電力系統(tǒng)容性無功問題及其補償策略

陳建堂

摘要：要想解決電力系統(tǒng)容性無功問題，必須得搞清楚為什么會產生容性無功。本文通過尋找電力系統(tǒng)容性無功的產生機理并加以分析，總結一些可行性補償策略。

關鍵詞：電力系統(tǒng)；容性無功；補償策略；

中圖分類號：TM7文獻標識碼：A文章編號：1674-3520（2014）-06-00269-02一、引言

根據(jù)三相交流電的供電特性，電力系統(tǒng)交流輸電工程中的電壓、電流、功率有有功分量和無功分量兩種。而電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及輸電線損的大小直接受到無功分量的大小。而無功分量又可以分為感性無功和容性無功。電力系統(tǒng)中的輸電線路和電纜在作業(yè)時都會無可避免地產生容性無功。尤其是近年來城市電網改造工作的不斷深入，城網的配電網絡基本上都是由高壓電纜組成。然而高壓電纜產生的容性無功對配網的安全經濟運行造成了嚴重影響。

二、電力系統(tǒng)容性無功產生的機理

（一）長線充電無功：我們可以把架空線路(尤其是高壓、超高壓線路）看做是一個電容。其輸電線路長度可達幾百甚至上千公里，而且導線大多數(shù)采用的是分裂導線，其等效面直徑將近1米，因此我們可以將這整條線路看做是一個面積可達上千平方米的巨大電容器，而導線就是極板。根據(jù)公式：

C=KεS/L

C——電容器電容：K——常數(shù)：ε——介質介電常數(shù)：S——極板面積：L——極間距離

我們可以看出，對于高壓線路這樣的特殊電容器來說，極間距離雖然相對較遠，空氣的介電常數(shù)也并不高，然而僅僅一個極板距離（S)就可以決定其產生巨大電容。

作為輸電設備，輸電線和電纜都是電力系統(tǒng)中的容性無功設備，其產生的容性無功功率相當驚人，嚴重影響電力系統(tǒng)的正常運行。特別是當電力系統(tǒng)超負荷運行時，下路末端的電壓升高是線路無法正常工作，嚴重時甚至導致電力系統(tǒng)的崩潰。我國的高壓線路在最開始建成時，由于沒有充分考慮到末端電壓升高的問題，結果在線路投入使用后不久就不能夠正常運行，經過長期的問題排查和相關研究后，通過安裝補償設備，問題才得以解決。

（二）電力電纜充電無功：由于受土地資源的限制和供電線路走廊的制約，在城市高壓輸電系統(tǒng)中經常使用電力電纜來代替架空線路。但因為電力電纜芯線相間，對地距離較近，絕緣物介電常數(shù)又相對較高，如此一來，根據(jù)上述公式可知，也會產生較大的電容。例如某水廠采用的是YJV22-3x240電纜，電壓為10kV，全長6㎞，電容為0.41μF/km，以月為單位計算，每個月將近有6萬kw?h的無功電量產生，而每個月該線路的計量表上所顯示的數(shù)據(jù)卻只有60kw?h，用戶需要補繳的功率因數(shù)調整電費遠遠超過有功電量的電費，這對于用戶來說確實是心存疑惑，由于電纜線路電容將近是架空線路的20-30倍，因此電纜線路的充電功率相當大，長時間運行會吸入大量無功電量。

（三）風電場普遍存在容性無功過剩現(xiàn)象：由于風電場的高壓電纜長度大，布置比較分散等特點，容性無功過剩普遍存在。根據(jù)國家電網的規(guī)定，要求其配置的容性無功容量在滿足風電場滿發(fā)時輸出線路一半的耗感性無功損的情況下還應能補償并網點以下風電場匯集系統(tǒng)及主變壓器的感性無功損耗，以達到其配置的感性無功容量能夠補償風電場輸送線路的充電無功功率。

三、電力系統(tǒng)容性無功的特點

電網結構固定后其容性無功相對固定

一條輸電線路一旦設定并建造完成，其線路長度、地線和導線的排列方式就被固定下來，其對地電容就不會再有太大的變化。只有在電壓發(fā)生變化時，其充電無功功率才會發(fā)生相應的變化。根據(jù)電壓質量標準，規(guī)定高壓以及超高壓的系統(tǒng)的運行電壓一般不超過額定電壓±7%的變化，為保證電壓能夠達到規(guī)定標準，要根據(jù)負荷、發(fā)電量及運行方式及時調整系統(tǒng)調度。影響電力電纜充電無功的因素有三個：電纜長度、芯線截面大小和介質介電常數(shù)。例如，城市一110kV變電站系統(tǒng)，其10kV輸電線路總長80km，那么它容性充電功率在1350～1500千瓦之間而基本上不會發(fā)生太大變化。

