變電設計中的無功補償分析

山西龍泓電力工程咨詢有限公司濟南分公司 石緒東 趙宗營

1 無功補償的基本概念

無功補償也稱為無功功率補償。電力系統中存在電壓波動較大的現象，有時會引起相當嚴重的諧波現象。在電力系統中，無功補償的存在可以增加變電站的功率，減少輸電線路的故障概率，從而有效提高能源效率，改善電力能源使用環境。無功補償是電力系統基礎設施中不可或缺的重要設備。變電站運行期間應合理使用無功補償，從而有效降低線路功率損耗，同時補償電源中的無功功率，對質量和功率穩定性的增加也起著重要作用。在電力系統工作過程中使用正確的無功功率補償器，可輕松使電力系統發揮最大效率[1]。

2 進行無功補償的重要性

異步電動機和變壓器是電力系統中廣泛使用的設備。對于輸電線路來說，大部分都是感性負載，因此需要保證這些部件在運行過程中被提供無功功率。電氣設備包括發電機、同步發電機、靜電電容器和靜電補償器。

一般情況下，無功功率是在不利用電能的情況下產生的，但在網絡中傳輸無功功率時，電壓降和有功功率損耗率是不可避免的。如果電力公司直接供應用戶正常用電所需的電力，承載電力的用電設備和輸電線路將產生更多的電力，造成更多的能源損失，這是不科學和不經濟的。電氣設備的設計和安裝應使發射器內的功率較低，以最大功率用于傳輸和傳輸。如果能正確設置值，就能看到網格的變化。電耦合的目的是降低電壓，減少功率損耗，提高電壓質量。更換設備時，根據布線、配電、安全和功率平衡等各種因素，為包括操作、電容和電壓在內的設備缺陷和形狀做好準備。

3 無功補償的意義

為了保證電阻性負載和各種諧波源的正常運行，必須耗散一定量的無功功率，所需的無功功率必須來自配電網絡中的某處。為長距離傳輸提供無功是沒有意義的，這也是根本不可能。一般采用就地補償，即無功功率從應消耗的地方送出。目前，我國城市用電規劃用電質量不高，不能滿足大部分城市用電標準，影響公用事業工程安全。負電壓不高的原因有很多，當感應無功功率大時，壓降大，端電壓低。償還電費會對能源質量產生重大影響，給個人和居民造成經濟損失。因此，有必要降低電壓，改善電能質量。目前，我國主要能源消耗數據與發達國家仍有差距，輸電線路損耗同樣如此，比世界能源企業損耗略高，國家電網在線損率上有望進一步降低。換句話說，無功功率不足和功率分配不良導致功率差異和功率損耗[2]。

4 無功補償原理

無功功率補償又稱無功功率補償，在供電系統中起著重要作用。一方面可以提高電網的功率，另一方面可以減少電能的損耗。提高變壓器和輸電線路輸出功率，提高能源效率，改善環境等。因此，無功補償裝置在供電系統中占有不可或缺的重要地位。相反，如果補償電容器選型不當可能引發電容過電壓或過電流運行，增加電容器的使用故障率。

無功功率耗散會增加網絡負載，并可能導致網絡損耗和系統電壓下降。并聯電容器可以補償或平衡電氣設備的感性無功功率。在當容性無功功率（QC）等于感性無功功率（QL）時,電網只輸送有功功率（P）。根據我國規定，高壓用戶的電壓功率因數應高于0.9；低功率用戶功率應高于0.85。無功補償其實就是減少無功功率的傳輸。所以，需要想辦法就近、就地提高無功功率以滿足客戶和電力設備的需求[3]。無功補償的工作方式如圖1所示。

圖1 無功補償的工作方式

5 無功補償的分類

更高功率的系統可以使用更多功率設備，改善人們的生活。無功補償降低變電站電流，增加變電站的輸入功率，以保證輸出功率的穩定性和可靠性，因此功率補償設備是變電站的重要組成部分。保證電壓穩定還可以提高電力系統的利用率，人們的社會生活更加方便。無功補償器使用不當會導致輸出電壓不穩定，不能滿足人們對用電的需求，使用電變得危險，對許多生命造成嚴重的損害，同時也造成安全問題。電源可分為鐵芯、有功功率和無功功率。

一是測得的功率主要值是設備中的電壓和電流之差。兩者的乘積在計算中通常用符號S 表示。在計算過程中，常以電流與電壓相乘得到的功率形式表示。電路中電壓和電流的乘積是表觀能量值。在電氣系統中，常用來補償電氣設備所需無功功率的方法之一是使用并聯電容器。并聯電容器進行無功補償的作用是提高功率因數，減少線路耗損，改善系統電壓質量，增加輸變電設備的輸電能力[4]。目前，并聯電容器進行無功補償時，其補償方式主要有集中補償、分支補償和就地補償三種類型。企業進行無功補償時，可以根據實際負荷情況，選擇一種或多種補償方式進行補償，從而使企業的利益最大化。

二是有功功率是指電源在一定時間內在交流電路中順時針方向產生的功率平均變化和波動，有功功率在當前功率能量傳輸情況分析中，主要值是負載電阻在運行期間耗散的能量和功率。有功功率是指交流電路在一定周期內瞬間產生的功率的平均值，也可以說是負載消耗的功率。這稱為有功功率這種能量狀態通常用符號P 表示。

