無功補償技術在低壓配電系統中的應用

孔令俊

摘要：針對目前低壓配電系統功率因數較低，嚴重影響低壓配電系統供電質量的問題，文章首先分析了在低壓配電系統進行無功補償的原理和原則，其次探究了無功補償技術在低壓配電系統的具體應用，最后研究了在低壓配電系統進行無功補償時補償容量的確定方法，期望能為實際進行無功補償提供一定的借鑒。

關鍵詞：無功補償技術；低壓配電系統；功率因數；供電質量；補償容量 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM714 文章編號：1009-2374（2015）04-0066-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0315

隨著人們生活水平的提高，電力負荷持續增長，大量感性負荷和新型非線性電力設備在電網中得到廣泛應用，這就要求電網必須提供足夠的無功功率，否則，將會對電網的供電質量造成嚴重影響。尤其是低壓電力，用戶數量多，分布范圍廣，所用負荷的功率因數又比較低，因此對低壓配電系統進行無功補償具有十分重要的意義。

1 低壓配電系統無功補償的原理和原則

1.1 低壓配電系統無功補償原理

無功功率是指沒有消耗，僅是將電能轉換為其他形式的能，這種能量是部分電氣設備能夠做功的必備條件，同時這種能量能夠和電能進行周期性轉換，如電磁元件建立磁場占用電能、電容器建立電場占用電能等。在配電網中，若電流分別在電感元件、電容元件中做功，會使電流和電壓出現不同相，前者使電流比電壓超前90℃，后者使電流比電壓滯后90℃。在同一組成電路中，電感電流和電容電流具有完全相反的方向，在相位上相差180℃。此時若在電磁元件電路中安裝合適的電容元件，使電感電流和電容電流完全抵消，減少電路中電流和電壓矢量的夾角，提高整個配電網的做功性能，這就是無功補償的原理。

1.2 低壓配電系統無功補償的基本原則

在對低壓配電網進行無功補償配置時必須遵循下述三個原則：第一，總體平衡和局部平衡相結合的原則；第二，分散補償和集中補償相結合的原則；第三，降損和調壓相結合的原則。通常情況下，低壓配電網絡在進行無功補償時，都以局部、分散補償為主，兼顧整體平衡和集中補償，還要結合電力部門和用戶補償進行整體設計，最大限度減少無功功率在低壓配電網的輸送，實現就地補償和平衡。

2 無功補償技術在低壓配電系統的應用探究

2.1 通過無功補償能夠有效減少低壓配電系統輸電線路的功率損耗

低壓配電網在補償前后，系統的有功功率為固定值，用公式表示為：，在對系統進行無功補償后，會得到一定程度的提高，即補償后略微大于，為了研究問題的方便，可近似認為補償前后的電壓相等，此時可以得到：，據此能夠求出對低壓配電系統進行無功補償后，線損減少的百分數可表示為：；若補償前后系統的功率因數從0.70～0.85增加到0.95，根據線損減少的百分數公式可知低壓配電系統的有功損耗將降低20%～45%。

2.2 通過無功補償能夠有效改善低壓配電系統的電壓質量

若低壓配電系統線路中的電流為，則此時線路中的電壓降可表示如下式（1）所示：

（1）

上式中，Z、R、X分別表示線路的阻抗、電阻和電抗。根據電阻抗三角形的關系，對上式進行數學變換，可得到如下（2）所示的表達式：

（2）

上式中，表示功率因數角。在一般低壓配電系統中，存在，此時在對整個線路進行無功補償后，在一定程度上減少了功率因數角，ΔU也明顯得到減小。由此可知，在低壓配電系統中進行無功補償后，能夠改善配電系統的電壓質量。

2.3 能夠提高電力設備的利用率，增加電力供應

若低壓配電系統供電容量不足，不僅會造成電壓波動，也會導致配電網的輸電線路和設備過熱。若裝設了無功補償電容器，就可以產生釋放容量，增加電力供應。如在某供電系統中，電力設備的有功功率、無功功率和視在功率分別為P1、Q1、S1，如圖1所示：

圖1 視在功率不變時無功補償釋放電容 圖2 視在功率不變無功補償后的有功輸送容量

如果在系統中增加補償電容器的容量為，且，此時系統中的有功功率不會發生變化，但無功功率由下降為，功率因數從增加到，視在功率由減小到，且，則系統釋放的電容量為，能夠減小電力設備容量的百分比為：。如果在加入無功補償裝置后，若保持電路中電流和視在功率不變，則有功功率，無功功率和視在功率的關系如圖2所示。此時無功功率增加的百分比為：，每千乏補償設備能夠增加的有功功率為：。

據上述分析可知，對低壓配電網電力設備來說，在用功功率一定的條件下，若功率因數得到一定程度的提高，負荷電流就會出現一定程度的下降，此時在向負荷傳送功率時所經過的電力設備都增加了一定的功率儲備，滿足了負荷增長的需要；若低壓配電網已經過載，隨著功率因數的增加，輸送無功會出現一定程度的減小，能使低壓配電系統不再過載運行，充分發揮原有電力設備的潛力；對于處于設計階段的新建企業所建的低壓配電系統來說，進行無功補償能夠降低設備容量，減少成本，在一定程度上還能減小所選變壓器的容量。

2.4 無功補償能夠減少企業的開支

為了合理利用電能，國家對不同性質的企業收取不同的電費，同時對于功率數值的要求也存在差異，所以，很多企業為了節省電費開支，在其低壓配電系統增加無功補償，這樣不僅能減少機器產生的電能損耗，也能節約電費開支，降低企業的生產成本。

3 低壓配電系統無功補償容量的選定

要計算無功補償容量，必須首先計算低壓用電企業的平均功率因數，如下所示：

3.1 平均功率因數的計算

對于運行年限不同的企業，平均功率因數的計算具有不同的方法，具體來說可分為下述兩種情況：

第一，對于運行超過一年的用電企業，可根據過去一年的有功和無功電能消耗量來進行計算如下式（3）所示：

（3）

上式中，PP、QP、Wn、Vn分別表示用電企業年平均有功負荷、無功負荷、年有功和無功電能消耗量。

第二，對于處于設計階段的企業或者剛投入運行的用電企業，無法得到年平均有功和無功電能消耗量，只能按照用電單位的計算負荷進行估算如下式（4）

所示：

（4）

上式中，Pj、Qj、α、β分別表示有功計算負荷、無功計算負荷、用功和無功負荷系數。

3.2 補償電容器的容量和數量的確定

無功補償電容器容量的計算通常有下面兩種計算

方法：

第一種，利用補償率計算補償電容器的容量。假設某用電企業低壓配電系統補償前后的無功功率分別為、，則需要進行人工補償的電容器容量為：，其中、分別表示補償前后的正切值。補償電容器容量確定后，根據補償電容器的技術參數選定相對應的信號規格，就可以確定補償電容器的數量。

第二種，根據年電能消耗量和年最大負荷利用小時數來計算補償電容器的容量。采用此種方法進行計算時，年最大負荷利用小時，屬于假想時間，通常按照最大負荷持續用電時間進行計算，所消耗的電能正好等于一年內實際消耗的電能，此時補償電容器的容量為：，容量確定后可根據相關要求確定電容器的數量。

4 結語

綜上所述，在低壓配電系統中運用無功補償技術后給電網帶來明顯的好處，這種無功補償方式不僅能提高低壓配電系統的功率因數，還能有效地降低損耗，確保供電質量和可靠性，同時也提高了用電企業的工作效率和投資成本。

參考文獻

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（責任編輯：黃銀芳）