工廠供配電系統中的無功補償技術探究

謝瀾XIE Lan

（延長石油天然氣股份有限公司，延安 717599）

1 配電網絡無功補償概述

配電網是城市供電系統的核心部分，通過電網可將電能逐級配送給用電單位或單個用戶，然而電能并不像自來水一樣是順著管道定向流動的，受到磁場、供電線路、用電器其其他因素影響，在配電網中存在著大量的感性負荷，因此在配電的過程中就會同時產生無功功率和有功功率兩種不同類型的功率類型。

從市場角度來說，無功功率不具備相應的市場效益或經濟價值，然而隨著配電距離的增加、線路材料的改變等無功功率會逐漸增加，大量的無功功率傳遞會直接影響到整個電網的穩定性，引起電壓波動和用電質量問題，比如大量無功功率在長距離傳輸過程中會引起電壓的大幅下降，造成電壓損耗，導致變壓器或仙侶元件功率損耗增加，產生不必要的電能損耗導致能源浪費問題。這種由無功功率引起的電壓損耗會隨著配電網電壓增加而增加，但是無功功率在配電網中并非完全無意義。

2 無功補償主要特點分析

無功功率補償器是電力系統主要組成。系統中無功功率補償器具有穩定電網、保護高壓、低壓的優點。為了使電纜裝置的電氣安全，可在局部發生過熱時降低溫度。本技術應用廣泛，可在負荷功率因數過低時采用，從而可使電器設備的靜電容量最小，減少不必要的電流損失。電網產生最大無功功率的設備主要是變壓器和異步電動機。一個變壓器的無功功率是工作功率的50%，異步電動機是60%。核反應堆等其他設備發電機的無功功率、供電線路、整流器設備也占工作功率的20%。從上述數據可以看出，電網的無功功率主要來自變壓器、電源線、異步電機等設備。無功功率補償技術的應用可以有效地補償消耗的大量無功功率，從而提高電網的功率因數，保證許多電力設備的能效和高效工作。

3 無功補償原理分析

無功功率是電力系統中不可或缺的重要功率，對于穩定電力系統的電壓以及感性設備的正常運行起到至關重要的作用。無功功率分為感性無功功率和容性無功功率兩種，感性負荷消耗無功功率，為無功負載；容性負荷發出無功功率，為無功電源。在低壓電網中，異步電動機是最常見的感性負荷，其正常運行需要無功功率提供磁場能，另外，電網中對于供電安全可靠運行起到至關重要作用的變壓器、電抗器等設備的正常運行也離不開無功功率。如果不采取無功補償技術，負荷所需的無功功率只能遠距離通過輸電線路送給負荷，這將導致輸電線路功率因數增加、供電末端電壓降低以及電能損耗增大。如果將容性負荷與感性負荷并聯在一個母線上，在同一電壓向量下，感性負荷和容性負荷電流方向相反，相當于容性負荷為感性負荷提供無功功率[1]。

4 無功補償作用分析

在電網系統中配備一定無功補償裝置，可有效維持并控制電網的實際感性負荷，繼而有效控制設備的實際能源損耗現象。實際安裝過程中，盡可能在并聯電容器中配置并聯補償容器，如此才能獲得最好且難以代替的效果。在實際實踐期間，想要充分發揮無功補償裝置的實際作用，則必須將無功補償裝置裝設在電網系統對應位置中，一般情況下是低壓、高壓并聯電容器對應電路中。在實際安裝過程中，無功補償電力設備的安裝是非常簡單的，且維修工作也相對簡單好處理，不繁瑣復雜，無需維修人員拆裝系統針對某一部分進行維修，也無需為維修這一部分培訓專業的維修人員或是制定相應的培訓方案。但是這種無功補償裝置往往會被諧波干擾，無法連續調節，長期運用會提升電容器的實際損壞幾率，因此在實際應用過程中必須明確無功補償裝置的實際調節方法。

5 配網系統無功補償存的主要問題

隨著經濟的快速發展，電力優化分配現象和電網覆蓋范圍越來愈廣泛。但是，由于我國的電網建設逐漸被推遲，因此因電力供應不足而導致電力供應不均的發展趨勢越來越大。當然，這會對城市用電造成一定的影響，但這樣可以減少電力的傳輸損耗。目前，針對通過增加能源系統的電力供應以有效保護居民的正常用電量這個問題進行了深入討論，針對配電系統無功補償面對的問題分析如下：

