農(nóng)村中低壓配電網(wǎng)無功配置研究

陳 寧 王傳勇 韓 蓬 李 明 冀傳留

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司棗莊供電公司，山東 棗莊 277000； 2.山東國(guó)研電力技術(shù)有限公司，濟(jì)南 250014）

近年來，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展使我國(guó)的用電量不斷增大，電力行業(yè)也是迅猛的發(fā)展。電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)也是在不斷的改變著，電網(wǎng)建設(shè)的步伐總是滯后于電力的需求，會(huì)給用戶帶來一定的影響。配電網(wǎng)是連接輸電網(wǎng)和用戶的關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)，配電網(wǎng)能否合理的配置無功補(bǔ)償裝置，對(duì)電能質(zhì)量的提高、電網(wǎng)損耗的減小、電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都會(huì)有一定的影響。因此，為用戶提供一個(gè)安全性能好，可靠性強(qiáng)，電能質(zhì)量高的供電系統(tǒng)是我們的目標(biāo)。

1 配電網(wǎng)無功消耗因素分析

鑒于中壓配電線路的無功損耗主要依靠上級(jí)高壓變電站的無功集中補(bǔ)償方式以及中壓線路配置無功來補(bǔ)償，因此，這里討論的中低壓配電網(wǎng)的無功消耗主要由“配變無功消耗”和“配變低壓側(cè)負(fù)荷無功消耗”兩部分組成，即：配變無功消耗及配變低壓側(cè)負(fù)荷無功消耗。由此得到中低壓配電網(wǎng)無功總損耗為

由式中可以看出，配變消耗的無功總量與三大因素直接相關(guān)：變壓器負(fù)載率β（反映負(fù)載大小）、低壓側(cè)自然功率因數(shù)λ（反映不同的負(fù)荷性質(zhì)）和配變?nèi)萘縎N（反映不同型號(hào)的配變?nèi)萘浚?/p>

下面以一臺(tái)S9-800/10 型號(hào)的常用配變?yōu)槔f明配變無功損耗與配變低壓側(cè)負(fù)荷無功損耗在中低壓配電網(wǎng)無功總損耗中所占的比重。計(jì)算中取：自然功率因數(shù)λ=0.85，配變負(fù)載率β=75%，無功補(bǔ)償后配電變壓器高壓側(cè)功率因數(shù)λT＞0.95，根據(jù)公式（1），該配變的無功消耗計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 S9-800/10 型配變及其負(fù)荷無功消耗計(jì)算結(jié)果

由表1可以看出，在中低壓配電網(wǎng)的無功損耗中，配變低壓側(cè)負(fù)荷的無功損耗占主導(dǎo)地位，約占總損耗的93%；配變自身的無功損耗不大，僅為總損耗的7%左右。因此，中低壓配電網(wǎng)的無功配置應(yīng)著重考慮對(duì)配變低壓側(cè)負(fù)荷的無功消耗的影響。

2 配電變壓器的無功配置分析

在分析了無功消耗之后，就需要確定配變實(shí)際所需的無功補(bǔ)償容量。當(dāng)配變高壓側(cè)功率因數(shù)達(dá)到cosφ，需要的無功補(bǔ)償容量可以通過下式進(jìn)行計(jì)算。

以下將分別研究配變所需的無功補(bǔ)償容量隨配電變壓器容量、配電變壓器負(fù)載率、配變低壓側(cè)自然功率因數(shù)的變化而變化的趨勢(shì)。

1）配變無功補(bǔ)償容量與配變?nèi)萘康年P(guān)系研究

以常用型號(hào)配變?yōu)槔?jì)算各類配變所需的無功補(bǔ)償容量的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

計(jì)算條件如下：

低壓側(cè)自然功率因數(shù)λ=[0.7，0.8，0.9]，

配變負(fù)載率β=75%，

無功補(bǔ)償后配電變壓器10kV 側(cè)功率因數(shù)達(dá)到0.95。

表2 各種配變的無功補(bǔ)償容量計(jì)算結(jié)果（λ=0.85、λT≥0.95，β=75%）

由表2可知，在配變負(fù)載率及補(bǔ)償前后功率因數(shù)等邊界條件相同的情況下，不同型號(hào)不同容量的配變需要的無功補(bǔ)償容量占變電容量的比例變化不大。也就是說，相同的條件下，配變所需的無功補(bǔ)償容量基本與配變?nèi)萘砍烧取?/p>

2）配變無功補(bǔ)償容量與配變負(fù)載率的關(guān)系研究

仍以一臺(tái)S9-800/10 型號(hào)配變?yōu)槔?jì)算配變負(fù)載率變化時(shí)，配變所需的無功補(bǔ)償容量的變化情況，計(jì)算結(jié)果見表3和圖1。

