基于配電變壓器無功補償技術的應用研究

楊春 韋永生

摘 ? ?要：基于無功功率及其對電力系統可能造成的影響，在介紹無功補償原理、作用和必要性的基礎上，提出一種無功補償技術，為配變無功補償技術水平的不斷提高提供參考借鑒。

關鍵詞：配電變壓器;無功補償

中圖分類號：TM421 ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1004-7344（2019）03-0091-02

實踐表明，無功功率會對電力系統正常運行造成很大影響，使電壓降低、線損增加，設備無法使用。因此，需要配網無功補償，尤其是配變無功補償，在認識到無功補償原理和作用及重要性的基礎上，采取有效的補償措施。

1 ?無功功率及其對電力系統造成的影響

對于傳統意義上的無功功率，主要是對負荷和電源之間存在的能量交換進行的度量。而在科技快速發展趨勢下，很多非儲能元件開始吸收無功，其原因為器件具有非線性。在電力系統中，無功消耗包含以下兩個方面：①線路消耗一定無功;②負荷消耗一定無功。對電能進行輸送時，必須吸收無功，對于高壓配網，為保證輸送容量，并使系統處于穩定狀態，通常要補償無功，比如對線路實施串聯補償，對關鍵節點實施并聯補償。被負荷直接吸收的負載，也就是由感性負載或非線性負荷直接消耗的無功，比如生產生活過程中經常用到的變流設備，啟動與使用過程中均會吸收無功，導致電網的電壓產生波動或畸變[1]。

研究表明，感性負載會使功率因素明顯降低，使電力系統受到不良影響，包括：發電及輸變電設備自身輸電能力均大幅降低，不僅影響正常運行效率，而且還會增加成本;使輸電損耗明顯增大，系統運行效益受到很大影響;電壓損耗提高，導致電壓產生波動或閃變。

2 ?無功補償主要作用分析

在不同的用電設備當中，僅白熾燈與部分發熱的設備不消耗無功，數量很少的同步電動機能產生無功，但絕大多數設備均需消耗無功。對此，各級用戶都在滯后功率因素條件下運行，沒有得到補償時，功率因素在0.6～0.9范圍內。對于變壓器和電動機等負荷，很多都是感性負載，運行時要提供足夠無功功率。將補償裝置設在電網中后，能增加感性電抗器實際消耗的無功，使電網直接向感性負載及線路提供的無功減少，因減少的這部分無功會在電網中持續流動，所以能降低由無功輸送產生的損耗，此即為無功補償。實踐表明，無功補償能有效改善功率因數，效果顯著且經濟合理。

在電力系統運行中，無功補償至關重要，確定合適的補償點，既能維持電壓的水平，還能提高系統實際運行可靠性，并且還具備防止無功遠距傳遞的功能，最終實現減少線損和保證系統安全穩定運行的目標。

無功補償主要具有下列幾點作用：①改善功率因數，保證設備實際利用率，減小設備需要達到的容量，避免線路或設備產生較大損耗，有效節約電能;②保證電網和受電端實際電壓的穩定性，使電能質量符合預期要求。另外，將補償裝置設在長距離輸電線路當中，能改善線路運行穩定性，增強輸電能力;③當三相負載無法達到平衡時，采用補償裝置，能輔助三相負載達到并保持平衡;④能有效增加線路、變壓器及發電器實際備用量;⑤降低配變容量，節省成本。

無功補償的目的是使電網實現無功平衡，保證從電源產生的無功功率和無功負荷及損耗保持平衡。如果無功功率較低，則無功平衡則是通過電壓下降或電壓調節來實現的。若系統中有十分充足的無功電源，可以滿足在電壓水平相對較高時達到無功平衡的基本需求，則系統的運行將具備很高電壓水平;相反，若無功不足，則系統運行電壓水平必然很低。基于此，在實際工作中必須做到無功平衡，同時按照這一要求采用合適的補償裝置。在電力系統當中，電機是典型的無功電源，此外還包括動態補償裝置和靜電電容器[2]。

如今，我國經濟飛速發展，這有賴于電力系統逐步擴大，同時產業與經濟的發展對系統運行穩定性和可靠性也提出了越來越高的要求。對電網的運行環境進行改善，保證功率因素，降低損耗，是一項綜合性工作。電力負荷當中，多數為感性負載，其投入運行后，不僅消耗有功功率，而且還會吸收無功。通過對相關資料的研究分析可知，無功可以達到有功總量1.3倍左右。無功主要由電廠產生，會降低受電端功率因數，造成損耗增加、電壓下降、設備無法良好利用等后果。如果系統嚴重缺少無功，則會進入崩潰狀態。事實上，無功功率的增加實際上就是視在功率明顯增加，此時對系統是有一定影響的，比如元件容量明顯增加，費用提高;電流的升高會增加設備及線路損耗等。因此，通過發電機來增加無功，然后由線路進行傳遞的做法是不可行的，也是很難實現的。最好的做法就是采用補償裝置，或引入新型無功補償技術。