5.1 質量安全問題

應用無功補償技術過程中會出現不合理的容量分配以及安全和質量問題。因為我國還處在無功功率補償技術發展的初期階段，有些問題還沒有被認識到，這樣的問題在預備階段技術上是無法避免的，但是如果這個問題得不到解決，將會變得更加嚴重。妨礙電力工業發展。若沒有充分了解無功功率補償技術在研發過程中存在的問題，那么一旦把它投入到電器行業，電氣行業的人就會在下列情況下使用電能：損耗太大，損失會很大，嚴重時會出現安全問題。

5.2 線路組合比較復雜

根據線路設計具體情況而言，配網多采用閉環設計，而運行時則是以開環的方式為主。通常情況下線路中的配電網相互之間是各自獨立的，配電網對不同用戶的配電一般以直接分配為主。雖然采用組合線路、以大量負荷節點進行配電的方式能獲得更好的無功補償效果，但也會造成配電網復雜程度的直線上升，從而使得配網中無功補償優化的算法更加復雜，這就意味著無功補償工作面臨的難度更大，從整體上來看是得不償失的做法。

5.3 制約條件比較多

配網無功補償工作過程中需要全面考慮很多因素，包括但不限于功率平衡、電壓約束等因素，還有其他客觀制約條件。如一些人員密集、不適合架設線路的位置卻被計算證實是架設線路的最佳選址，而環境、能源、線路損耗線路容量等問題也會制約配網無功補償的工作效果。

5.4 線路損耗問題

對于高能耗企業而言，由于經濟發展情況并不好，功率增加可能導致短路和過大的功率消耗。電氣自動化在這一階段面臨的問題是電路損耗和損耗。電力自動化APP應用并非一次性的APP 應用。電力被用在從電站到各種電力用戶和家庭。由于電力消耗大，輸電首先要經過高壓變電所，然后再過高壓。對最終固定電力用戶的變電站而言，輸電過程中的電力線路數量較多，因此在一定程度上會考慮到非規則的維護。

6 工廠供配電系統中的無功補償技術

無功補償是一種比較概念化的稱呼，它也有一個比較普遍化和日常化的稱呼叫做無功功率補償。無功補償技術的使用范圍是非常廣泛的，最關鍵的原因就是無功補償技術在多方面都能良好地發揮其作用。其最主要的作用就是在電能的實際操作和傳輸過程當中，確保電能在輸送線路和變壓器上不會存在大量損耗的問題，以達到資源最大化利用的目的，讓電能在電網上的運輸功率得到進一步的提升，并且也可以通過這樣的方式來整頓電網的運行環境，讓整個運行環境更加的安全可靠和穩固。

6.1 低壓集補償

集中補償就是通過在高低壓配電線路中安裝并聯電容器組來實現感性功率和容性功率的相互轉化。在過去電網規模較小的時期，這種補償方式能夠有效調節配電網內功率因數，促進電能利用效率的提高。但隨著電網規模的擴大，集中補償的弊端日益顯現，一方面是隨著供電距離的增加，電網內無功功率比例會逐漸增加，在電容器組連接線路遠端功率因數調節效果并不明顯，另一方面則是為了適應電網發展的需要，想要有效調節功率因數就不得不擴大并聯電容器組的容量，導致集中補償的成本增加[2]。

6.2 高壓配電線路無功補償

配電網當中公共的變壓器一般情況下都利用高壓的配電線路進行無功的補償，因為公共變壓器自身的數量是比較多的，所以在傳輸的過程當中，損耗將會隨著運作的發展而不斷地增加，這就需要通過無功補償的方式來進行彌補。當然這種補償的方式應用的比較廣泛，也可以叫這種補償的方式為線路無功補償。一般情況下，通過安裝的10kV 室外并聯電容器就能夠對配電網所具備的功率因數進行改變，這樣也能夠通過這一電容器減少容易產生的功率損耗。高壓配電在進行無功優化補償的過程當中，也需要遵循一定的原則，只有遵循原則進行補償才能夠取得最好的效果。

6.3 變電站集中補償

變電站的集中補償通常用于處理輸電網的無功平衡，這種無功補償方式主要在變電站進行，通過對變電站的集中補償實現對務工效率的補償。一般采取將補償裝置連接在變電站10kv 及以下配網的母線上，而補償裝置本身包括同步調相機、靜止補償器及并聯電容器等設備，其原理是改善輸電網的功率因數，使主變電所無功損耗的電壓及終端變電所的電壓得到增強，但其缺點在于不能實現對配電網損失的控制。

