無功功率補償技術(shù)特性的應(yīng)用

白振書

（河北寶碩股份有限公司氯堿分公司，河北保定071051）

無功功率補償技術(shù)特性的應(yīng)用

白振書

（河北寶碩股份有限公司氯堿分公司，河北保定071051）

通過分析地區(qū)城網(wǎng)低壓線損情況，介紹了城網(wǎng)無功補償?shù)谋匾浴⒀a償方式及補償后的經(jīng)濟效益。

無功補償；線損分析；經(jīng)濟效益

1 理論依據(jù)

接在電力系統(tǒng)中的許多用電設(shè)備是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的，多屬感性用電設(shè)備，除吸收電力系統(tǒng)的有功功率做功外，用電設(shè)備在能量轉(zhuǎn)換過程中還需要大量的無功功率。這些無功功率經(jīng)過多級電力線路和變壓器的輸送和轉(zhuǎn)換，又造成無功功率的損失，使電網(wǎng)功率因數(shù)下降，發(fā)、供電設(shè)備出力降低電網(wǎng)電壓波動，增大線路損失，同時功率因數(shù)低，也加大了用戶的電費開支。因此，解決好配電網(wǎng)絡(luò)無功補償?shù)膯栴}，對電網(wǎng)的安全和降損、節(jié)能有著重要的意義。

一般配電網(wǎng)無功補償方式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。

功率因數(shù)是由負(fù)荷的性質(zhì)和有功功率在視在功率中占的分量決定的。在感性負(fù)荷的電路中，功率因數(shù)值在0~1.0之間變化，即0＜cos?＜1。如果用戶負(fù)荷所需的無功功率(包括變壓器的無功功率損耗)都能就地補償、就地供應(yīng)，供電可變損失就可以大為降低，電壓質(zhì)量也能相應(yīng)得到改善，補償原理見圖1。

圖1中，Q1為補償前系統(tǒng)需要的無功功率；Q2為補償后系統(tǒng)中需要的無功功率；P1為補償前系統(tǒng)中最大可能輸送的有功功率；P2為補償后系統(tǒng)中最大可能輸送的有功功率。

設(shè)線路或設(shè)備可能輸送的視在功率為S，安裝電容器Q后，提高了功率因數(shù)，在視在功率S不變的條件下，使輸送有功功率的能力增加了△P。

可以推導(dǎo)出當(dāng)輸送的有功功率和電壓不變時，供電線路和變壓器的損耗降低百分?jǐn)?shù)△P（%）可用下式計算：

△P=[1-（cos?1/cos?2）2]×100%

由此，可以說明當(dāng)cos?由0.8增加到0.95時，有功功率損耗降低可達29%，裝1 kW電容器可節(jié)省供電設(shè)備容量0.52 kW。換言之，裝1 kW電容器可多供0.52 kW有功功率。對原有設(shè)備而言，相當(dāng)于增大了發(fā)、供電設(shè)備的容量，挖掘了原有電力設(shè)備的潛力，節(jié)約了用戶的電力投資。

2 無功補償?shù)倪\用

目前，城區(qū)利用箱式變安裝及維護簡便的特點，普遍采用的無功補償方式是低壓集中補償，在配電變壓器380V側(cè)進行集中補償，可采用微機控制的低壓并聯(lián)電容器柜，容量為幾十至幾百千瓦不等，根據(jù)用戶負(fù)荷水平的波動投入相應(yīng)數(shù)量的電容器進行跟蹤補償。主要目的是提高功率因數(shù)，實現(xiàn)無功的就地平衡，對配電網(wǎng)和配電變的降損有一定作用，也有助于保證用戶的電壓水平。

目前，部分地區(qū)現(xiàn)有的無功補償裝置多采用晶閘管投切電容器靜止無功補償裝置，晶閘管投切電容器靜止無功補償裝置的單相原理圖如圖2所示。

圖2中的2個反并聯(lián)晶閘管只是起到將電容器并入電網(wǎng)或從電網(wǎng)斷開的作用，而串聯(lián)的小電感只是用來抑制電容器投入電網(wǎng)時可能造成的沖擊電流。在工程實際中，一般將電容器分為幾組，每組都可由晶閘管投切。這樣可根據(jù)電網(wǎng)的需求投切，單獨使用時只能作為無功功率電源，發(fā)出感性無功，且不能平滑地調(diào)節(jié)輸出功率。由于晶閘管對控制信號的響應(yīng)極為迅速，通短次數(shù)又不受限制，其運行性能明顯優(yōu)于機械開關(guān)投切的電容器。

晶閘管投切電容器靜止無功補償裝置的關(guān)鍵問題是投切電容器時刻的選取。經(jīng)多年分析和實驗研究，其最佳投切時刻是電源電壓與電容器預(yù)充電電壓相等的時刻，此時投切電容器，電路沖擊電流為零。為保證更好投切電容器，必須對電容器預(yù)先充電，充電結(jié)束后再投入電容器。

