線路無功補償裝置在農村配電網中的應用

李泳泉

（縉云縣供電局，浙江 縉云 321400）

隨著農村經濟保持快速穩定增長，人民生活水平逐年提高，預計今后對電能的需求不僅在數量上要有大幅度的增長，而且對供電質量也會有更高的要求。

縉云縣電網中大量的柱上配電變壓器沒有進行無功補償，柱上變壓器的負荷通常是家用電器和小型（異步）電動機，而家電和小型電動機的功率因數普遍偏低，功率因數約為0.55～0.70。加之配電網一般線路較長，線徑較細，在重負荷時段線路產生的無功損耗較大，對應的線路壓降也較大，因此需要采取合理的補償方式提高線路功率因數，節能降耗。

1 無功補償方式的選擇

1.1 配電變壓器低壓補償

配電變壓器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kvar不等。目的是提高配變用戶功率因數，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后功率因數有所提高，但由于配電變壓器的數量多，低壓補償裝置安裝地點分散、數量大，運行維護是需要重點考慮的問題。

1.2 變電站集中補償

變電站集中補償裝置包括并聯電容器、同步調相機、靜止補償器等，主要目的是平衡輸電網的無功功率，補償主變的無功損耗，以及補償離變電站較近負荷的無功。變電站集中補償有利于提高系統終端變電站的母線電壓，減少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10 kV母線上，因此具有管理容易、維護方便等優點，但這種補償方案中對變電站以下的10 kV配電網，特別是離變電站較遠的線路，降損作用較小。

1.3 線路無功補償

在10 kV線路上采用自動無功補償裝置是比較有效的減少無功電流在配電網線路上流動、降低線損、提高功率因數的方法。線路無功補償裝置安裝在變電站補償與配變低壓補償之間，主要補償線路產生的無功與配變的空載及負載損耗，一般在線路配變較集中的分支安裝，較低壓無功補償相對 “集中”，比變電站集中補償相對 “分散”，在維護量以及“就近補償”之間取得一個較佳的平衡，在保證補償效果的同時又不增加很多維護量，對長線路以及季節性負荷特征明顯的農網線路尤其適用。

2 線路無功補償裝置的應用

2.1 線路無功補償裝置

DWK型戶外高壓無功自動補償裝置的電氣主接線如圖1所示，裝置采用微機控制并聯電容器的投切，控制合理、準確和迅速；電容分組合理，能用較少的分組達到較多的容量組合，補償級差小；降低由于線路長距離輸送無功而造成的線損，并能使電壓質量得到一定的改善，達到配電網節能降耗的要求。大部分廠家將高、低壓元器件集成于戶外箱體內，結構緊湊，安裝維護方便，裝置內部元器件不收戶外惡劣環境的影響，比較適合農村配電網使用。

圖1 DWK型戶外高壓無功自動補償裝置的電氣主接線圖

2.2 控制策略

基本的控制策略為：控制器通過電壓互感器（TV）、電流互感器（TA）采集線路電壓與電流，計算線路所缺的無功補償容量，根據電壓無功控制（VQC）策略投切相應的電容器組，圖2所示為5區圖的電壓無功綜合控制策略（考慮了電容投切對電壓影響的第2區與第5區，從0區-6區共7個區），是一般變電站VQC 9區圖的簡化版。

圖2 電壓無功綜合控制5區圖

圖2中的電壓無功控制策略是以電壓為優先的原則，如4區中當系統電壓較低時，無論線路是否缺少無功，控制策略都要求投入新的電容器組以提升線路電壓。由電力線路的等效簡化模型可知，線路壓降與系統無功的絕對值存在如式（1）的關系：當線路壓降較大導致線路末端電壓低時，通過無功的過補，即Q為負值可減小線路壓降。當投入足夠的無功使壓降ΔU為負時即可使線路末端電壓高于變電站電壓。

但從節能降耗的角度講，線路補償裝置為抬高線路電壓返送過多的無功 （超過后端負荷所需要的無功值）反而會增加線路的損耗，這與無功補償減小線路無功流動進而節能降耗的最初目的相違背。變電站VQC只有配合主變有載調壓才能更好的發揮電壓無功綜合控制的功能，同樣，如果線路負荷過大或線路過長導致電壓較低應采取線路調壓器的方法保證電壓質量。

因此，在無功策略上，線路無功補償裝置應以功率因數的控制策略為主，結合考慮無功量的影響。例如，當線路負荷較輕時，由于線路的有功負荷較小，如P=30 kW，若無功Q=30 kvar，則線路功率因數約為0.7，此時如果按功率因數策略投切 （假定低于0.9投入），假設電容器容量為100 kvar，則投入后無功Q=-70 kvar（假定電容投入前后系統負荷不變），線路功率因數更低，無功電流的流動更大，損耗會更大。在負荷較小時按功率因數投切應綜合考慮無功量的絕對值，才不至于投切震蕩。