四、電力系統(tǒng)容性無功補償?shù)牟呗?/p>

從電力系統(tǒng)容性無功產生的機理上來看，配電網消耗的無功功率最多，其他各級網絡和輸電設備也有相應的損耗。為了將無功功率的傳輸損耗降到最低，合理地對無功補償設備的配置進行布局安排,最大限度地提高輸配電設備的工作效率,有人提出了“就地平衡，分級補償”的原則，其具體內容如下：

（一）總體平衡與局部平衡相結合：試想，如果無功電源的布局不合理，而補償容量和補償位置也設計得不得當，就會導致局部區(qū)間的無功電力不平衡，從而造成電網的功率和電能的大量損耗。因此，在電網的設計過程中，首先要考慮的是根據(jù)變電所的要求，保證10kV 配電線路的無功電力平衡。只有在總平衡的基礎上，研究各個局部的補償方案，才能更好地對容性無功起到補償作用。

（二）電力部門補償與用戶補償相結合：由于在配電網絡中，不僅僅是在配電網中存在無功功率的消耗，而且用戶也在消耗無功功率，并且用戶的無功功率消耗要遠大于配電網中的無功消耗，鑒于此，應該采取電力部門補償與用戶補償相結合的補償方式。

（三）集中補償與分散補償相結合：集中補償，是指在變電所集中配置大容量的電容補償設備，主要是針對主變壓器本身的無功進行補償；而分散補償，指的是在配電網絡中分散的負荷區(qū)進行的無功補償，主要包括對配電線路，配電變壓器和用戶的用電設備進行補償。

（四）降損與調壓相結合：通過電容器的并聯(lián)方式可以進行無功補償從而就地平衡無功電力，減少無功損耗。同時對電容器進行分組，適當調整電壓，改善電壓的質量。

五、無功負荷的最優(yōu)補償

（一）變電所無功負荷的最優(yōu)補償：變電所一般都會配備兩臺變壓器，根據(jù)就地補償?shù)脑瓌t，可以將變電所的補償電容器組分為兩組，結合網內無功電流的分布以及配電線路和用戶的無功補償水平來考慮，其容量一般均能夠滿足輕載無功負荷及平均無功負荷的需求，一般可將主變壓器容量控制在10%-15%左右。

（二）配電線路無功負荷的最優(yōu)補償：由于在電力系統(tǒng)中，輸送的有功功率一般都是一定的，基本沒有太大變化，因此，無功功率的損耗決定了總功率損耗的多少，在網絡結構固定且輸送的有功功率一定的情況下，輸送的無功功率越大，總的功率損耗就越大。而負荷功率因數(shù)的高低，直接決定了無功功率的大小。負荷功率因數(shù)越低，則負荷所需要無功功率越大。其中功率因數(shù)與無功功率，有功功率和線損之間的關系可以用下面的等式表示：

（kW）

其中：

△P——有功功率損耗：P——有功功率（kW）：R——線路額定電阻（Ω）：U——線路額定電壓（kV）：cos——線路功率因素

該式清晰地展示了線路有功功率損耗（△P）與線路功率因數(shù)（cos）成反比的關系，即，線路功率因素越高，則線路有功功率損耗越小，從而可以通過提高線路功率因素來減少線路有功功率損耗。

（三）配電變壓器的無功補償

針對后半夜時電力電纜處于低容負荷狀態(tài)從而使整個輸電系統(tǒng)出現(xiàn)容性無功過剩的情況，經調查研究發(fā)現(xiàn)，其主要是由變壓器的有功損耗和無功損耗造成的，利用配電網線損理論計算配電變壓器的無功損耗可知，所占比例約是配電網總損耗的60%。綜合各方面的因素進行考慮，對200kVA以上的配電變壓器可以安裝自動跟蹤補償裝置，而對于容量在200kVA以下的配電變壓器，可以根據(jù)掌握配變容量的5%左右來進行靜態(tài)無功補償。

六、結語

對電力系統(tǒng)容性無功問題采取補償措施，可以起到節(jié)能的作用，符合我國建設資源節(jié)約型社會的道路。本文通過對電力容性無功的產生機理進行探究，總結了一些補償性策略，希望在實踐運用的過程當中具有可行性并發(fā)揮功效。

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