靜止補償器最重要的特點是，能維持其端電壓實際上不發(fā)生變化。當(dāng)電壓變化時，靜止補償器能快速平滑地調(diào)節(jié)無功功率，以滿足動態(tài)無功補償?shù)男枰?/p>

城市供電密度較大，在用電高峰時，其末端電壓偏低，加裝無功補償裝置，網(wǎng)絡(luò)中的電抗減少，電壓損失相應(yīng)減少，線路末端電壓相應(yīng)得以提高。

以一條10 kV配電線路來進一步分析高、低壓無功補償?shù)牟煌ЧＴO(shè)一條10 km長的10 kV配電線路，導(dǎo)線為LGJ-120，在其末端有1臺1 000 kVA的配變，帶有1 000 kVA、cos?=0.7的負(fù)載。無功補償分A、B 2種方式配置，A為低壓側(cè)就地補償700 kW；B為10 kV線路中部補償700 kW。分析計算結(jié)果見表1。

表1 線路有功損耗比較表

從表1中數(shù)據(jù)看出，在用戶端低壓側(cè)就地?zé)o功補償效果較好，可減小有功功率損耗1.86個百分點。因此得出結(jié)論，在配電網(wǎng)中，無功補償應(yīng)以低壓側(cè)就地補償為主，以高壓線路中的補償為輔。

3 電容補償容量的選定

補償容量的選擇，要根據(jù)變壓器的負(fù)載率和容量以及線路的負(fù)荷決定。原則是，輕負(fù)荷時不能向系統(tǒng)倒送無功，節(jié)能效益達到最大。輕負(fù)荷時，不同配變所需補償容量不同，當(dāng)補償容量等于低壓側(cè)平均無功負(fù)荷時，節(jié)能效益最大。綜合考慮高峰所需容量和節(jié)能效益，可按配變?nèi)萘坑嬎恪?/p>

根據(jù)功率因數(shù)定義，可分別算出補償前和補償后最大負(fù)荷時的功率因數(shù)。

式中：Pj—全企業(yè)的有功計算負(fù)荷，kW；

Qj—全企業(yè)的無功計算負(fù)荷，kW；

Qc—全企業(yè)的無功補償容量，kW；

Sj、S′j—全企業(yè)補償前、后的視在計算功率，kVA。

（3）求補償容量

還可以通過簡單的計算得到其補償容量。

（1）變電所集中裝設(shè)的補償容量可以按照主變?nèi)萘康?0%～40%來配置，隨負(fù)荷變化自動投切進行補償。

（2）配電線路上的分散補償容量可以按照“三分之二”法則來選擇。即在均勻分布負(fù)荷的配電線路上，安裝電容器的最佳容量是該線路平均負(fù)荷的2/3；

（3）電動機就地補償以不超過電動機空載時的無功消耗為度，配變低壓側(cè)電容器補償要防止輕負(fù)荷時向10 kV配電網(wǎng)倒送無功。

4 無功補償經(jīng)濟計算

4.1 無功補償降低線損的經(jīng)濟效益分析

電力網(wǎng)電能損耗（簡稱線損），是電網(wǎng)經(jīng)營企業(yè)在電能傳輸和營銷過程中自發(fā)電廠出線起至客戶電度表止所產(chǎn)生的電能消耗和損失。線損率是衡量線損高低的指標(biāo)，它綜合反映了電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計、生產(chǎn)運行和經(jīng)營管理的水平，是電網(wǎng)經(jīng)營企業(yè)的一項經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)。

線損率=[（供電量-售電量）/供電量]×100%。

無功補償由于提高電壓，減少了線路上的無功流動，降損效果明顯。線損率為線損電量占供電量的百分?jǐn)?shù)，它是供電局的一個重要考核指標(biāo)。無功補償對改善線損率效果明顯。

4.2 計算方法

式中：ΔE—降損電量，kW·h；

ΔPmax—最大負(fù)荷降損功率，kW；

ΔPar—線損計算時段內(nèi)的平均功率損失，kW；

F—損失因子；

T—電容器投運時間，h。

（2）式中的電流平方的平均值I2rms，一般以典型日負(fù)荷曲線計算。

5 無功功率補償?shù)慕?jīng)濟效益

5.1 改善功率因數(shù)可減少電費

根據(jù)國家水電部、物價局頒布的“功率因數(shù)調(diào)整電費辦法”以下3種功率因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值，相應(yīng)減少電費。

（1）功率因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)為0.90，適用于160 kVA以上的高壓供電工業(yè)用戶（包括社隊工業(yè)用戶），裝有帶負(fù)荷調(diào)整電壓裝置的高壓供電電力用戶、320 kVA及以上的高壓供電電力排灌站。

（2）功率因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)為0.85，適用于100 kVA（kW）及以上的其他工業(yè)用戶（包括社隊工業(yè)用戶）、100kVA（kW）及以上的非工業(yè)用戶和100 kVA（kW）及以上的電力排灌站；

