關于電力系統電壓與無功補償問題探討

王云霞

摘要：在電力系統中存在許多的感性負荷和非線性裝置，這些負荷需要消耗大量的無功功率。無功功率對電網具有嚴重的影響。為了確保電網的電壓質量，降低網損，保持電壓穩定，這就需要控制其管轄范圍內的各級變電站，使電網的電壓合格，并實現無功就地平衡。本文闡述了無功功率補償概念，電壓無功功率控制應具有的主要設備，以及電壓無功功率的控制對策進行了探討。

關鍵詞：電力系統無功功率變電站分層平衡

電力系統中無功補償對電力系統的重要性越來越受到重視，合理地投停使用無功補償設備，對調整電網電壓、提高供電質量、抑制諧波干擾、保證電網安全運行都有著十分重要的作用。如果系統無功電源不足，則會使電網處于低電壓水平上的無功功率平衡，即靠電壓降低、負荷吸收無功功率的減少來彌補無功電源的不足。同樣，如果由于電網缺乏調節手段或無功補償元件的不合理運行使某段時間無功功率過剩，也會造成整個電網的運行電壓過高。因此，要維持整個系統的電壓水平，就必須有足夠的無功電源來滿足系統負荷對無功功率的需求和補償線路和變壓器中的無功功率損耗。

一、無功功率就地補償的概念

無功補償裝置的分布，首先要考慮調壓的要求，滿足電網電壓質量指標。同時，也要避免無功功率在電網內的長距離傳輸，減少電網的電壓損耗和功率損耗。無功功率補償的原則是做到無功功率分層分區平衡，就是要做到哪里有無功負荷就在那里安裝無功補償裝置。這既是經濟上的需要，也是無功電力特征所必需的，如果不這樣做，就達不到最佳補償的目的，解決不了無功電力就地平衡的問題。

二、無功功率的平衡

在電力系統中，頻率與有功功率是一對統一體，當有功負荷與有功電源出力相平衡時，頻率就正常，達到額定值50Hz，而當有功負荷大于有功出力時，頻率就下降，反之，頻率就會上升。電壓與無功功率也和頻率與有功功率一樣，是一對對立的統一體。當無功負荷與無功出力相平衡時，電壓就正常，達到額定值，而當無功負荷大于無功出力時，電壓就下降，反之，電壓就會上升。電壓與無功功率之間的關系要比頻率與有功功率之間的關系復雜得多，大體上有以下幾點：

2.1在一個并列運行的電力系統中，任何一點的頻率都是一樣的，而電壓與無功電力卻不是這樣的。當無功功率平衡時，整個電力系統的電壓從整體上看是會正常的，是可以達到額定值的，即便是如此，也是指整體上而已，實際上有些節點處的電壓并不一定合格，如果無功不是處于平衡狀態時，那么情況就更復雜了，當無功出力大于無功負荷時，電壓普遍會高一些，但也會有個別地方可能低一些，反之，也是如此。

2.2壓器和架空線路在傳送電能時需要消耗大量的無功，稱為“無功損耗”，一般來說，這些無功損耗與整個電網中的無功負荷的大小是差不多的，我們以一臺50MVA的110kV變壓器為例來了解變壓器在運行中的無功損耗情況。

變壓器的參數為：Ue=110kV，Se=50MVA，Uk％=17％，變壓器在傳送電能時的無功損耗的計算式為：

Q=SeUk％(I／Ie)2

式中I—變壓器的負荷電流；

Ic—變壓器的額定電流，與變壓器的無功損耗與變壓器的負載率、變JE器的額定容量及短路阻抗有關。

如果這臺變壓器滿負荷運行，那么它的無功損耗就是：Q=50MVA×17％=8.5Mvar

此時變壓器的無功損耗相當大，其低壓側安裝的并聯電容器組的容量甚至不夠補償變壓器滿負荷時的無功損耗。

2.3無功功率不宜遠距離輸送，當輸送功率與傳送距離達到一定極限時，其傳送功率成為不可能，這是由于超高壓等級的變壓器、線路電抗較大，其無功損耗Q=I2X相應也很大，所輸送的無功功率均損耗在變壓器及線路上了。另外，傳送大量的無功功率時，線路電壓損失也相當大，同樣會造成無法傳送的結果。

三、各種無功補償設備及補償方式

3.1同步調相機

同步調相機實質上是一種不帶機械負載的同步電動機，它是最早采用的一種無功補償設備，在并聯電容器得到大量采用后，它退居次要地位。其主要缺點是投資大，運行維護復雜。因此，許多國家不再新增同步調相機作為無功補償設備。

調相機可以安裝強行勵磁裝置，當電網發生故障時，電壓劇烈降低，調相機可以強行勵磁，保持電網電壓穩定，因而提高了系統運行的穩定性。電容器輸出無功功率與運行電壓的平方成正比，電壓降低，輸出的無功將急劇下降，比如，當電壓下降10％，變為0.9Ue時，電容器輸出的無功功率變為0.81Q，即其輸出的無功功率將下降19％，所以，電容器此時不能起到穩定系統電壓的作用。

3.2并聯電容器

作為無功補償設備，電容器有以下顯著優點：電容器的損耗低，效率高。現代電容器的損耗只有本身容量的0.02％左右。調相機除了本身的損耗外，其附屬設備還需用一定的所用電，損耗2％～30％，大大高于電容器；電容器是靜止設備，運行維護簡單，沒有噪音。調相機為旋轉電機，運行維護很復雜；并聯電容器是電網中用得最多的一種無功功率補償設備，目前國內外電力系統中90％的無功補償設備是并聯電容器。

3.3并聯電抗器

并聯電抗器是一種感性無功補償設備，它可以吸收系統中過剩的無功功率，避免電網運行電壓過高。為了防止超高壓線路空載或輕負荷運行時，線路的充電功率造成線路電壓升高，一般裝設并聯電抗器吸收線路的充電功率，同時，并聯電抗器也用來限制由于突然甩負荷或接地故障引起的過電壓從而危及系統的絕緣。

在無功電源充裕的系統中，應該大力推廣有載調壓變壓器，這是在各種運行方式下保證電網電壓質量的關鍵手段之一。隨著我國經濟的發展和人民生活水平的提高，電網負荷的峰谷差也越來越大，線路、變壓器上高峰負荷與低谷負荷產生的電壓損耗的差別，已經大到無法僅僅用發電機調壓或無功補償的方法來滿足兩種運行方式下用戶電壓的要求了，其結果不是高峰負荷時用戶電壓太低，就是低谷負荷時電壓太高。在這種情況下，輸電系統中的一級變壓器或多級變壓器，采用有載調壓是保證用戶電壓質量最有效的辦法。

參考文獻：

[1]蔡學敏，蔡益宇.淺談變電站VQC裝置應用中存在的問題及對策浙江電力，2005

[2]吳鐘飛，劉滌塵.電壓無功功率控制裝置在變電站中的應用.廣東電力，2005