3 ?配電變壓器無功補償

針對無功消耗問題，從配電變壓器角度講，需要采用一體化的動態無功補償技術，即DT-STATCOM，它把無功補償與配電變壓器充分集成到一起，并對配電變壓器各側實際信息進行充分利用，從而對高電壓和低電壓之間交匯處的電能質量和無功功率進行補償控制。

調查發現，在當前很多配網中使用的傳統變電站，其容量利用率都很低，通常情況下，其負載率只有0.5～0.6（公用箱式）。對此，該技術最大限度利用富余容量來實現無功補償。該系統基本結構如圖1所示。由圖1可以看出，只需將常規連接抽頭安裝在高壓側使這一補償單位借助抽頭對負載和變壓器進行綜合補償。

由抽頭不斷向系統提供補償功率，使配變功率分布發生明顯變化。基于此，應以配變容量及負載率水平為依據，對補償單位實際輸出進行嚴格控制，確保在最大限度利用剩余容量基礎上，防止繞組過載。比如某采用“Y”型聯結方式的變壓器，其繞組基本結構如圖2所示[3]。

從圖2可以看出，完成對抽頭的設置以后，配變新形成的結構與三繞組自耦十分相似，抽頭可把整個高壓繞組分成兩部分，即串聯與公共的繞組。從自耦變壓器特性與規律看，這兩個繞組實際通過容量完全相等。基于此，在補償過程中如果公共繞組實際傳遞的功率小于原繞組，則可以有效防止變壓器過載[4]。

將配變額定容量設為Sr，平均負載率設為β，自耦繞組的變比設為WAO/Wc=k12，其中，WAO表示高壓側繞組總匝數，公共繞組對應的視在功率可采用以下公式計算：

Sc=■βSr（1）

則富余功率可表示為：

Se=■=■■（2）

如果系統僅為負載傳遞有功功率，則補償單位能利用所有富余容量進行無功功率的傳輸，此時，對于無功容量，其標幺值可表示為：

S■■■=■（3）

在配網中，通常要求配變端口有不小于0.9的功率因數。將負載的功率因數設為cos？準，則根據相同基準對負載需要的標幺值進行計算：

ΔQ*=β■-0.48cos？準（4）

當負載率與繞組變比有所不同時，該技術能補償的具體范圍會出現明顯變化，實際標幺值都在10%以上，符合相關技術規范與標準。如果負載率為0.65，且功率因數減小到0.6，則需要的無功功率明顯增加，但對應的標幺值依然在30%以內。因在居民區中采用的箱變，其典型負載率普遍為0.3，對應約10%的標幺值。基于此，采用這項補償技術，能滿足箱變和負載產生的無功消耗要求[5]。

4 ?結束語

綜上所述，雖然目前的配變無功補償技術得到很大進步，但在線損率與節電的分析方面還較為落后，同時也沒有可行的改進方法。對此，對配網及配變進行深入的節電分析和無功優化研究，是保證配網及配變安全、穩定且經濟運行，并創造良好經濟效益的關鍵所在，有著十分廣闊的應用及發展前景。

參考文獻

[1]張 起，朱連勇，王 軍.基于配電變壓器無功補償技術的研究[J].東北電力技術，2017，38（11）：35～39.

[2]陳曉春，王曜飛，宋亞夫.配電變壓器無功補償容量分析系統研究[J].重慶科技學院學報（自然科學版），2017，19（1）：112～117.

[3]李廣宇，周和平.10kV配電變壓器低壓側無功補償方式探討[J].電器與能效管理技術，2014（6）：50～53.

[4]林育錦.配電變壓器低壓側無功補償方式及優化探討[J].機電技術，2015（2）：58～59.

[5]張惠娟，韓 葉，申 晨.配電變壓器勵磁電流無功補償研究與應用[J].電工技術學報，2015（s1）：428～433.

收稿日期：2018-12-2

作者簡介：楊 春（1990-），女，助理工程師，本科，主要從事電氣技術管理工作。

韋永生（1992-），男，助理工程師，本科，主要從事電氣技術工作。