降損的經濟效益進行非量化的理論分析， 為簡化計算程序，采用了經濟當量(每補償1KVar的無功功率，相當于減少有功損耗的量) 來粗略計算經濟效益，下面結合實際情況進行分析。

2.礦山配電變壓器的無功補償

由于配電變壓器的負荷特點，在進行低壓配網的規劃時，既要滿足最大負荷，又要考慮經濟效益，合理地補償輕載時變壓器的損耗。為提高變壓器經濟運行效率，最大限度減少變壓器無功損耗，根據具體情況，應對100KV·A以上變壓器采用低壓側集中補償方式，補償容量根據具體情況確定，一般按變壓器容量的20%～30%配置，隨負荷變化自動投切進行補償。對100KV·A以下變壓器采用固定就地補償，補償容量按變壓器容量的10%～15%確定。關于礦山50KV·A以下配變可在二次側加裝固定補償電容器，其容量計算公式為：

式中，高損變I0%取7，低損變I0%取3。其根據是礦山配變小而分散，最大利用小時僅5000h左右，其固定無功損耗主要是由空載電流引起的。空載時，無功電流占總電流的90%以上。統計數據表明，礦山配變無功損耗大部分是無功造成的，其值占配網無功電量的50%以上，因此，二次側固定補償可有效降低無功損耗，達到降損、升壓和增容的作用。

四、無功補償降低電能損耗優化分析

安裝無功補償主要是為了降損節能，如輸送的有功P為定值，加裝無功補償設備后功率因數

1.無功補償挖掘發供電設備潛力

(1)在設備容量不變的條件下，由于提高了功率因數可以少送無功功率，因此可以多送有功功率。可多送的有功功率ΔP計算如下：

(3)安裝無功補償設備，可使電源多發有功功率。系統采取無功補償后，使無功負荷降低，電源就可少發無功，多發有功，充分達到銘牌出力。

2.無功補償減少用戶電費支出

(1)可以避免因功率因數低于規定值而受罰。

(2)可以減少用戶內部因傳輸和分配無功功率造成的有功功率損耗，因而相應可以減少電費的支出。

目前，礦山電網無功補償工作對主網重視程度較高，低壓配網的補償被忽視，而且主網補償多從安全、可靠運行和電壓穩定出發，采用無功補償可以提高功率因數，是一項投資少，收效快的節能措施。并聯補償電容器原理簡單、使用方便、運行經濟、投資省、可以分組投切保證電壓合格率和合理的功率因數。我國各地區配網和礦山電網很多地方平均功率因數偏低，有降低線損的潛力。通過計算，采用補償電容器進行合理的補償一定能取得顯著的經濟效益。

參考文獻：

[1] 黃純華，劉維仲．《工廠供電》．中央廣播電視大學教學用書，天津大學出版社， 1995

[2] 陳小虎．《工廠供電技術》（第2版）．高職高專教育，高等教育出版社，2006

[3] 賀家李，宋從炬．電力系統繼電保護原理．北京：中國電力出版社，1999

[4]國家安全監察局，煤礦安全規程（S）．北京：煤炭工業出版社，2001

[5]尹項根，曾克娥．電力系統繼電保護原理與應用（M）．武漢：華中科技大學出版社，2001

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