無功功率補償技術特性的應用

白振書

（河北寶碩股份有限公司氯堿分公司，河北保定071051）

無功功率補償技術特性的應用

白振書

（河北寶碩股份有限公司氯堿分公司，河北保定071051）

通過分析地區城網低壓線損情況，介紹了城網無功補償的必要性、補償方式及補償后的經濟效益。

無功補償；線損分析；經濟效益

1 理論依據

接在電力系統中的許多用電設備是根據電磁感應原理工作的，多屬感性用電設備，除吸收電力系統的有功功率做功外，用電設備在能量轉換過程中還需要大量的無功功率。這些無功功率經過多級電力線路和變壓器的輸送和轉換，又造成無功功率的損失，使電網功率因數下降，發、供電設備出力降低電網電壓波動，增大線路損失，同時功率因數低，也加大了用戶的電費開支。因此，解決好配電網絡無功補償的問題，對電網的安全和降損、節能有著重要的意義。

一般配電網無功補償方式有變電站集中補償方式、低壓集中補償方式、桿上無功補償方式和用戶終端分散補償方式。

功率因數是由負荷的性質和有功功率在視在功率中占的分量決定的。在感性負荷的電路中，功率因數值在0~1.0之間變化，即0＜cos?＜1。如果用戶負荷所需的無功功率(包括變壓器的無功功率損耗)都能就地補償、就地供應，供電可變損失就可以大為降低，電壓質量也能相應得到改善，補償原理見圖1。

圖1中，Q1為補償前系統需要的無功功率；Q2為補償后系統中需要的無功功率；P1為補償前系統中最大可能輸送的有功功率；P2為補償后系統中最大可能輸送的有功功率。

設線路或設備可能輸送的視在功率為S，安裝電容器Q后，提高了功率因數，在視在功率S不變的條件下，使輸送有功功率的能力增加了△P。

可以推導出當輸送的有功功率和電壓不變時，供電線路和變壓器的損耗降低百分數△P（%）可用下式計算：

△P=[1-（cos?1/cos?2）2]×100%

由此，可以說明當cos?由0.8增加到0.95時，有功功率損耗降低可達29%，裝1 kW電容器可節省供電設備容量0.52 kW。換言之，裝1 kW電容器可多供0.52 kW有功功率。對原有設備而言，相當于增大了發、供電設備的容量，挖掘了原有電力設備的潛力，節約了用戶的電力投資。

2 無功補償的運用

目前，城區利用箱式變安裝及維護簡便的特點，普遍采用的無功補償方式是低壓集中補償，在配電變壓器380V側進行集中補償，可采用微機控制的低壓并聯電容器柜，容量為幾十至幾百千瓦不等，根據用戶負荷水平的波動投入相應數量的電容器進行跟蹤補償。主要目的是提高功率因數，實現無功的就地平衡，對配電網和配電變的降損有一定作用，也有助于保證用戶的電壓水平。

目前，部分地區現有的無功補償裝置多采用晶閘管投切電容器靜止無功補償裝置，晶閘管投切電容器靜止無功補償裝置的單相原理圖如圖2所示。

圖2中的2個反并聯晶閘管只是起到將電容器并入電網或從電網斷開的作用，而串聯的小電感只是用來抑制電容器投入電網時可能造成的沖擊電流。在工程實際中，一般將電容器分為幾組，每組都可由晶閘管投切。這樣可根據電網的需求投切，單獨使用時只能作為無功功率電源，發出感性無功，且不能平滑地調節輸出功率。由于晶閘管對控制信號的響應極為迅速，通短次數又不受限制，其運行性能明顯優于機械開關投切的電容器。

晶閘管投切電容器靜止無功補償裝置的關鍵問題是投切電容器時刻的選取。經多年分析和實驗研究，其最佳投切時刻是電源電壓與電容器預充電電壓相等的時刻，此時投切電容器，電路沖擊電流為零。為保證更好投切電容器，必須對電容器預先充電，充電結束后再投入電容器。

