10kV電力用戶無功全補償方案的研究

劉川川, 黃鳴俊, 史煥弘, 周和平

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1 研究背景

依據供用電營業規則[1]，10kV電力用戶無功補償普遍采用欠補償運行方式，投入運行的補償電容器組無功容量QC小于用電負荷所需要的無功容量QL，即QC

2 無功的構成

沿10kV線路流動的無功主要包括用電負荷剩余部分無功QSY、變壓器空載勵磁無功QKZ和漏磁無功QLC。這三部分無功需要從電源向電力用戶側輸送[2-3]，即：

QDY=∑(QSY+QKZ+QLC)

(1)

式中：QDY為電源向電力用戶側輸送無功。

線路流動的無功越大，所造成的線路有功損耗及電壓降就越大，同時，變電站側變壓器輸出效率將隨之降低。因此，在變電站10kV母線上安裝無功補償電容器組，并向電力用戶側輸送無功，可以減輕變電站變壓器輸出無功的負擔，提高效率，但不能達到降低 10kV 線路有功損耗的目的。10kV線路有功和無功負荷分布如圖1所示，無功負荷曲線如圖2所示[4-5]。

圖1 10kV線路有功、無功負荷分布

圖2 10kV線路無功負荷曲線

圖中，P1-n為第1個到第n個電力用戶所需要的有功功率之和，即變電站主變10kV側輸出的有功功率；-jQ1-n為補償電容器組發出的無功功率。無功功率在線路中的流動勢必會造成有功損耗及電壓降增大，針對這一問題，可以通過無功全補償方式來解決。

3 補償方案實例

應用無功全補償方案，結合具體實例展開分析。一家10kV電力用戶，變壓器參數見表1。

表1 10kV電力用戶變壓器參數

此10kV電力用戶在改造前，無功補償采用的是欠補償運行方式，電容器組安裝在0.4kV側，變壓器所帶有功負荷P為215kW，補償前功率因數cosφ1為0.8，補償后功率因數cosφ2為0.95，則補償容量Qqb為[6]：

Qqb=P×[tan(arccosφ1)-tan(arccosφ2)]
=215×(0.749-0.328)=90.5kW

將補償容量分為4組，每組平均容量為 22.6kW。改造后，無功補償采用全補償方案，除用電負荷功率因數補償至cosφ=1外，變壓器所需要的勵磁無功和漏磁無功均由0.4kV側電容器組進行補償，接線方式如圖3所示[2,7]。

圖3 無功全補償方案接線方式

圖中，-jQT為電容器組向變壓器輸送的勵磁和漏磁無功，-jQF為電容器組向負荷輸送的無功，D為無功補償平衡點。為實時考核無功補償時的運行狀況，無功控制器安裝在10kV電源側。原功率因數控制器改為無功控制器，原因是控制功率因數進行無功補償存在一定缺陷。根據功率三角形原理，當無功一定時，有功過大，功率因數就會被提升，無功將被掩蓋起來，而直接通過控制無功進行投切補償電容器組，可提高補償的準確度，即不能吸收系統無功，也不能向系統輸送無功。無功補償電容器組向負荷輸送無功，要求功率因數由cosφ=0.8補償至cosφ=1，需補償容量Qb1= 161kW，則補償電容器組向變壓器輸送的空載勵磁無功QKZ和漏磁無功QLC分別為：

QKZ=Io%/100×Se=0.008×315

=2.52kW

QLC=K2uk%/100×Se

=0.85×0.04/100×315

=9.1kW

式中：Io%為變壓器空載電流百分數；Se為變壓器容量，kVA；K為負荷視在功率占變壓器容量的比例因數，K=P/cosφ×1/Se=215/0.8×1/315=0.85；uk%為短路阻抗百分數。

補償電容器組容量合計為：

QΣ=Qb1+QKZ+QLC=173kW

從理論上而言，電容器分組越多，補償無功的效果就越好，但在實際操作中會受到一定制約。為提高無功補償的準確度，同時盡量減少分組，將電容器總容量的1/2分為一組，即86.5kW，作為補償基礎容量。考慮夜間、公休日及節假日，變壓器上承受的基本上是照明負荷，這時所消耗的無功基本上是空載勵磁無功，因此再分出一組補償變壓器勵磁無功，容量為2.52kW。剩余容量QSY= 173-86.5-2.52 = 83.98kW，再將剩余容量分為三組，每組平均容量為27.9kW，這樣共計分為五組。當然，也可以根據無功負荷曲線，選出有代表性的四五個點所對應的無功容量進行電容器分組。

