農村電網無功功率補償的技術探討

陳 進

（臨武縣水利電力有限責任公司 郴州市 424300）

在農村電網中，隨著變壓器和交流電動機等電感性負載的廣泛使用，電力系統內陡增大量感性無功電流，從而導致線路輸送電流增大，因而增加了饋電線路損耗和線路壓降，使電力設備得不到充分利用。目前，最經濟最普遍的方法之一，就是采用并聯電容器組提供電容性電流對電感性電流給予補償，即采取無功功率補償，以改善農網電壓質量,充分發揮設備出力。因此，認真分析無功補償技術，因地制宜合理配置并聯電容器無功補償裝置，符合節能減排要求。

1 無功功率補償的基本原理及作用

1.1 無功補償的基本原理

無功補償的基本原理是：電流在電感元件中作功時，電流滯后于電壓90°，而電流在電容元件中作功時，電流超前電壓90°。把具有容性功率負荷的裝置與感性功率負荷并聯接在同一電路，使兩者的電流相互抵消，使電流的矢量與電壓矢量之間的夾角縮小，能量在兩種負荷之間相互交換。這樣，感性負荷所需要的無功功率可由容性負荷輸出的無功功率來補償。

1.2 無功補償的作用

（1）降低系統能耗。

功率因數的提高，能減少線路損耗及變壓器的銅耗。線路損耗減少的百分數為：

式中cosΦ1、cosΦ2——補償前后功率因數。

當功率因數從0.8提高至0.9時，可求得線路有功損耗降低21%左右。

變壓器銅耗與電流的平方成正比，在輸送功率不變情況下：

式中I1、I2——補償前后變壓器的電流；

銅耗分別為 ΔP1，ΔP2。

當功率因數從0.8提高至0.9時，變壓器銅耗相當于原來的80%。

（2）減少線路壓降。

電網在進行功率傳輸時，電流將在線路等阻抗上產生電壓損耗，電壓損耗計算公式為:△U=（PR+QX）/Un

式中P——線路傳輸的有功功率（kW）；

Q——線路傳輸的無功功率（kvar）；

Un——線路額定電壓（kV）；

R、X——線路電阻、電抗（Ω）。

若保持有功功率恒定，當線路安裝容量為QC的并聯電容器補償裝置后，線路的電壓損耗變為：△U′=[PR+（QQC）X]/Un

可以看出：采取無功補償以后，線路傳輸的無功功率變小，相應地減少了線路電壓的損耗，提高了配電網的電壓質量，有利于系統電壓的穩定。

（3）增加供電功率，減少投資。

對于新建項目來說，功率因數提高后，電流數值下降，供配電線路截面可相應減小，而視在功率值下降，可選用較小容量的變壓器，通過無功補償，可減少設備一次性投資費用，同時也減少了運行后按變壓器容量收取的基本電費。

對于原有供電設備來講，同樣的有功功率下，功率因數提高，負荷電流減小，因此向負荷傳輸功率所經過的變壓器、開關、導線等配電設備都增加了功率儲備，發揮了設備的潛力。

2 農村電網無功補償技術方案

無功補償應遵循“全面規劃,合理布局,分級補償,就地平衡”的原則。

2.1 農村電網無功補償方案比較

2.1.1 變電站集中補償

農村電網變電站集中補償，主要目的是平衡輸電網的無功功率，改善輸電網的功率因數，提高系統終端變電所的母線電壓，補償變電站主變壓器和高壓輸電線路的無功損耗。一般集中在變電站低壓側母線上安裝并聯電容器組，電容器組采用星形接線。

其優點：可以減少主變壓器和輸電線路的無功功率的傳輸，就近補償10 kV配電線路無功負荷，能夠通過電容器組的投切進行電壓調整，集中安裝便于維護。

其缺點：不能全線路減少配電網的無功負荷，降低線損的效果不如分散補償好。

2.1.2 配電線路分散補償

ROV的各項功能是在用戶和ROV之間、ROV內部各軟硬件之間的協作基礎上實現。正確處理這些協作關系是用戶操作軟件的內在設計目標。

在農村電網中，大部分的無功消耗在配變和異步電動機上，還有少部分消耗在線路上，按照分級補償的原則，在考慮了配變的隨器補償之后，將剩余的無功選擇好補償最佳位置和最佳容量，在對應線路上分別安裝能自動投切的電容器組。這種補償方式主要補償的是配電變壓器勵磁無功功率和線路上感抗所消耗的無功功率，特別適合于點多、線長、負荷重、電壓質量差的農村配電網絡，是目前無功補償方式中最有效、最經濟的一種補償方式。

