無功補償在10kV線路中的應用

 前言

我國城鄉(xiāng)10kV配電線路廣泛采用大樹干、多分支的單向輻射型供電方式。這些線路的特點是：負荷率低，負荷季節(jié)性波動大，配電變壓器的平均負荷率低，供電半徑長，無功消耗多，功率因數(shù)低線路損耗大，末端電壓質(zhì)量差。由于是人工操作，有可能造成無功功率的欠補和過補。欠補償會影響電能質(zhì)量增加損耗，而過補償即無功倒送會危及系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性。為防止過補償通常裝設容量較小，從而長期處于欠補狀態(tài)。因此說整組補償?shù)木鹊?。另外，用電負荷?jīng)常變動的工礦企業(yè)，以及對無功需求不斷變化的其它場合，均需要有自動調(diào)節(jié)裝置來實現(xiàn)動態(tài)電壓控制和無功補償。在10KV配電線路上進行分散補償具有投資小，回收快，補償效率較高，便于管理和維護等優(yōu)點，能顯著改善電力線路的運行性能、降低電能損耗、提高供電網(wǎng)絡的電壓質(zhì)量，適合于功率因數(shù)較低且負荷較重的長配電線路。

一、無功補償?shù)南嚓P(guān)理論問題探討

作為目前電網(wǎng)運行中極為關(guān)鍵的一部分，無功補償為電網(wǎng)在當前時期的穩(wěn)定運行發(fā)揮了不可替代的作用，它是無功功率補償?shù)暮喎Q，即對于電網(wǎng)運行中產(chǎn)生的無功功率的一種具體功率補償，通過合理的補償裝置的使用來補償這種無功的功率因數(shù)，可以使配電網(wǎng)自身運行環(huán)境得到有效的改善及優(yōu)化，其運行中的各種損耗也能夠得到有效的控制。本文下面就從對這種無功補償做一下理論探討：

首先，對無功補償中的無功功率做一下分析。電網(wǎng)在具體的運行中，必定會產(chǎn)生有功的功率以及無功的功率這樣兩種功率，而有功的功率能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為諸如熱能、光能、機械能等其他各種形式的能力，從而維持用電設備進行正常的運行;無功的功率則不需要消耗電能，而是利用電路內(nèi)部存在的磁場以及電場來進行工作，為電氣設備的正常運行提供其所需要的電功率，這種電功率則是維護磁場的主要支撐。無功功率是電網(wǎng)運行中不可避免的一種產(chǎn)物，而且它也是多數(shù)電器(如變壓器、電機、輸電線、熒光燈、電抗器等)進行運行的基礎(chǔ)保障，它不是無用的，相反具有非常重要的存在價值。但是，這種功率的存在也確實具有某種不利的影響，必須進行無功補償。

其次，就無功功率所具有的不利影響來講，一方面，無功功率在滿足各電器運行對于磁場需求的過程中，通過不斷地傳輸無功的功率，必將導致這些變壓器、電機等對于電能的持續(xù)的損耗，從而導致系統(tǒng)運行得不到贏得的經(jīng)濟效益。而且，無功功率的存在必定會占據(jù)有功功率的位置，使電器輸出的有功功率減少，電能轉(zhuǎn)化能力就會降低。同時，無功功率還會加大變壓器以及相關(guān)線路的電壓降，使電網(wǎng)中的電壓處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。另一方面，無功功率和有功功率共同組成視在功率，這種視在功率又與電流存在著正比例關(guān)系，無功功率在有功功率維持不變的狀態(tài)下增加，就會使視在功率加大，從而引發(fā)電流的加大，最終使得變壓器、發(fā)電機、導線等各設備不得不增加容量。

第三，就無功功率的補償而言，它主要就是為了避免無功功率影響電網(wǎng)正常運行而采取的一種補償措施。一方面，工作人員通過提升系統(tǒng)的負載功率因數(shù)、降低用電設備及線路的負荷與容量，能夠使各種設備在降低功率的消耗量的基礎(chǔ)上達到對于自身工作效率的提升。另一方面，減少無功功率能夠使電網(wǎng)的電壓值趨于穩(wěn)定、電力損耗不斷降低、電能質(zhì)量得以提高，最終使整個電力系統(tǒng)實現(xiàn)了對于各種干擾運行的因素的有效抵抗，提升系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性能。