靜止補償器最重要的特點是，能維持其端電壓實際上不發生變化。當電壓變化時，靜止補償器能快速平滑地調節無功功率，以滿足動態無功補償的需要。

城市供電密度較大，在用電高峰時，其末端電壓偏低，加裝無功補償裝置，網絡中的電抗減少，電壓損失相應減少，線路末端電壓相應得以提高。

以一條10 kV配電線路來進一步分析高、低壓無功補償的不同效果。設一條10 km長的10 kV配電線路，導線為LGJ-120，在其末端有1臺1 000 kVA的配變，帶有1 000 kVA、cos?=0.7的負載。無功補償分A、B 2種方式配置，A為低壓側就地補償700 kW；B為10 kV線路中部補償700 kW。分析計算結果見表1。

表1 線路有功損耗比較表

從表1中數據看出，在用戶端低壓側就地無功補償效果較好，可減小有功功率損耗1.86個百分點。因此得出結論，在配電網中，無功補償應以低壓側就地補償為主，以高壓線路中的補償為輔。

3 電容補償容量的選定

補償容量的選擇，要根據變壓器的負載率和容量以及線路的負荷決定。原則是，輕負荷時不能向系統倒送無功，節能效益達到最大。輕負荷時，不同配變所需補償容量不同，當補償容量等于低壓側平均無功負荷時，節能效益最大。綜合考慮高峰所需容量和節能效益，可按配變容量計算。

根據功率因數定義，可分別算出補償前和補償后最大負荷時的功率因數。

式中：Pj—全企業的有功計算負荷，kW；

Qj—全企業的無功計算負荷，kW；

Qc—全企業的無功補償容量，kW；

Sj、S′j—全企業補償前、后的視在計算功率，kVA。

（3）求補償容量

還可以通過簡單的計算得到其補償容量。

（1）變電所集中裝設的補償容量可以按照主變容量的20%～40%來配置，隨負荷變化自動投切進行補償。

（2）配電線路上的分散補償容量可以按照“三分之二”法則來選擇。即在均勻分布負荷的配電線路上，安裝電容器的最佳容量是該線路平均負荷的2/3；

（3）電動機就地補償以不超過電動機空載時的無功消耗為度，配變低壓側電容器補償要防止輕負荷時向10 kV配電網倒送無功。

4 無功補償經濟計算

4.1 無功補償降低線損的經濟效益分析

電力網電能損耗（簡稱線損），是電網經營企業在電能傳輸和營銷過程中自發電廠出線起至客戶電度表止所產生的電能消耗和損失。線損率是衡量線損高低的指標，它綜合反映了電力系統規劃設計、生產運行和經營管理的水平，是電網經營企業的一項經濟技術指標。

線損率=[（供電量-售電量）/供電量]×100%。

無功補償由于提高電壓，減少了線路上的無功流動，降損效果明顯。線損率為線損電量占供電量的百分數，它是供電局的一個重要考核指標。無功補償對改善線損率效果明顯。

4.2 計算方法

式中：ΔE—降損電量，kW·h；

ΔPmax—最大負荷降損功率，kW；

ΔPar—線損計算時段內的平均功率損失，kW；

F—損失因子；

T—電容器投運時間，h。

（2）式中的電流平方的平均值I2rms，一般以典型日負荷曲線計算。

5 無功功率補償的經濟效益

5.1 改善功率因數可減少電費

根據國家水電部、物價局頒布的“功率因數調整電費辦法”以下3種功率因數標準值，相應減少電費。

（1）功率因數標準為0.90，適用于160 kVA以上的高壓供電工業用戶（包括社隊工業用戶），裝有帶負荷調整電壓裝置的高壓供電電力用戶、320 kVA及以上的高壓供電電力排灌站。

（2）功率因數標準為0.85，適用于100 kVA（kW）及以上的其他工業用戶（包括社隊工業用戶）、100kVA（kW）及以上的非工業用戶和100 kVA（kW）及以上的電力排灌站；