（1）低壓側(cè)自然功率因數(shù)取0.6～0.9，

（2）補(bǔ)償后高壓側(cè)功率因數(shù)達(dá)到0.95。

表3 不同負(fù)載率下的配變無功補(bǔ)償容量計(jì)算結(jié)果（λT≥0.95、SN=800）

圖1 配變無功補(bǔ)償容量與配變負(fù)載率關(guān)系圖

由表3和圖1可知，在相同配變自然功率因數(shù)條件下負(fù)載率越高，高壓側(cè)達(dá)到相同功率因數(shù)時(shí)所需的無功補(bǔ)償容量越大。一般情況下，自然功率因數(shù)0.8，配變負(fù)載率50%左右，高壓側(cè)補(bǔ)償?shù)?.95時(shí)，補(bǔ)償容量百分比約為22%。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，可以得出，對(duì)于尚不能嚴(yán)格區(qū)分供電負(fù)荷類型的配電變壓器來說，可以考慮按照不同的配變負(fù)載率來確定相應(yīng)的無功配置 容量。

（1）當(dāng)配變負(fù)載率在20%及以下時(shí)，配變處在輕載狀態(tài)，若負(fù)荷自然功率因數(shù)按0.85 考慮，則配變低壓側(cè)的無功補(bǔ)償容量不宜超過配變?nèi)萘康?%，補(bǔ)償后配變高壓側(cè)功率因數(shù)將達(dá)到0.95。

（2）當(dāng)配變負(fù)載率處于30%～50%之間時(shí)，若負(fù)荷自然功率因數(shù)按0.85 考慮，則配變低壓側(cè)的無功補(bǔ)償容量按照配變?nèi)萘康?0%～16%考慮，補(bǔ)償后配變高壓側(cè)功率因數(shù)將達(dá)到0.95。

（3）當(dāng)配變負(fù)載率達(dá)到75%時(shí)，若負(fù)荷自然功率因數(shù)按0.85 考慮，則配變低壓側(cè)的無功補(bǔ)償容量按照配變?nèi)萘康?4%配置，補(bǔ)償后配變高壓側(cè)功率因數(shù)將達(dá)到0.95。

3）配變無功補(bǔ)償容量與低壓側(cè)自然功率因數(shù)的關(guān)系研究

以S11-315/10 配變?yōu)槔?jì)算不同自然功率因數(shù)下，配變所需的無功補(bǔ)償容量，計(jì)算結(jié)果見下表4和圖2所示。

（1）自然功率因數(shù)在0.6～0.95。

（2）補(bǔ)償后高壓側(cè)功率因數(shù)分別達(dá)到0.91～1時(shí)。

（3）配變負(fù)載率取50%。

表4 配變所需無功補(bǔ)償容量的比例與自然功率因數(shù)的關(guān)系（SN=315kVA，β=50%）

圖2 配變無功補(bǔ)償容量所占比例與 自然功率因數(shù)關(guān)系圖

由此得到配變的無功配置結(jié)果：（補(bǔ)償后配變高壓側(cè)功率因數(shù)均達(dá)到0.95）

（1）當(dāng)?shù)蛪簜?cè)自然功率因數(shù)為0.7 時(shí)，則配變低壓側(cè)的無功補(bǔ)償容量按照配變?nèi)萘康?5%配置。

（2）當(dāng)?shù)蛪簜?cè)自然功率因數(shù)為0.8 時(shí)，則配變低壓側(cè)的無功補(bǔ)償容量按照配變?nèi)萘康?2%配置。

（3）當(dāng)?shù)蛪簜?cè)自然功率因數(shù)為0.9 時(shí)，則配變低壓側(cè)的無功補(bǔ)償容量按照配變?nèi)萘康?%配置。

根據(jù)各地區(qū)的配變數(shù)據(jù)分析，在系統(tǒng)峰荷時(shí)不同性質(zhì)負(fù)荷的自然功率因數(shù)如下表所示。其中，居民和商業(yè)負(fù)荷的自然功率因數(shù)主要分布在0.85 至0.95 之間，農(nóng)網(wǎng)村和工業(yè)負(fù)荷的自然功率因數(shù)偏低，分布在0.6～0.9 之間。

表5 不同負(fù)荷的自然功率因數(shù)

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，得到：

（1）對(duì)于居民用戶，自然功率因數(shù)在0.90 以上，配變無功補(bǔ)償容量為配變?nèi)萘?%時(shí)，高壓側(cè)功率因數(shù)達(dá)到0.95；配變無功補(bǔ)償容量達(dá)到16%時(shí)，高壓側(cè)功率因數(shù)達(dá)到0.98；配變無功補(bǔ)償容量達(dá)到19%時(shí)，高壓側(cè)功率因數(shù)達(dá)到0.99。

（2）對(duì)于商業(yè)用戶，自然功率因數(shù)在0.85 以上，配變無功補(bǔ)償容量在16%時(shí)，高壓側(cè)功率因數(shù)達(dá)到0.95；配變無功補(bǔ)償容量達(dá)到22%時(shí)，高壓側(cè)功率因數(shù)達(dá)到0.98；配變無功補(bǔ)償容量達(dá)到26%時(shí)，高壓側(cè)功率因數(shù)達(dá)到0.99。