二、高壓配電網(wǎng)對于無功補償?shù)木唧w應用分析

無功補償在維持電網(wǎng)運行所需要的足夠無功功率之外，能夠通過將多余部分的無功功率去除，從而達到對于電網(wǎng)運行環(huán)境的優(yōu)化，目前我國正在大力地推動無功補償在全面合理的規(guī)劃及布局基礎(chǔ)上的分散補償?shù)膶嵤?，力求推動整個電網(wǎng)的就地平衡。本文下面就針對無功補償在高壓電網(wǎng)中的應用進行一下分析：

1)配電網(wǎng)的自動跟蹤補償

目前，高壓配電網(wǎng)的管理人員主要利用固定及可變阻抗型，這樣兩種自動補償?shù)难b置來進行無功補償，其中固定阻抗型的補償裝置，比如分組電容器等，具有比較高的裝置性能，能夠達到對于系統(tǒng)電壓無功補償?shù)淖詣涌刂菩枨蟮臐M足，且較為經(jīng)濟、操作簡單，目前受到了諸多高壓配電網(wǎng)管理人員的青睞。而可變阻抗型的自動補償裝置，如STATCOM以及SVC等，具有非常高的補償精度與極快的補償響應速度，但是它的造價比較高，除了電力系統(tǒng)外的一般電力用戶都不太使用這種補償裝置。再以濾波器這種無功補償?shù)难b置來講，它通過允許有用的信號通過，而盡可能衰減無用信號，能夠達到對于有用功率的極大的提升。

2)配電網(wǎng)的無功分散補償

當前時期，高壓配電網(wǎng)的應用在經(jīng)濟發(fā)展的推動下逐漸增加，各種電力用戶對于無功功率的控制要求也逐漸加大，配電網(wǎng)管理人員在用戶的末端對電網(wǎng)實施無功補償，必定能夠達到補償工作的事半功倍，使補償工作實現(xiàn)最高的綜合性能以及最佳的經(jīng)濟效益。利用這種無功分散補償?shù)姆绞接殖蔀榉纸M補償，利用分散進行補償，主要是借助于將電容器組裝設在具有較低的功率因數(shù)的終端配電網(wǎng)高壓或者是低壓的母線位置等，從而使無功功率因數(shù)得以調(diào)整，最終達到對于功率因數(shù)的校正和調(diào)整。這種補償方式關(guān)鍵是用來對電壓進行調(diào)整，使電壓質(zhì)量得以改善，避免電壓的損失，從而為系統(tǒng)運行提高其供電能力。但是，這種方式的應用需要以配電變壓器的低壓側(cè)所具備的最大無功需求作為基礎(chǔ)來調(diào)整容量，而不同變電器的低壓側(cè)又具有不同的負荷波動狀況，這就會導致某些大容量的電容器在低負荷狀態(tài)處于被閑置的狀況。

三、10kV線路無功補償系統(tǒng)設計

1.補償點及補償容量的確定

為求出在滿足運行約束條件下的最優(yōu)無功補償容量及位置，本文以年支出費用最小為目標函數(shù)，以潮流方程約束為等式約束，以負荷電壓、補償容量等運行限量為不等式約束。年支出費用包括補償設備的年運行維護費、投資的回收、補償電容的有功損耗和補償后10kV網(wǎng)線損而支付的能損費用。總的有功損耗由兩部分組成:(1)因有功電流的流動產(chǎn)生，(2)由無功電流的流動產(chǎn)生。通過在線路上安裝補償電容器，能夠減小無功電流，從而減小無功電流的流動引起的有功損耗。對網(wǎng)絡中除電源節(jié)點外的所有節(jié)點實施此算法，按照每個節(jié)點補償最佳容量后降低的有功線損，由大到小排列，即可得候選的補償節(jié)點。此系統(tǒng)利用遺傳算法對得到候選的補償節(jié)點來求解補償節(jié)點及補償容量 ，補償點只能選在節(jié)點處。而這些節(jié)點有可能不是最佳補償點，為此系統(tǒng)提出基于非節(jié)點的補償算法，即利用遺傳算法并行尋優(yōu)的特點，在每個補償節(jié)點的上接和下接支路中，按電線桿的位置，增加相應節(jié)點(稱為非節(jié)點)，以節(jié)點與非節(jié)點的電氣距離作為控制變量集，再利用遺傳算法求出最佳補償位置及補償容量。通過算例分析顯示在不增加無功補償設備費用的前提下，這種“非節(jié)點”補償方式能進一步提高電壓水平及降低線損。