（3）功率因數標準為0.80，適用于100kVA（kW）及以上農業用戶和躉售用戶，但大工業用戶未劃由電業直接管理的躉售用戶，功率因數標準應為0.85。

根據計算的功率因數，高于或低于規定標準值時，在按照規定的電價計算出當月電費后，再按照“功率因數調整電費表”所規定的百分數增減電費。如用戶的功率因數在“功率因數調整電費表”所列兩數之間，則以四舍五入計算。

電度電費是指動力電費，不包括照明電費，照明是不收動力電費的。對于低壓計量的用戶，電度電費中還包括線損電費和變壓器的有功損失電費。高壓計量的用戶當變壓器的容量超過315 kVA時，收基本電費，基本電費是按變壓器的容量來收取的。

例：某客戶3月份有功電量150萬kW·h，無功電量65萬kW·h，電費為422 290元，該客戶執行0.90標準。根據功率因數調整電費辦法，則該客戶相應減少電費如下。

cos?=cos[arctg(65/150)]=0.92，由于客戶實際功率因數大于考核標準值，電費減少0.3%。功率因數調整電費=422 290×（-0.3%）=-1 266.87（元）

根據“辦法”，補償后的功率因數以分別不超出0.95、0.94和0.92為宜，因為超過此值，電費并沒有減少，相反地，初次設備增加是不經濟的。

5.2 改善電壓質量

線路中電壓損失ΔU的計算公式：

式中：P—有功功率，kW；

Q—無功功率，kvar；

U—額定電壓，kV；

R—線路總電阻，Ω；

XL—線路感抗，Ω。

由上式可見，當線路中無功功率Q減小以后，電壓損失ΔU減小，有利于系統電壓的穩定，提高用電質量，改善設備運行條件，可保證設備在正常條件下工作，有利于安全生產。另一方面，在供電質量范圍內合理提高電壓，在保證供電質量的同時會增加售電量，對供電部門增供拓銷具有極大意義。

5.3 提高輸、變電設備的供電能力

當輸配電線路的導線截面一定時，它輸送的經濟電流就為一定值。合理加裝無功補償設備，提高功率因數后，可使線路輸送的無功電流大量減少，從而“釋放"出富余容量，增加供電能力。

如圖1所示，由于有功功率P＝S·cos?，當供電設備的視在功率S一定時，如果功率因數cos?提高，即功率因數角由?1到?2，則設備可以提供的有功功率P也隨之增大至P+ΔP，可見設備的有功出力提高了。

在有功功率一定的情況下，提高功率因數，會使系統總電流大大降低，使配電設備的容量得到釋放。在工作實踐中，經常遇到用戶變壓器的容量不足，通過無功補償可以使變壓器的容量得到充分釋放，從而有效解決了變壓器容量不足的問題，使用戶得到實惠。

例如：1臺S9-1 000 kVA的變壓器，功率因數由0.80提高到0.95時，可增加有功出力△P=150 kW，可挖掘出的視在功率△S=187.5 kVA。對用戶來說，當現有變壓器的供電能力提高后，可節約增容費、材料費、施工費等投資。

6 結論

選擇合理的無功補償點以及補償容量的確定，能夠有效地維持系統的電壓水平，提高系統的電壓穩定性，避免大量無功遠距離傳輸，從而降低有功網損，減少發電費用。對電力用戶來說，提高功率因數、減少無功電能消耗，對節能降耗具有十分重要的意義，可獲得較大的綜合經濟效益。而且由于中國配電網長期以來無功缺乏，造成的網損相當大，無功功率補償是降損措施中投資少、回報高的方案。

配電網進行無功補償、提高功率因數和搞好無功平衡，是一項建設性的降損技術措施。應更多考慮系統的特點，將4種配電網無功補償方式結合起來進行無功補償。

Application of technicalcharacteristic of reactive power compensation

BAIZhen-shu
(Bosoar Chlor-alkaliBranch,Baoding 071051,China)

The loss statusof low-voltage line of urban power network was analysed.The necessity of reactive power compensation,compensatedmethod and economic profitswere introduced.

reactive power compensation;line lossanalysis;economic profits

book=4,ebook=123

TM714.3

B

1009－1785(2010)07－0030-04

2010-03-16