4 補償原理

由上述分析可知，無功控制器由原來采集 0.4kV 側相電壓、相電流及相互之間的功率因數角，改為采集變壓器10kV側相關的電壓與電流參數，從而達到補償無功的目的。一般，10kV配電系統采用中性點不接地運行方式，依據基爾霍夫節點電流定律，流入節點的電流等于流出節點的電流，即IA+IB+IC=0，三相電流對稱相等，這樣采集一相電流就可以了。但是，采集10kV系統相電壓需要電壓互感器一次側繞組為Y/Y接線，并且中性點接地，這樣在系統發生單相接地故障時，電壓互感器電感線圈與導線對地電容較易產生并聯諧振，不利于系統安全運行。因此，經電流互感器采集A相電流，315kVA變壓器一次側額定電流為18.18A，選擇電流互感器變比為20A/5A，電壓互感器采集B、C相間線電壓，變比為10kV/0.1kV。無功控制器接線方式如圖4所示，電壓、電流向量如圖5所示[8-9]。

圖4 無功控制器接線圖

圖5 無功控制器向量圖

無功控制器由單片機采集10kV側電流互感器二次A相電流IA，電壓互感器二次側B、C相間線電壓UBC，以及它們之間的夾角θ。因為UBC與UA的夾角為90°，所以功率因數角φ=90°-θ，這樣三相有功和無功功率分別為[10-11]：

(2)

(3)

根據式(2)、式(3)，通過C語言編程寫入單片機存儲器中。因φ=90°-θ，當UBC與IA之間的夾角θ<90°時，無功控制器將繼續投入電容器組；當補償到θ=90°時，φ=0°，功率因數cosφ=1，則維持補償現狀；當θ>90°時，將切除一部分電容器組。考慮到電容器組投入運行后，不易準確補償到θ=90°，并且要防止出現過補償現象，一般設定允許誤差為 -5°。此10kV電力用戶采用無功全補償，并與之前欠補償相比較，每月節約無功電量為：

AQ=QKZh1+QLCh2+(Qb1-Qqb)h2
=2.52×720+9.1×200
+(161-90.5)×200
=17734.4kWh

式中：h1為每月平均運行時間，取h1=720h；h2為每月雙休日與節假日時間，取h2=200h。

5 結束語

該電力用戶改造后，每月節約無功電量約 17430kWh，線路共帶15處負荷，經1年時間全部改造完畢，目前正處在試運行期間，實際線損率由原來的6.25%降低至5.37%，線路末端電壓有所提高，運行狀況良好，未發現運行異常現象。通過實踐可知，安裝在110kV變電站10kV母線上的無功補償電容器組，通過10kV線路進行無功輸送，并不能起到降低線路線損的作用，而僅是減輕變電站主變輸出無功的負擔，提高帶有功負荷的效率，而對沿線10kV電力用戶采用無功全補償方案后，線路流動的無功已接近為0，視在功率減小，線路有功損耗及電壓降也隨之減小，真正實現了無功補償就地就近平衡的目的。

[1] 中華人民共和國電力工業部.供電營業規則[Z].1996.

[2] 邱關源.電路[M].5版.北京： 高等教育出版社,2006.

[3] 湯蘊璆,羅應立,梁艷萍.電機學[M].3版.北京： 機械工業出版社, 2008.

[4] 王兆安,楊君,劉進軍.諧波抑制和無功功率補償[M].北京： 機械工業出版社,2006.

[5] 程浩忠,吳浩.電力系統無功與電壓穩定性[M].北京： 中國電力出版社,2004.

[6] 李宏仲,金義雄，王承民，等.地區電網無功補償與電壓無功控制[M].北京： 機械工業出版社,2012.

[7] 李宏,董瑾.無功補償技術的研究[J].現代電子技術,2011,34(6)： 175-178.

[8] 賀家李,宋從矩.電力系統繼電保護原理[M].3版.北京： 中國電力出版社,1994.

[9] 黃振躍,孫玉坤,任明煒.±50kvar靜止無功發生器的的軟硬件設計[J].高壓電器,2010,46(6)： 34-39.

[10] 周和平.10kV電力系統電能計量裝置運行異常的案例分析[J].電工技術,2010(2)： 45-46.

[11] 葉傅華，王江濤，陳國棟.改進FBD法在無功功率補償設備中的應用[J].上海電氣技術，2016，9(4)： 58-62.