2.補償位置確定

無功補償裝置安裝地點的選擇應符合無功就地平衡的原則，盡可能減少主干線上的無功電流為目標。不同電容器組最佳裝設位置的計算公式如下：Li=(2i/2n+1)L式中，L為線路長度，n為電容器組數(shù)，Li為第i組電容器的安裝位置，i=1……n通過測算，根據(jù)實踐中經(jīng)驗，一條線路安裝一臺無功補償柜一般安裝在線路負荷三分之二處。通過合理配置無功補償容量，選擇電容器最佳裝設地點，能改善電壓質(zhì)量，還能降低線路損耗。一般地說，配電線路上電力電容器安裝組數(shù)越多，降損效果越明顯，但相應地增加了運行維護的工作量，同時也增加了補償設備的投資成本上升。因此，一般在負荷分布相對均勻的線路上，安裝1組電容器比較好，最多不超過2組。由于桿上安裝的并聯(lián)電容器遠離變電所，容易出現(xiàn)保護不易配置、控制成本高、維護工作量大、受安裝環(huán)境和空間等客觀條件限制等工程問題。因此，桿上無功優(yōu)化補償必須結(jié)合以下實際工程要求來進行：

(1)補償點宜少，一條配電線路上宜采用單點補償，不宜采用多點補償;(2)控制方式從簡。桿上補償不設分組投切;

(3)補償容量不宜過大。補償容量太大將會導致配電線路在輕載時的過電壓和過補償現(xiàn)象;另外桿上空間有限，太多的電容器同桿架設，既不安全，也不利于電容器散熱，線路分散補償電容器組容量應控制在150kV及以下;

(4)接線宜簡單。最好是每相只采用一臺電容器裝置，以降低整套補償設備的故障率;

(5)保護方式也要簡化。主要采用跌落熔斷器和氧化鋅避雷器分別作為過流和過電壓保護，其熔斷器的額定電流按電容器組額定電流的1.43～1.55倍選取;150kVar以上時應采用柱上斷路器或負荷開關(guān)自動控制。

3.無功補償技術(shù)要求

①泄漏比距：≥24mm/kV。②額定電壓：10.5kV，最高工作電壓：12kV。③接線型式：單星型，中性點不接地。④所有連接：銅排或銅絞線(銅編織線)，引出端子銅材。⑤電容器組帶自放電電阻：電容器組的剩余電壓在5分鐘之內(nèi)由工作電壓降至50V以下，10分鐘之內(nèi)放電完畢。⑥箱體：不銹鋼。⑦鐵構(gòu)件：鍍鋅。⑧投切開關(guān)：高壓真空接觸器。⑨線路用電流互感器：LZKW-10型開啟式。⑩電容器保護：過流、過流速斷、過電壓、欠電壓、零序、電容器放電時間禁合。測量精度:電壓電流±0.5%。控制功能:功率因數(shù)控制電容器投切。統(tǒng)計功能：日最高最低電壓、電流、功率因數(shù)，電容器投切前后運行數(shù)據(jù)，運行電容器運行時間。遠程通信和抄表：RS485接口，實現(xiàn)當前運行數(shù)據(jù)下載、整定值下載修改上傳、遙控投切、統(tǒng)計記錄下載。本期采用近距離射頻無線通訊方式。數(shù)據(jù)管理軟件：具有較完善的設備管理和通訊、分析、打印功能。包括：運行數(shù)據(jù)下載:線路電壓、線路電流、線路無功、線路功率因數(shù)、三相電容器電流、電容器累計動作次數(shù)、電容器投入時間、系統(tǒng)時間;整定值或運行參數(shù)下載上傳;遙控投切;電容器投切前后運行數(shù)據(jù)下載;日最高最低電壓、電流、功率因數(shù)數(shù)值及出現(xiàn)時間下載。

4.10kV線路無功補償實例

我們現(xiàn)以1條10kV農(nóng)排線路為例，分別從線路現(xiàn)狀、線路分析、設備選型，節(jié)能分析等方面來說明一下補償效果：該條10kV線路平均負荷為1270千瓦，最高負荷2600千瓦，最低負荷300千瓦，該線路的自然功率因數(shù)cosφ1為0.75，線路上裝設的固定電容器補償容量為180千乏。