其優點：可以補償配網及配電變壓器的無功功率，顯著地降低農網線損，有效地提高供電電壓。

其缺點：分散安裝維護不便，輕負荷時電壓過高，不易實現及時投切。

2.1.3 低壓配電網無功補償

（1）配電變壓器的隨器補償。

隨器補償是指將低壓電容器通過低壓保險接在配電變壓器二次側，與變壓器同投同切，達到補償配電變壓器無功的補償方式。

其優點：接線簡單、維護管理方便，能有效地補償配變無功，使該部分無功就地平衡，提高配變利用率，降低無功網損，具有較高的經濟性，是目前補償無功最有效的手段之一。

其缺點：隨器補償屬于固定補償方式，降損效果不及隨機補償。

（2）電動機的隨機補償。

其優點：具有最佳調壓和降損效果，投切及時，接線簡單，便于管理。

其缺點：對一些年運行小時少或利用率低的設備，補償電容器利用率不高。

（3）低壓集中補償。

低壓集中補償是指用無功補償自動投切裝置作為控制、保護裝置，將電容器分組并聯裝設在用戶配電變壓器低壓側或配電室的0.4 kV母線上的補償方式。該補償裝置需要具有自動跟蹤投切功能，又稱為低壓跟蹤補償。

其優點：運行方式靈活，運行維護工作量小，利用補償電容器的分組投切，還能進行調壓，改善電壓質量。

其缺點：控制保護裝置復雜、首期投資相對較大。

2.2 農村電網無功補償容量的確定

2.2.1 集中補償容量的計算

（1）變電站集中補償。

（35～110）kV變電站的容性無功補償裝置以補償變壓器無功損耗為主，并適當兼顧負荷側的無功補償，無功補償方式為10 kV母線集中補償。其選擇的補償容量應為主變無功損耗和主變一次側到電源點之間的線路無功損耗之和。即：

式中Qc——變電站無功補償容量；

I0%——變壓器空載電流百分數；

Uk%——變壓器短路電壓百分數；

Se——變壓器額定容量；

XL——每公里線路阻抗值；

L——35 kV或110 kV線路長度（km）；

I——實際運行的35 kV或110 kV線路電流。按照只能欠補不能過補的原則，實際補償容量必須小于計算值。

若缺乏資料時，對（35～110）kV變電站，容性無功補償裝置的容量可按主變壓器額定容量的10%～30%配置，并滿足（35～110）kV主變壓器最大負荷時，其一次側功率因數應不低于0.9，在低谷負荷時功率因數應不高于0.95。

（2）配電線路集中補償。

在10 kV配電線路上安裝高壓并聯電容器，電容器的安裝容量不宜過大，并且在線路最小負荷時，不應向變電所倒送無功，如配置容量過大，則必須裝設自動投切裝置。考慮到運行維護等因素，通常一條配電線路以安裝一組補償電容器為宜，安裝于“2／3”線路處的所謂2/3原則。補償容量可按線路上配變總勵磁無功功率進行補償，補償容量可由下式確定：

