基于配電變壓器無功補償技術(shù)的應(yīng)用研究

楊春 韋永生

摘 ? ?要：基于無功功率及其對電力系統(tǒng)可能造成的影響，在介紹無功補償原理、作用和必要性的基礎(chǔ)上，提出一種無功補償技術(shù)，為配變無功補償技術(shù)水平的不斷提高提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：配電變壓器;無功補償

中圖分類號：TM421 ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1004-7344（2019）03-0091-02

實踐表明，無功功率會對電力系統(tǒng)正常運行造成很大影響，使電壓降低、線損增加，設(shè)備無法使用。因此，需要配網(wǎng)無功補償，尤其是配變無功補償，在認識到無功補償原理和作用及重要性的基礎(chǔ)上，采取有效的補償措施。

1 ?無功功率及其對電力系統(tǒng)造成的影響

對于傳統(tǒng)意義上的無功功率，主要是對負荷和電源之間存在的能量交換進行的度量。而在科技快速發(fā)展趨勢下，很多非儲能元件開始吸收無功，其原因為器件具有非線性。在電力系統(tǒng)中，無功消耗包含以下兩個方面：①線路消耗一定無功;②負荷消耗一定無功。對電能進行輸送時，必須吸收無功，對于高壓配網(wǎng)，為保證輸送容量，并使系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，通常要補償無功，比如對線路實施串聯(lián)補償，對關(guān)鍵節(jié)點實施并聯(lián)補償。被負荷直接吸收的負載，也就是由感性負載或非線性負荷直接消耗的無功，比如生產(chǎn)生活過程中經(jīng)常用到的變流設(shè)備，啟動與使用過程中均會吸收無功，導(dǎo)致電網(wǎng)的電壓產(chǎn)生波動或畸變[1]。

研究表明，感性負載會使功率因素明顯降低，使電力系統(tǒng)受到不良影響，包括：發(fā)電及輸變電設(shè)備自身輸電能力均大幅降低，不僅影響正常運行效率，而且還會增加成本;使輸電損耗明顯增大，系統(tǒng)運行效益受到很大影響;電壓損耗提高，導(dǎo)致電壓產(chǎn)生波動或閃變。

2 ?無功補償主要作用分析

在不同的用電設(shè)備當(dāng)中，僅白熾燈與部分發(fā)熱的設(shè)備不消耗無功，數(shù)量很少的同步電動機能產(chǎn)生無功，但絕大多數(shù)設(shè)備均需消耗無功。對此，各級用戶都在滯后功率因素條件下運行，沒有得到補償時，功率因素在0.6～0.9范圍內(nèi)。對于變壓器和電動機等負荷，很多都是感性負載，運行時要提供足夠無功功率。將補償裝置設(shè)在電網(wǎng)中后，能增加感性電抗器實際消耗的無功，使電網(wǎng)直接向感性負載及線路提供的無功減少，因減少的這部分無功會在電網(wǎng)中持續(xù)流動，所以能降低由無功輸送產(chǎn)生的損耗，此即為無功補償。實踐表明，無功補償能有效改善功率因數(shù)，效果顯著且經(jīng)濟合理。

在電力系統(tǒng)運行中，無功補償至關(guān)重要，確定合適的補償點，既能維持電壓的水平，還能提高系統(tǒng)實際運行可靠性，并且還具備防止無功遠距傳遞的功能，最終實現(xiàn)減少線損和保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的目標(biāo)。

無功補償主要具有下列幾點作用：①改善功率因數(shù)，保證設(shè)備實際利用率，減小設(shè)備需要達到的容量，避免線路或設(shè)備產(chǎn)生較大損耗，有效節(jié)約電能;②保證電網(wǎng)和受電端實際電壓的穩(wěn)定性，使電能質(zhì)量符合預(yù)期要求。另外，將補償裝置設(shè)在長距離輸電線路當(dāng)中，能改善線路運行穩(wěn)定性，增強輸電能力;③當(dāng)三相負載無法達到平衡時，采用補償裝置，能輔助三相負載達到并保持平衡;④能有效增加線路、變壓器及發(fā)電器實際備用量;⑤降低配變?nèi)萘浚?jié)省成本。

無功補償?shù)哪康氖鞘闺娋W(wǎng)實現(xiàn)無功平衡，保證從電源產(chǎn)生的無功功率和無功負荷及損耗保持平衡。如果無功功率較低，則無功平衡則是通過電壓下降或電壓調(diào)節(jié)來實現(xiàn)的。若系統(tǒng)中有十分充足的無功電源，可以滿足在電壓水平相對較高時達到無功平衡的基本需求，則系統(tǒng)的運行將具備很高電壓水平;相反，若無功不足，則系統(tǒng)運行電壓水平必然很低。基于此，在實際工作中必須做到無功平衡，同時按照這一要求采用合適的補償裝置。在電力系統(tǒng)當(dāng)中，電機是典型的無功電源，此外還包括動態(tài)補償裝置和靜電電容器[2]。