該線路是35kV變電站出線的一條10kV配電線路。該線路全長33.93公里，線路供電半徑9.4公里，主干線路導線為LGJ-70，其余為LGJ-50、LGJ-35，其中以LGJ-35居多。主要以范圍內(nèi)農(nóng)業(yè)排灌、大米加工、蔬菜冷儲用電和居民生活用電為主，夏秋季負荷較重，且晝夜及農(nóng)灌期間負荷變化大，雖經(jīng)更換導線增加導線截面，安裝分散式固定無功補償，線損率有了一些降低，但線損的絕對值仍很大，2011年底該條線路的線損率為10.56%。

為了進一步降低線損，提高供電質(zhì)量，公司采用戶外高壓無功自動補償裝置。戶外高壓無功自動補償裝置用在10kV線路上，是無功分散補償?shù)囊环N，由于采用了編碼自動投切的方式，可以根據(jù)負荷的變化自動投切電容器，將線路的無功潮流降到較小的程度，經(jīng)過分析計算，將其安裝在適當位置，可使線路損耗明顯降低，用較少的投資，收到可觀的經(jīng)濟效益。安裝該裝置后，線路末端電壓有所提高。是一般固定無功補償不可替代的產(chǎn)品。

1)該裝置主要特點：

⑴根據(jù)線路無功變化自動檢測、分析計算、控制電容器的投切，當系統(tǒng)停電后再次送電設備自動檢測并進入控制狀態(tài);

⑵采用電壓無功綜合控制，比功率因數(shù)控制更科學更準確(有些線路無功很小但功率因數(shù)卻很低，如果采用功率因數(shù)控制就會投電容器造成過補，也可能出現(xiàn)末端電壓“翹辮子”或電網(wǎng)諧振等危害)。

⑶ 率先在國內(nèi)實現(xiàn)了分級、多級編碼投切，使得高壓線路的無功補償更為精確;

⑷可通過無線通訊模塊、GPRS和CDMA等通訊方式實現(xiàn)近程控制或遙測遙調(diào)(便于運行管理和數(shù)據(jù)采集)。

2)結(jié)構(gòu)和工作原理

裝置結(jié)構(gòu)主要由電容器、控制器、真空接觸器、電壓互感器和電流互感器、濾波裝置、戶外跌落式熔斷器六部分組成?？刂破鞲鶕?jù)電壓互感器和電流互感器的實時數(shù)據(jù)進行處理和判斷，控制電容器的投切。真空接觸器接收和執(zhí)行來自控制器的指令，完成電容器的投切動作。戶外跌落式熔斷器對裝置進行短路保護，一旦裝置有短路故障，跌落式熔斷器立刻跳開，防止對裝置和線路造成損害。

為了切實了解戶外高壓無功自動補償裝置的功能和使用方法，我們與供電局的技術(shù)人員進行了技術(shù)交流，并針對該線路的實際負荷情況制定技術(shù)方案，同時現(xiàn)場實際勘察，針對此線路較長，分支負荷較大，負載的自然功率因數(shù)較低的情況，確定采用兩點集中補償。

2011年6月，該線路戶外高壓無功自動補償裝置進行了安裝調(diào)試，調(diào)試后即投入運行。 設備投運后，從變電站到線路出口的功率因數(shù)明顯提高，由 0.75提高到 0.95、線路末端電壓升高了200V、線路無功下降了600kVar(該數(shù)據(jù)為投運時現(xiàn)場讀得)，經(jīng)過半年的試運行，設備運行正常，確實達到了減少線損，提高供電質(zhì)量的設計目的。

5.節(jié)能效益分析

我們知道線損和電流的平方成正比。輸電線上的電流越大，線路損失就越大，如果我們在不改變電網(wǎng)輸送能力的前提下，提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，就能夠有效的減小輸電線上的無功電流，也就能有效減小線損。如果安裝點功率因數(shù)從cosφ1提升到cosφ2 ，安裝點補償后的電壓U2將稍大于補償前電壓U1，為分析問題方便，可認為U2≈U1=U，則當線路上的電流減少為I`。

