10kV配電系統諧波治理和無功補償優化設計

梁子健

【摘要】電力系統的快速發展需要優質的電能質量做保證，電子技術發展的同時，也帶來了諧波污染等低功率配電線路問題。因此電力系統要保證電能質量，必須對電力系統中的重要手段----無功補償和諧波治理進行系統性地研究，制定出有效措施和優化設計，并通過實踐付諸實施，研究出更好的策略，以推進電力系統配電網的升級改造。

【關鍵詞】配電系統 諧波治理 無功補償優化設計

電力系統具備穩定的儲備和有功、無功容量，才能維持系統良性運行，在額定電壓和頻率之間向用戶提供電能。隨著電力系統不斷擴大規模，用電設備的增加給配電側電能質量帶來很多問題，如10KV配電線路由于使用年限過長而導致的線損情況、配套變電站由于從建設到運行后，數量逐漸變少的問題，部分線路的輸送距離超出配電線路的最大負荷容量的問題，線路的末端電壓增加的問題等。對于10KV配電網電能質量，改善配電網的諧波問題、進行無功補償設計優化已經成為迫在眉睫的課題。

一、無功補償的工作原理

阻感性負載是電力系統的重要組成，多見于廠房中的變壓器、電抗器、民用設施中的電冰箱、空調等，這些電器設備的等效電路如圖所示：

圖（a）中，電流iRL 表示流經R-L串聯電路的電流；，電流ic表示流經并聯電容補償器的電流。i表示電路的總電流，端口電壓為u，從補償的結果看，電壓并聯電容補償功率分為欠補償和過補償兩類。

過補償帶來的負面效應包括電容器損耗增加、線損，調節好電容器的電容補償量就能避免補償現象的發生。

二、無功補償的方法

就地補償比較適合低壓配電網及設備，通過改善供電功率因數和電壓質量來提高用電設備的工作質量。例如將電容器組裝在電動機等設備附近，進行補償裝置的方式在配電網中目前是被一致認可并且廣泛使用的。

第一，將電容器分開安裝在配電木線上，由于其功率因數比較低，可以減少線損，提高終端變電所的供電質量，對低壓母線等的補償是比較有效的。

第二，將電容器組裝在六至十KV母線上，以獲得較高的功率因數。這種集中補償能夠保持較為平衡的無功功率。該方法可以補償較大寬度的調節尺度和補償容量，并且同樣可以減少線損和提高功率因數。

第三，在對10KV 配電網進行無功補償時，首先應該根據電網的實際情況來進行無功補償方式的選擇，要綜合考慮無功補償的特性、技術等。無功補償裝置對重要配電網的無功補償方式可采用干式自愈型并聯電容器，這種無功優化配置的原則，是最大程度地減小無功功率傳輸，特別是避免遠距離傳輸[1]。

三、諧波的危害

諧波電流對電路的損耗是隨著些波頻率的高低而變化的，當波頻率較高時，就會引發線損的程度加大，給電網和用電設備帶來損傷甚至是事故。諧波的分布電容放大，會導致諧波電流加大，還會引發電纜的老化，增加電網的負荷；諧波還會導致電網的電壓基波超過正常限值導致電暈損耗。

四、諧波治理對策

受端治理是諧波治理對策之一，常用的治理方法包括：?將諧波源從電網規劃設計開始設計為較大容量的供電點或者電網供電。?利用濾波器改變電容器的串聯電抗器，或者限定電容器某些支路，放大組織諧波等。?對諧波感應靈敏的設備加強保護，通過增強設備的抗諧波干擾能力改善設備性能，保證諧波環境下設備依然能正常工作。

主動治理是從諧波自身治理入手，在源頭上將諧波降低或者阻止其產生。主要治理方法包括：?改變變流裝置，增加變流裝置的相數或者脈沖數、多脈整流或準多脈整流技術，例如如換流變壓器等。?對諧波裝置過于集中的地方進行分散或者交替處理，改變諧波源的配置。?將多個變流器進行聯合處理，利用多個方波的疊加來消除頻率較低的諧波。④利用三次倍數的諧波或者謝波源，將電流增加的矩形波形上，利用諧波的疊加注入降低給定的部分諧波。⑤采用脈寬調制技術來調整較高頻率的諧波，使波形接近正弦波。⑥采用高功率因數變流器等，減少諧波的產生，降低變流器功率因數。

被動治理的方法是使用外加濾波器阻礙電力系統的諧波流入負載端，以達到阻礙諧波的產生的目的，主要的治理方法包括：?采用諧波附近的濾波器來吸收諧波電流，同時運用無功功率補償的方式來進行補充處理。?采用并聯或者串聯型APF的有源濾波器來達到補償和隔離諧波的目的。?采用混合型有緣濾波器可以形成低阻抗支路來阻抗分流回路，減小諧波電流流向電網。

五、實例分析

以某電力公司10KV線路為例，該配電網線路長度14公里，主要工業負荷為洗煤廠、石料廠等。該配電線路中導線型號為LGJ-70，沒有安裝無功補償裝置。該電力公司10KV配電網存在的問題包括：?線路長、負荷重；?線路末端電壓低、晝夜變化大；?線損嚴重，諧波嚴重，公路因數偏低；④電容損傷嚴重。在對該10KV側電壓諧波等進行測量后，得出的結論是：側電壓諧波畸變率超過國際標準限值，電壓偏差過大，諧波較大。

諧波治理和無功補償優化設計方案：針對上述問題，有三種備選方案可供選擇。一是采用電壓器調節電壓的方法；二是安裝串聯電容器調整電壓；三是采用濾波器來調增無功電壓。對該10KV 配電線路進行實地考察和綜合分析后，結合線路上諧波源眾多、容量大、諧波疊加情況較重等情況，決定采用濾波補償裝置的方式比較適合。通過濾波裝置可以改善線路的電壓波動，尤其是針對其晝夜電壓變化大的情況，能夠有效地取出電網諧波。同時改善電壓質量，降低線損，補償無功，提高線路功率因數。

濾波器裝置的保護方式包括速斷、過流、過電壓保護等[2]。該10KV線路1號安裝點設置在距離電源點的14公里處，2號安裝點設置在距離電源點8公里處，1號安裝點設備投入運行后，補償的無功電流為114A，提高的電壓為0.54KV，2號安裝點設備投入運行后，補償的無功電流為67A，提高的電壓為0.2KV.兩套設備使得末端電壓的總體高數為0.74KV，有效地改善了末端電壓較低的問題。

1號安裝點在進行無功補償后功率因數為0.95，每度電大約0.5元，按照線路公里14公里計算，每年節能損耗74萬元。2號安裝點功率因數在補償后為0.96，按照線路8公里計算，每度電0.5元，每年節約電能24萬元。兩套無功補償裝置在節能方面可以節省98萬元，大大提高了經濟效益。

結語：

10KV 配電網的無功補償和諧波治理設計及方法有很多，需要根據具體的配電網的情況，在無功補償原理、方法，諧波問題造成的問題以及處理對策進行詳細的測量、研究和討論方可定論。本文所舉10KV配電網線路的無功補償和諧波處理的優化設計方案的實施和效果，在實際運行后證明了該方案下的無功補償和諧波治理方案，對于提高該配電網的電能質量、電力系統經濟效益方面，都具有很高的應用價值。

【參考文獻】

[1]張超.變電站諧波治理及無功補償的應用[J].城市建設理論研究，2014，（14）.

[2]林新.變電站諧波治理及無功補償的應用[J].云南電力技術，2013，41（3）：9-11.