淺析10kV配電網無功功率補償

鄭州電力職業技術學院 任萬英 馬 銳

1 無功功率的意義及無功補償的原理

電氣設備的功率分為有功功率、無功功率和視在功率。電氣設備要想正常工作，就需要一個能使它做功的功率，這個功率就是有功功率、即對外做功的功率。而無功功率用來在電氣設備中建立和維持磁場的電功率，即對外不做功，所以被稱之為“無功”。

電網中的有電磁線圈的電氣設備不僅需要消耗有功功率，還需要無功功率，有繞組的電氣設備如變壓器、電抗器、接觸器的工作原理都是電磁感應原理，即都需要有一個磁場才能工作、才能進行電磁能量的轉換，在交換的過程中必然會產生電流，這個電流就是無功電流，有無功電流就會消耗無功功率[1]。因此無功功率決不是無用功率，如果離開了無功各種電動機就不會轉動，變壓器也不會變換電壓，正常運行時，如果電網中的無功功率不夠用，電氣設備就沒有足夠的無功功率，就不能建立維持正常工作的磁場，即用電設備就不能維持在額定電壓下工作，用電設備的端電壓就要下降，電能質量就得不到保證。用電設備工作效率下降，還有可能使系統崩潰。

現總結無功功率對發電、供電、用電產生的諸多不良影響：根據視在功率、有功功率和無功功率的關系可知，從電源發出在網絡中傳輸的無功功率越多，則電源發出的有功功率就會變少；由于無功功率的增大會導致功率因數降低，使電氣設備的效率不能充分發揮；電網中過多的傳輸無功功率將造成變壓器及線路的電壓降增大，使電網電壓偏移增大。

所有的感性負載也就是帶線圈的交流負載，通電后都會產生一個自感電動勢，根據楞次定律可知，這個自感電動勢產生的感應電流會阻礙原電流的變化，這樣就會造成電流滯后電壓，電源就需更大的電流來中和這個感應電流。電容器具有充放電功能，接入交流電后電容器就會不停的充放電，這樣會造成電流超前電壓滯后，正好可以補償電感性負載造成的電流滯后電壓超前。即減少了從電源發出的無功功率，也即減少無功功率在電源與負荷之間流通，降低了網絡中的無功功率損耗，提高了電能質量，達到補償目的。

2 無功補償的方式

從理論分析可知無功補償是最好的方式：哪里需要無功就到哪里補償，這樣網絡中就不會有無功電流從電源到負載之間流動。但在實際應用中很難做到，電力系統中的大多數電氣設備都離不開無功功率。以公共低壓配電網為例，經常采用分散補償和集中補償兩種。對于不便采用分散補償的，可采用負荷就地集中補償，在低壓系統(即變壓器的低壓側)利用功率因數自動補償裝置動態跟蹤補償[2]。根據實際運行經驗，電容器補償容量-般按變壓器容量的20%～30%。現在很多低壓無功補償裝置都采用綜合補償。無功補償裝置將依據系統當前的電壓或電流，自動投入或切除相應容量的電容器。

由于電力系統是一個典型的非線性系統，電力負荷無時無刻不在變化，對無功的需求也在不斷變化，使電網中無功功率可能失去平衡。現總結一下無功功率補償方式如下：

2.1 并聯電容器

電網輸出的功率包括有功功率和無功功率。有功功率直接消耗電能，可把電能轉換成其他形式的能源。無功功率只是把電能轉換為另一種形式的能，不消耗電能。這種能是在電網中與電能進行周期性轉換，如電磁元件建立磁場占用的電能，電容器建立電場用的電能，產生的電流在電感元件中作功，電流相位超前于電壓相位900。而電容中的電流作功時，電流與電壓的相位與電感中的相位相反，即電感電流與電容電流相位互差1800[3]。如果在電磁元件電路中有比例地安裝電容元件，使兩者的電流相互抵消，使它們之間的夾角縮小，從而提高電能作功的能力，這就是功補償。