在10KV線路系統(tǒng)當中，各類非線性電力設備消耗無功功率是比較大，尤其是運行當中的變壓器，對無功容量的消耗是比較大的，用戶終端的感應電動機也是無功電能消耗的主要單元，如果10kV線路系統(tǒng)的無功消耗過多，無功補償設備不合理及不準確的時候，對整個線路系統(tǒng)的功率因數(shù)均有影響，不能維持線路的高質(zhì)量輸送水平，使得電能消耗較多。在10kV線路電網(wǎng)當中，無功補償所帶來的經(jīng)濟效益是比較高的，并且應該盡量將無功補償點選在線路終端位置，降低符合無功功率的損耗，并增強功率因數(shù)，有效降低線路損耗，這樣可取得較為明顯的經(jīng)濟效果。

在方案設計和配置時，應充分考慮負荷的變化和分布，一方面首先要做好用戶低壓側(cè)就地集中補償，在此基礎(chǔ)上再采用多點、多級的高壓無功補償裝置，即按線路的無功負荷分布，設置2個或3個以上的高壓補償點，補償裝置采用單級容量較小、步長最短，2級以上的高壓無功補償裝置為好?；蛘咄ㄟ^采用調(diào)整電容器受電電壓的方式來調(diào)整補償容量(Q=2πfCU2)

通過無功補償裝置的安裝可行性分析，無功裝置的安裝是非常必要的，不僅能有效提高線路的補償容量，降低線路能量的消耗，還能用較少的資金投入獲得較大經(jīng)濟效益，增強了10kV線路運行的可靠安全性。在分析其他線路的時候，也可通過這類計算公式來分析線路的無功補償情況，并對無功補償裝置的可行性進行分析研究，確定需要補償?shù)臒o功裝置型號，選擇恰當?shù)难a償型號，獲得最大的投資效益，增強電力企業(yè)綜合競爭能力。

6. 管理與維護

無功補償裝置安裝后，需要使用筆記本電腦進行現(xiàn)場在線動態(tài)管理，調(diào)出歷史資料，查看裝置是否按照設置方式和參數(shù)進行自動投切。還要從變電站觀察補償裝置投、切時線路上功率因數(shù)和電流是否發(fā)生了變化，達到預期的效果。如不理想，應該分析原因，調(diào)整設置參數(shù)，甚至調(diào)整定補和自補容量。是為了做好無功管理工作的保障，必須編寫詳細，責任明確，達到閉環(huán)管理。要從補償裝置計劃提出開始，到對設備的技術(shù)要求、選型定貨、驗收試驗、安裝施工、運行管理、維護檢修、拆遷移位等每個環(huán)節(jié)都要落實到相關(guān)部門，責任到人。 (1)無功補償裝置的運行情況可以從調(diào)度自動化月報表中或變電站運行月報表中反映出來。(2)無功補償裝置是重要電氣設備之一，應該結(jié)合線路運行每月檢查一次。

(3)使用紅外線測溫儀測量電容器外殼溫度(特別是在夏季)，并做好測量記錄。

(4)補償裝置主機套管、電容器套管、絕緣子、跌落式熔斷器、避雷器及支架等，應結(jié)合每年春防、秋防停電時進行清掃檢查。

四、結(jié)束語

從目前無功補償技術(shù)來看，有一部分技術(shù)趨于穩(wěn)定和成熟，在10kV配電網(wǎng)應用中取得了良好的效果，但仍存在較大的改進空間。因此，這要求我們廣大電力工作者具備與時俱進的精神，積極探索配電網(wǎng)無功補償技術(shù)措施與方案，將技術(shù)應用于實踐當中時，需要具體問題具體分析，使無功補償技術(shù)更加完善，更加成熟，從而有效地實現(xiàn)電網(wǎng)降損節(jié)能的目的，促進企業(yè)經(jīng)濟效益的提高。

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[7]王孔良. 用電管理. 中國電力， 2007

作者簡介

1、汪茂盛，男，長期從事無功電壓諧波管理，供職：國網(wǎng)四川省電力公司涼山供電公司

2、曾云，女，長期從事無功電壓諧波管理，供職：國網(wǎng)四川省電力公司涼山供電公司

3、李振華，男，長期從事無功電壓諧波管理，供職：國網(wǎng)四川省電力公司涼山供電公司