（3）工業(yè)負(fù)荷的自然功率因數(shù)較低，需要較多的無功補(bǔ)償容量。如果工業(yè)負(fù)荷的自然功率因數(shù)控制在0.8 左右，當(dāng)配變無功補(bǔ)償容量為配變?nèi)萘康?5%時(shí)，高壓側(cè)功率因數(shù)達(dá)到0.91；配變無功補(bǔ)償容量為配變?nèi)萘康?2%時(shí)，高壓側(cè)功率因數(shù)達(dá)到0.95；配變無功補(bǔ)償容量為配變?nèi)萘?9%時(shí)，高壓側(cè)功率因數(shù)達(dá)到0.98。

（4）對(duì)農(nóng)業(yè)區(qū)而言，自然功率因數(shù)控制在0.8左右，當(dāng)配變無功補(bǔ)償容量為配變?nèi)萘?5%時(shí)，高壓側(cè)功率因數(shù)達(dá)到0.91；配變無功補(bǔ)償容量為配變?nèi)萘?2%時(shí)，高壓側(cè)功率因數(shù)達(dá)到0.95；配變無功補(bǔ)償容量為配變?nèi)萘?9%時(shí)，高壓側(cè)功率因數(shù)達(dá)到0.98。

（5）農(nóng)網(wǎng)偏遠(yuǎn)負(fù)荷的自然功率因數(shù)較低，需要較多的無功補(bǔ)償容量。如果負(fù)荷的自然功率因數(shù)控制在0.75 左右，當(dāng)配變無功補(bǔ)償容量為配變?nèi)萘?1%時(shí)，高壓側(cè)功率因數(shù)達(dá)到0.91；配變無功補(bǔ)償容量為配變?nèi)萘?8%時(shí)，高壓側(cè)功率因數(shù)達(dá)到0.95；配變無功補(bǔ)償容量為配變?nèi)萘?5%時(shí)，高壓側(cè)功率因數(shù)達(dá)到0.98。

3 配電線路的無功配置分析

對(duì)于大多數(shù)的中壓配電線路來說，線路本身消耗的無功很小，但由于線路所帶的配電變壓器很多，配電變壓器所固有的空載無功損耗就很大，再加上重負(fù)荷時(shí)的漏磁無功損耗和用戶的無功消耗，導(dǎo)致線路功率因數(shù)很低。如果不進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)償，配電線路和配電變壓器產(chǎn)生的電量損失非常可觀，嚴(yán)重影響供電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。為了降低無功穿越配變而產(chǎn)生的變壓器損耗，10kV 線路補(bǔ)償不應(yīng)補(bǔ)償由負(fù)荷引起的無功消耗，而應(yīng)以補(bǔ)償配變固有的空載勵(lì)磁損耗為主。因?yàn)樵S多地區(qū)配電網(wǎng)中部分線路所帶的配變?nèi)肇?fù)荷變化很大，在低谷負(fù)荷時(shí)段，配電變壓器接近空載，如果l0kV 線路無功補(bǔ)償還補(bǔ)償了隨負(fù)荷變化的無功消耗，則在低谷負(fù)荷時(shí)段時(shí)，將產(chǎn)生過補(bǔ)償（線路補(bǔ)償一般不具備自動(dòng)投切功能，人工頻繁投切也不現(xiàn)實(shí)），引起電壓升高、無功倒送。

經(jīng)過計(jì)算，在中壓線路上實(shí)施單組或多組補(bǔ)償時(shí)的最佳裝設(shè)位置和最優(yōu)補(bǔ)償容量見表6所示。

表6 裝設(shè)多組電容器時(shí)的最佳裝設(shè)位置及最優(yōu)容量表

4 結(jié)論

本文結(jié)合配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，分析中低壓配電網(wǎng)的無功消耗是由配變無功消耗和配變低壓側(cè)負(fù)荷無功消耗兩部分組成。主要介紹了農(nóng)網(wǎng)中低壓配變低壓側(cè)集中補(bǔ)償、中壓線路分散補(bǔ)償、隨電動(dòng)機(jī)補(bǔ)償、低壓用戶集中補(bǔ)償四種方式。通過數(shù)據(jù)分析介紹了配電變壓器配變無功補(bǔ)償容量與配變?nèi)萘俊⑴渥冐?fù)載率、低壓側(cè)自然功率因數(shù)之間的關(guān)系。對(duì)于無功補(bǔ)償?shù)难芯窟€遠(yuǎn)不止這一些，想要給用戶提供更好、更高的電能，給電力系統(tǒng)降低損耗還需要做很多的努力，在尋求技術(shù)上的進(jìn)步也要因地制宜的做好無功補(bǔ)償工作。

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