2.2 同步調相機

相當于一臺不帶任何負載的同步電動機，它有專門的勵磁調節裝置，可強行勵磁穩住電壓，維持系統的穩定性，過勵和欠勵磁時分別向系統供給感性無功功率和從系統吸收感性無功功率。任何電機都是由繞組和鐵芯組成的，在電氣上相當于電感元件，作為同步電機也不例外，只不過同步電機不帶任何機械負載，把它接到系統中都會改變系統的電壓電流之間的相位，即改變發電機發出的功率的性質。而調相機的作用就是通過消耗系統中少量有功并改其系統變相位，發出容性無功。

2.3 并聯電抗器

高電壓等級線路的無功功率是線間電容起主要作用。這部分無功功率不僅關系到線路損耗，而且關系到線路的安全運行，因此這部分無功功率是不能忽視的。對于長距離超高壓輸電線路，這種電壓升高現象可能會達到不能容忍的程度，這時就要采用并聯電抗器補償，使電抗器的感性無功電流來抵消相與相之間的容性無功電流，從而保證線路的穩定正常運行。

2.4 無功功率補償的應用舉例

某10kV配電線路上共有配變90臺，總容量為17120kVA，平均功率因數為cosφ1=0.8，現對配電變壓器的空載無功損耗進行補償，安裝容量按配電變壓器容量的6%計算。即Qc=Q%·Se=0.06Se，分別對配電變壓器進行低壓電容器的安裝，試計算一年的經濟效益（設每kVR電容器綜合安裝費用K為50元，年最大利用小時數為8000小時，購電價C=0.56元/度，負載率β=0.3，綜合線損率△A%=7.1%)。計算過程如下：

補償后系統的平均功率因數為：

線損率降低值為：

補償后減少損失的電量：

ΔA=β×Se×T年×cosφ1×ΔA%×ΔA1%=0.3×17120×8000×0.8×7.1%×19.9%=46.44(萬度)，節約電費為ΔC=ΔA×C=46.44×0.56=26(萬元)，安裝電容器所需要的費用C安裝=Q%×Se×K=0.06×17120×50=5.14(萬元)。

提高設備輸出能力為：

從以上計算可看出，安裝電容器后用不到3個月的時間就可回收電容器的安裝費用，根據經驗可知，電容器的檢修周期長，所以其經濟效益是很可觀的。所以通過對系統進行無功功率補償是降低線損很有效的方法[4]，也是將來農網和城網改造的關鍵舉措。

3 無功功率過補償的危害及措施

無功功率過補償的危害：無功功率過補償時使電壓升高，導致變壓器、電動機、電力電容器等用電設備損耗增大，損耗增大會加速電氣設備的絕緣老化，絕緣老化加速就會影響電氣設備的使用壽命和運行安全；無功補償設備投入過多時，有可能會在負荷較低時出現全補償現象。過補償和全補償會隨著負荷的變化交替出現，容易產生諧振過電壓，對電網的穩定運行產生不利影響；過補償會導致負載的性質由感性變為容性，配電線路中電流會隨過補償程度的加深而變大，電能質量降低和線路損耗增大，與無功補償的目的相悖而行。

控制無功過補償的措施：加大用戶側無功補償宣傳管理力度。由相關部門到用戶側宣傳無功補償的好處。使用戶學習并懂得無功補償的相關知識，結合用電高峰低谷時段，能夠在用電負荷低谷期切除或減少投入無功補償設備，做好無功功率的就地補償；合理確定補償容量。根據美國心理學家老鼠搜索實物的試驗結果可知，要強化一種動作和行為并讓其不斷發生，就要想辦法給予獎勵或減少負面刺激。即在配網無功補償時，根據線損降低程度作為獎勵標準，其最終的目的是要做到降低線損率，誰做到了給誰獎勵，即使沒有達到規定的線損指標。

綜上，在實際應用中，應根據無功功率的大小確定適當的補償容量及安裝方式，應按照“全面設計規劃、合理布局、分級分層補償、就地平衡”的原則。城、農網改造以后，10kV配網中多臺變壓器的補償裝置缺少維護或不維護，導致電容器損壞或投切裝置退出運行，用戶側補償設備的投入運行管理不到位等直接影響供電質量[5]。因此必須建立完善的監管制度來提高配電網運行管理水平以取得最大的補償效益，綜合運用發揮各種補償方式的長處，真正做到10kV配電網無功功率最優化。