如今，我國經(jīng)濟飛速發(fā)展，這有賴于電力系統(tǒng)逐步擴大，同時產(chǎn)業(yè)與經(jīng)濟的發(fā)展對系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和可靠性也提出了越來越高的要求。對電網(wǎng)的運行環(huán)境進行改善，保證功率因素，降低損耗，是一項綜合性工作。電力負荷當(dāng)中，多數(shù)為感性負載，其投入運行后，不僅消耗有功功率，而且還會吸收無功。通過對相關(guān)資料的研究分析可知，無功可以達到有功總量1.3倍左右。無功主要由電廠產(chǎn)生，會降低受電端功率因數(shù)，造成損耗增加、電壓下降、設(shè)備無法良好利用等后果。如果系統(tǒng)嚴重缺少無功，則會進入崩潰狀態(tài)。事實上，無功功率的增加實際上就是視在功率明顯增加，此時對系統(tǒng)是有一定影響的，比如元件容量明顯增加，費用提高;電流的升高會增加設(shè)備及線路損耗等。因此，通過發(fā)電機來增加無功，然后由線路進行傳遞的做法是不可行的，也是很難實現(xiàn)的。最好的做法就是采用補償裝置，或引入新型無功補償技術(shù)。

3 ?配電變壓器無功補償

針對無功消耗問題，從配電變壓器角度講，需要采用一體化的動態(tài)無功補償技術(shù)，即DT-STATCOM，它把無功補償與配電變壓器充分集成到一起，并對配電變壓器各側(cè)實際信息進行充分利用，從而對高電壓和低電壓之間交匯處的電能質(zhì)量和無功功率進行補償控制。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在當(dāng)前很多配網(wǎng)中使用的傳統(tǒng)變電站，其容量利用率都很低，通常情況下，其負載率只有0.5～0.6（公用箱式）。對此，該技術(shù)最大限度利用富余容量來實現(xiàn)無功補償。該系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可以看出，只需將常規(guī)連接抽頭安裝在高壓側(cè)使這一補償單位借助抽頭對負載和變壓器進行綜合補償。

由抽頭不斷向系統(tǒng)提供補償功率，使配變功率分布發(fā)生明顯變化。基于此，應(yīng)以配變?nèi)萘考柏撦d率水平為依據(jù)，對補償單位實際輸出進行嚴格控制，確保在最大限度利用剩余容量基礎(chǔ)上，防止繞組過載。比如某采用“Y”型聯(lián)結(jié)方式的變壓器，其繞組基本結(jié)構(gòu)如圖2所示[3]。

從圖2可以看出，完成對抽頭的設(shè)置以后，配變新形成的結(jié)構(gòu)與三繞組自耦十分相似，抽頭可把整個高壓繞組分成兩部分，即串聯(lián)與公共的繞組。從自耦變壓器特性與規(guī)律看，這兩個繞組實際通過容量完全相等。基于此，在補償過程中如果公共繞組實際傳遞的功率小于原繞組，則可以有效防止變壓器過載[4]。

將配變額定容量設(shè)為Sr，平均負載率設(shè)為β，自耦繞組的變比設(shè)為WAO/Wc=k12，其中，WAO表示高壓側(cè)繞組總匝數(shù)，公共繞組對應(yīng)的視在功率可采用以下公式計算：

Sc=■βSr（1）

則富余功率可表示為：

Se=■=■■（2）

如果系統(tǒng)僅為負載傳遞有功功率，則補償單位能利用所有富余容量進行無功功率的傳輸，此時，對于無功容量，其標(biāo)幺值可表示為：

S■■■=■（3）

在配網(wǎng)中，通常要求配變端口有不小于0.9的功率因數(shù)。將負載的功率因數(shù)設(shè)為cos？準(zhǔn)，則根據(jù)相同基準(zhǔn)對負載需要的標(biāo)幺值進行計算：

ΔQ*=β■-0.48cos？準(zhǔn)（4）

當(dāng)負載率與繞組變比有所不同時，該技術(shù)能補償?shù)木唧w范圍會出現(xiàn)明顯變化，實際標(biāo)幺值都在10%以上，符合相關(guān)技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)。如果負載率為0.65，且功率因數(shù)減小到0.6，則需要的無功功率明顯增加，但對應(yīng)的標(biāo)幺值依然在30%以內(nèi)。因在居民區(qū)中采用的箱變，其典型負載率普遍為0.3，對應(yīng)約10%的標(biāo)幺值。基于此，采用這項補償技術(shù)，能滿足箱變和負載產(chǎn)生的無功消耗要求[5]。

4 ?結(jié)束語

綜上所述，雖然目前的配變無功補償技術(shù)得到很大進步，但在線損率與節(jié)電的分析方面還較為落后，同時也沒有可行的改進方法。對此，對配網(wǎng)及配變進行深入的節(jié)電分析和無功優(yōu)化研究，是保證配網(wǎng)及配變安全、穩(wěn)定且經(jīng)濟運行，并創(chuàng)造良好經(jīng)濟效益的關(guān)鍵所在，有著十分廣闊的應(yīng)用及發(fā)展前景。

參考文獻

[1]張 起，朱連勇，王 軍.基于配電變壓器無功補償技術(shù)的研究[J].東北電力技術(shù)，2017，38（11）：35～39.

[2]陳曉春，王曜飛，宋亞夫.配電變壓器無功補償容量分析系統(tǒng)研究[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2017，19（1）：112～117.

[3]李廣宇，周和平.10kV配電變壓器低壓側(cè)無功補償方式探討[J].電器與能效管理技術(shù)，2014（6）：50～53.

[4]林育錦.配電變壓器低壓側(cè)無功補償方式及優(yōu)化探討[J].機電技術(shù)，2015（2）：58～59.

[5]張惠娟，韓 葉，申 晨.配電變壓器勵磁電流無功補償研究與應(yīng)用[J].電工技術(shù)學(xué)報，2015（s1）：428～433.

收稿日期：2018-12-2

作者簡介：楊 春（1990-），女，助理工程師，本科，主要從事電氣技術(shù)管理工作。

韋永生（1992-），男，助理工程師，本科，主要從事電氣技術(shù)工作。