式中Qc——線路無功補償容量；

I0%——線路所有配變空載電流百分數的加權平均值；

Sei——單臺變壓器的容量；

XL——每公里線路阻抗值；

If——線路負荷電流；

L——線路長度。

根據運行經驗，一般配電線路集中補償容量約為線路配電變壓器總容量的5%～10%。

（3）低壓集中補償。

低壓集中補償容量不宜過大，電力用戶應以就地補償為主，以低壓集中補償為輔，其容量的確定，新上的用戶可按變壓器容量的30%～40%確定。原有用戶可按下式計算：

式中a——平均負荷系數，可取0.7～0.8；

PJS——計算有功功率；

tgΦ1、tgΦ2——補償前、 后計算負荷功率因數正切值。

2.2.2 低壓就地補償的容量計算

（1）隨器補償。

配電變壓器的無功功率損耗包括空載勵磁損耗和漏磁無功損耗，其補償容量可按下式計算：

式中Qc——變壓器無功補償容量；

I0%——變壓器空載電流百分數；

Uk%——變壓器短路電壓百分數；

Se——變壓器額定容量；

β——變壓器負荷率可取0.7～0.8。

根據運行經驗，一般配電變壓器補償容量約為配電變壓器容量的20%～40%。

（2）隨機補償。

異步電動機的無功補償功率可按其技術參數選擇，以便電機在運行過程中，功率因數在0.90～0.98之間變化。按電動機額定參數計算無功補償容量公式如下：

式中Qc——無功補償容量（kvar）；

Ue——電機額定線電壓（V）；

Ie——電機額定電流（A）；

cosΦ——電動機額定功率因數的正弦值；

K——補償系數，2、4極電動機取0.8，6、8極電動機取0.9。

3 結合實例進行并聯電容補償的效益分析

3.1 無功補償的經濟分析

以一家普通工業用電戶為例，該用戶配變容量：S=100 kVA；有功功率：P=70 kW；功率因數：cosΦ=0.7；每日(按 10 小時)用電量為：A=700 kW·h 。

該用戶未安裝無功補償裝置時，根據電價手冊規定，普通工業用電的功率因數為0.7時，應增收7.5%的功率因數調節電費。如果電能電費按年平均值0.58元/kW·h，則該用戶每天增加的功率因數調節電費為：0.58×700-7.5%=30.45（元），即供電部門對該用戶加收的功率因數調節電費為30.45元。

如果該用戶安裝無功補償裝置，功率損耗將明顯減少。為簡化計算程序，采用無功補償經濟當量來計算無功補償的經濟效益，即每安裝1 kvar的補償電容，相當于降低了多少千瓦的有功損耗。查有關資料知，各種電壓等級的無功補償經濟當量和該用戶補償后的降損功率如附表。

附表 各電壓等級下的無功補償經濟當量和補償后的功率損耗

從以上數據可知，該用戶每天在35 kV、10 kV、0.38 kV線路上減少的有功功率損耗總和為：△P=4.25+1.70+0.48=6.43 kW；

每天減少的損耗電量為：△A=6.43×10=64.30 kW·h；

每天減少損耗電費為：0.58×64.30=37.29元。

該用戶每天減少損耗的有功電量占每天供電量的比例為：

該用戶如果按規定，將現有的用電功率因數從0.7提高到0.85，需安裝電容0.4 kvar/kW，70 kW共需安裝電容容量應為：0.4×70=28.00 kvar。

按目前市場上價格，60元/1 kvar計，購28.00 kvar的電容投資為1 680.00元。

3.2 無功補償的經濟效益比較

經無功補償的經濟分析后，對該用戶作如下經濟效益比較：安裝補償電容后，線損下降了8.41%；安裝補償電容器后，供電部門的經濟效益損失可減少：每天：37.29－30.45=6.84元，每月：按22天計，6.84×22=150.48元，每年：按 264 天計，6.84×264=1 805.76 元。

安裝補償電容后，用戶的經濟損失可減少：每天：30.45元，每月：按 22天計，30.45×22=669.90元，每年：按264天計30.45×264=8 038.80元。用戶購買28 kvar電容器的投資1 680.00元，僅需兩個半月即可收回成本。

據計算，安裝補償電容后，可提高2.83%的低壓末端電壓。增加了配變15 kW的有功出力。

3.3 結 論

從以上的分析和經濟效益比較，當用戶的用電功率因數未達到規定值時，應就地安裝電容補償無功，既可減少供電部門的經濟損失，又可減少用戶的經濟損失，還可以提高線路末端電壓和配變出力，是降損增效的好措施。對企業來說，電容補償更是降低企業成本、提高企業經濟效益的好辦法。

隨著無功補償技術研究的進一步加深，出現了SVC、ASVG晶閘管動態靜止無功補償裝置，它們在改善系統電壓質量，提高穩定性方面具有無法比擬的優點，能有效提高配電網電能質量的綜合指標，改善系統的動態和靜態品質，是今后靜止無功補償技術發展的方向。

1劉文華.采用GTO的新型靜止無功發生器[J].電力系統自動化，1997，（3）.

2姜齊榮，等.采用GTO的±120kvar新型靜止無功發生器[J].清華大學學報，1997.

3米勒.電力系統無功功率控制[M].北京：水利電力出版社，1990.