三是一般情況下，如果線路有電感或電容，接上電源后將優質電能轉化為相關能量，并將其儲存起來，應用時可以恢復電磁場和力的正常運作。電網中的許多電力設備很多是根據電磁感應原理工作，他們在能量轉換過程中建立交變的磁場，在一個周期內吸收的功率和釋放的功率相等。電源能量在通過純電感或純電容電路時并沒有能量消耗，僅在負荷與電源之間往復交換，在三相之間流動，由于這種交換功率不對外做功，電路不消耗功率，僅是電源能量與磁場能量之間的往復轉換。因此產生的功率值稱為無功功率，通常用符號Q 表示。。

6 變電站設計中的無功補償

6.1 安裝要求

在變電站設計中采用無功補償裝置，變電站設計中的無功補償配置補償裝置必須考慮的主要因素是裝置系統和電網的穩定性。根據這些因素和安裝條件，選擇合適的電壓大小、無功功率平衡、有功功率分配等[5]。并且需要合理選擇無功補償器的安裝位置、接線方式、控制和保護方式，并結合安裝地點的地理條件選擇合適、正確的安裝方式。大多數的變電站無功補償設備都安裝在架空線上，必須配備低壓避雷器以防止雷擊。另外，其相關技術要求穿過門板的二次電纜用絕緣扎帶捆扎，以防止絕緣擊穿邊緣層。導管內的一、二次電纜穿過金屬孔時，必須套上膠套，這些措施可以有效防止線路損壞。常見的變電中的無功補償裝置如圖2所示。

圖2 變電中的無功補償裝置

6.2 設備運行技術要求

線路無功補償保護功能過電壓保護，電網電壓超過1.2倍。在切斷外殼額定電壓時，總時間不得超過60s。也可以通過參數設置進行低壓保護。在進行低壓保護后，停電后設備控制開關自動切斷，每個電容器組在上電期間斷開連接。停電后再次自檢，通過更換電容，防止電壓突然升高。至于線路短路保護，主要是通過快速熔斷器進行自動切斷。如果相電壓低于其額定值的65%，則認為是相電壓故障，控制器將斷開輸出電路。另外，從諧波保護的角度來看，電壓或電流的諧波超過電壓或電流的諧波失真水平上限時，控制器指示對每個電容器組進行放電，電容器組的周期性投切由無功補償控制器實現。即先斷開第一個開關，使用平均功率，從而延長變電站的使用壽命。建議保險絲的額定電流與電容器的額定電流相匹配，或高于1.5～2倍，足以滿足大多數負載要求。如果線路電壓不是四百伏配電網，需要保證電容容量能充分放電，實現線路補償。

6.3 設計原則

變電站電容器無功補償器是控制電力線路的重要裝置，作為電力系統節能的重要組成部分，其重要性已為人們所認識。如何根據變電站設計規范和國家設計標準合理分配和補償變電站的無功功率，對變電站設計人員來說是一個挑戰。補償電源安裝原則，第一，變電站的無功補償應根據線路參數、差動負荷率和變壓器參數進行理論計算。第二，其原則是防止電力倒流，計算值應大于實際值和實際償付能力。第三，各電容器組的充電值應根據提供應急條件的主變功率確定，隨負載情況或主變功率變化而變化。

6.4 設備散熱設計

由于無功補償是在室外進行的，設備散熱設計必須滿足設備的散熱要求。散熱通道可設計在箱體頂部，在設計中性線和控制器地線的連接時，兩者必須分開。如果負載不平衡，將出現零電位漂移。如果中性線和地線設計成短路，就會影響電表定量的精度。關于接地要求，接地螺絲的尺寸不能小于12mm。并標有清晰的地面標記，允許地面線超過10mm2。線芯為雙膠線，外殼為PVC 套，與接地極相連。接地電阻必須小于10Ω。

6.5 變壓器低壓側無功補償

在對變壓器低壓側進行無功補償時，可考慮以下幾點。另一方面，配電網無功回流造成能量損失，不經濟，應盡量避免。另一方面，隨著能源效率的發展，降低成本的效果降低，從而達到效果。考慮到最好的結果，將功率因數增加到0.95更科學也更有必要。因此，在響應配置中，電容充電應設置為變壓器電容的0.125倍。

7 無功補償的發展前景

隨著社會經濟的快速發展,電力需求不斷增長。電力工業化程度的不斷提高，電網建設也將更加完善。無功補償裝置在這背景下，將有迎來更大的發展前景。無功功率補償最初的方式是無功補償電容器，此方法簡單易懂，而且較為方便。隨著電力電子技術的飛速發展，各種電力電子裝置在電力系統、工業、交通及家庭中的應用日益廣泛。而大多數電力電子裝置的功率因數很低，它們所消耗的無功功率在電力系統所輸送的電量中占有很大的比例。

8 結語

隨著國家經濟的發展和電力的不斷發展，其本身已經涉及了各個領域之中，然而當前變電設計中的無功補償對于電力建設有著關鍵性的意義。為了提高電能的利用率，就必須選擇和利用正確的無功補償方式，通過有效的無功補償方式來提高對電能的利用率，優化我國電力資源的調度，加強我國電力資源的優化配置，從而盡可能地緩解我國的用電壓力。