此外，功率因數投切策略應考慮一定的過補允許量，即允許功率因數適當為負，例如運行功率因數的運行區間為0.95～-0.98，相對0.95～0.98的區間能容許更大的負荷波動。例如當負荷P＝240 kW，QL＝180 kW，功率因數為0.8，當投入QC＝-100 kvar電容器時，線路Q＝QL+QC＝80 kvar，此時功率因數為0.95，當負荷逐漸下降，至P＝100 kW，Q＝80 kvar，此時電容器假定還在投入狀態，即QC＝-100 kvar，則線路 Q＝QL+QC＝-20 kvar，此時功率因數為-0.98，若功率因數運行范圍為0.95～-0.98，則電容器可以繼續保持投入狀態而不切除。因此，允許適當過補有利于補償裝置的穩定運行，延長電容器的投入時間，提高投切開關的使用壽命，最大程度地降低線損。

2.3 通用分組無線業務（GPRS）遠程在線監控功能

在電網智能化發展的大趨勢下，對電力設備自動化，信息化程度要求越來越高，線路無功補償裝置安裝在一般配網線路上，難以有傳統通信信道（如光纖等），因此遠程監控需借助于移動運營商的網絡，通過GPRS或碼分多址（CDMA）數據服務，線路補償裝置可實時在線將運行數據傳輸至移動網絡，再通過移動網與互聯網的接口，在互聯網上設置一臺數據服務器，即可完成補償裝置與數據服務器之間的雙向數據傳輸。

建立以上連接后，可實現實時查看設備的運行狀態，遠程查看參數并修改，遠程取得設備運行的歷史數據，還可實現遠程控制功能，為設備的運行與維護提供了極大的方便與靈活性。對于目前一般的5元/月30M數據流量，完全可以滿足每10 min一次的數據上傳的要求。數據服務器的程序監控界面如圖3所示。

表1所示的是通過GPRS網絡取得的縉云地區某臺DWK線路無功補償裝置的運行數據。

通過對數據的分析可以看出，安裝DWK線路無功補償裝置后，除了夜間負荷輕時由于電容器無法投入時功率因數較低外，線路的功率因數一直保持在較高水平，起到了很好的節能降耗的作用。同時，由于采取了適當過補的控制策略，有利于穩定補償裝置的運行，防止投切震蕩，減少真空接觸器的投切次數。

圖3 GPRS遠程在線監控程序界面

表1 DWK線路無功補償裝置運行數據

2.4 諧波抑制

隨著越來越多的電力電子非線性負荷（通常是一些高效節能負荷，如變頻電機，開關電源等）在農網中的應用，尤其當線路中有冶煉廠、軋鋼廠時，線路中的諧波含量較大，諧波對電容補償裝置有著很大的影響。當線路中存在諧波源，同時存在電容補償裝置時，系統的等效電路如圖4所示。

圖4 諧波的系統等效阻抗圖

圖4中Ih為等效諧波源電流源，h為特征次諧波次數，一般為5，7次等，Xc為線路無功補償裝置等效基波容抗，Xs為等效的基波系統阻抗，對諧波源而言，線路無功補償與系統阻抗是并聯電路，因此流過電容器的電流為：

由式（2）可以看出，當在某一次諧波h下導致h2×Xs-Xc＝0，即線路電容與系統阻抗發生并聯諧振時，流過電容器的諧波電流Ich理論上為無窮大，即發生所謂的諧波下的并聯諧振。此時電容器會因諧波電流嚴重過負荷，導致電容器損壞。即使不發生并聯諧振，由式（2）也可看出Ich必然大于諧波源的電流Ih，即產生所謂的諧波放大現象。

由以上分析可知，在有諧波源的線路中，線路補償裝置與系統阻抗之間會發生諧波放大現象，諧波電流會流過電容器且比諧波源的諧波電流還要大，在某個特征次諧波頻率下甚至可能發生系統并聯諧振，造成流過電容器的諧波電流遠遠超過電容器所能承受的范圍，導致電容器損壞。

為避免諧波對線路無功補償裝置的影響，可以在電容器補償支路串聯電抗器，使電容補償支路在特征次諧波頻率下呈高阻抗，抑制諧波電流進入電容器支路，應根據系統實際情況確定串聯電抗器的電抗率。

3 結語

本文結合工程實際，介紹了DWK型戶外高壓無功自動補償裝置的工作原理和基本構成。深入探討以功率因數為主，參考無功量，適當允許過補的控制策略。裝置目前已在縉云地區農村配電網運行，取得了較好的效果，值得在配電網上推廣應用。

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