（3）功率因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)為0.80，適用于100kVA（kW）及以上農(nóng)業(yè)用戶和躉售用戶，但大工業(yè)用戶未劃由電業(yè)直接管理的躉售用戶，功率因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)為0.85。

根據(jù)計算的功率因數(shù)，高于或低于規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)值時，在按照規(guī)定的電價計算出當(dāng)月電費后，再按照“功率因數(shù)調(diào)整電費表”所規(guī)定的百分?jǐn)?shù)增減電費。如用戶的功率因數(shù)在“功率因數(shù)調(diào)整電費表”所列兩數(shù)之間，則以四舍五入計算。

電度電費是指動力電費，不包括照明電費，照明是不收動力電費的。對于低壓計量的用戶，電度電費中還包括線損電費和變壓器的有功損失電費。高壓計量的用戶當(dāng)變壓器的容量超過315 kVA時，收基本電費，基本電費是按變壓器的容量來收取的。

例：某客戶3月份有功電量150萬kW·h，無功電量65萬kW·h，電費為422 290元，該客戶執(zhí)行0.90標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)功率因數(shù)調(diào)整電費辦法，則該客戶相應(yīng)減少電費如下。

cos?=cos[arctg(65/150)]=0.92，由于客戶實際功率因數(shù)大于考核標(biāo)準(zhǔn)值，電費減少0.3%。功率因數(shù)調(diào)整電費=422 290×（-0.3%）=-1 266.87（元）

根據(jù)“辦法”，補償后的功率因數(shù)以分別不超出0.95、0.94和0.92為宜，因為超過此值，電費并沒有減少，相反地，初次設(shè)備增加是不經(jīng)濟的。

5.2 改善電壓質(zhì)量

線路中電壓損失ΔU的計算公式：

式中：P—有功功率，kW；

Q—無功功率，kvar；

U—額定電壓，kV；

R—線路總電阻，Ω；

XL—線路感抗，Ω。

由上式可見，當(dāng)線路中無功功率Q減小以后，電壓損失ΔU減小，有利于系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定，提高用電質(zhì)量，改善設(shè)備運行條件，可保證設(shè)備在正常條件下工作，有利于安全生產(chǎn)。另一方面，在供電質(zhì)量范圍內(nèi)合理提高電壓，在保證供電質(zhì)量的同時會增加售電量，對供電部門增供拓銷具有極大意義。

5.3 提高輸、變電設(shè)備的供電能力

當(dāng)輸配電線路的導(dǎo)線截面一定時，它輸送的經(jīng)濟電流就為一定值。合理加裝無功補償設(shè)備，提高功率因數(shù)后，可使線路輸送的無功電流大量減少，從而“釋放"出富余容量，增加供電能力。

如圖1所示，由于有功功率P＝S·cos?，當(dāng)供電設(shè)備的視在功率S一定時，如果功率因數(shù)cos?提高，即功率因數(shù)角由?1到?2，則設(shè)備可以提供的有功功率P也隨之增大至P+ΔP，可見設(shè)備的有功出力提高了。

在有功功率一定的情況下，提高功率因數(shù)，會使系統(tǒng)總電流大大降低，使配電設(shè)備的容量得到釋放。在工作實踐中，經(jīng)常遇到用戶變壓器的容量不足，通過無功補償可以使變壓器的容量得到充分釋放，從而有效解決了變壓器容量不足的問題，使用戶得到實惠。

例如：1臺S9-1 000 kVA的變壓器，功率因數(shù)由0.80提高到0.95時，可增加有功出力△P=150 kW，可挖掘出的視在功率△S=187.5 kVA。對用戶來說，當(dāng)現(xiàn)有變壓器的供電能力提高后，可節(jié)約增容費、材料費、施工費等投資。

6 結(jié)論

選擇合理的無功補償點以及補償容量的確定，能夠有效地維持系統(tǒng)的電壓水平，提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，避免大量無功遠(yuǎn)距離傳輸，從而降低有功網(wǎng)損，減少發(fā)電費用。對電力用戶來說，提高功率因數(shù)、減少無功電能消耗，對節(jié)能降耗具有十分重要的意義，可獲得較大的綜合經(jīng)濟效益。而且由于中國配電網(wǎng)長期以來無功缺乏，造成的網(wǎng)損相當(dāng)大，無功功率補償是降損措施中投資少、回報高的方案。

配電網(wǎng)進行無功補償、提高功率因數(shù)和搞好無功平衡，是一項建設(shè)性的降損技術(shù)措施。應(yīng)更多考慮系統(tǒng)的特點，將4種配電網(wǎng)無功補償方式結(jié)合起來進行無功補償。

Application of technicalcharacteristic of reactive power compensation

BAIZhen-shu
(Bosoar Chlor-alkaliBranch,Baoding 071051,China)

The loss statusof low-voltage line of urban power network was analysed.The necessity of reactive power compensation,compensatedmethod and economic profitswere introduced.

reactive power compensation;line lossanalysis;economic profits

book=4,ebook=123

TM714.3

B

1009－1785(2010)07－0030-04

2010-03-16