6.4 桿上無功補償

配電網傳輸距離比較長，相關采油區比較分散，如果采用隨機補償、隨器補償方式，由于油井停機等會導致電容器出現自勵磁過電壓問題，無法實現全部補償。此外，一些配電變壓器并不能采用隨器補償方式，對此可選擇桿上無功補償方式，具體要結合工程要求進行，盡量少布置補償點，一條配電線路更加適合采用單點補償方式。同時，需簡化控制方式，不設置分布投切，且補償容量相對較小，重載狀態下，其補償后功率因素在0.95 以下，輕載狀態則低于1。

6.5 客戶終端分散補償

通過就地補償方式實現分散補償，需采用容量大、負荷穩定的無功補償裝置，同時，設備使用較多，電網系統中主要就是注水輸油泵的電機。與其他無功補償方式相比，該方式電壓損失和線損都比較小，且可明顯改善電能質量。但也存在不足之處，即在低壓無功補償中，需以設備最大無功作為基準確定其安裝容量，對于應用率較低設備并不適用。

6.6 就地補償

直接將無功功率補償設備安裝在功率因數較低的負荷處，負荷所需的無功功率以最短的路徑直接從補償裝置獲取，無功流動造成的功率損耗幾乎為零，補償效果最好。但就地補償方案對安裝場地有要求，很多場合無法滿足其要求。另外，每個負荷單獨配置無功補償設備，使得無功功率不能統籌協調使用，工程造價明顯提高。因此，一般用于單個大容量負荷需求的場合，實際應用場合較少。在實際工程中，根據負荷的分布特點，往往采用多重形式并用的補償方案，常見的有高壓補償與低壓補償相結合、集中補償與分散補償相結合的方案，以滿足不同場合下的負荷無功功率需求[3]。

6.7 低壓配電線路無功補償

盡管以上補償方法可以使得大容量的負載得到有效的補償，但是380V 配電線的線路本身就比較長，所以說這種線路的負荷是比較重的，線路當中所產生的無功功率也會不斷地增加，電壓的損耗以及線路的損耗同樣會隨之而增加。為了及時地解決這種問題，改善這種狀況。一般情況下都會通過無功補償的配電方式開展工作。當然，低壓配電網也存在一定的弊端，比如，分支多，配電網布設混亂，節點多，因此為了達到最優補償，需要對補償電容器進行合理化的配置。

事實上各地電力企業已經對10kV 及以下配網的無功補償投入了足夠的重視，在規劃與設計上也達到了較高的完善程度，但依然存在無功電源配置不合理的客觀問題。就以上四種無功補償的方式而言，其本質上均存在局部補償的局限性，對配電網整體的實時運行情況缺乏綜合性的考量，由于無功功率在配電網上的分布具有動態性的特點，因此傳統定點補償方式并不能有效解決電壓波動大、無功潮流分布不均的問題。

7 無功補償電路運維及安全策略

對于無功補償電路，必須定期進行維護。維護工作要對整個供配電系統一起進行，維護周期是每天定時巡查兩次，每季度停電檢查一次，每半年清潔設備一次；配電室要求做到恒溫恒濕，防潮防塵防鼠。停電檢查的項目包括：隔離總開關、保險、交流接觸器、控制繼電器、指示電路，各連接線等是否良好；阻流圈，電容器組是否正常，必要時要測量其參數；人工試驗控制器工作是否正常，各項正常后才可投入自動運行。維護檢修必須嚴格執行行業管理制度。具體要求如下：電氣安全技術措施，做到人身安全、設備安全、運行安全，這是廣播電視安全的生命線。維護檢修人員必須取得電工上崗操作證，要熟識設備的工作原理、線路和性能；維護檢修要有領導、有組織地進行，必須做好檢修前的各項準備工作，檢修工作必須在規定時間內完成；嚴格執行工作票、操作票制度，維護檢修時必須遵守安全用電操作規程，做好安全措施；嚴禁赤足檢修設備，一般不能帶電檢修，確實需要帶電時，要有兩人配合，一人操作，另一人監護；檢修中，要更改設備線路和元器件類型的，須經技術主管領導批準，試驗正常后進行技術歸檔；檢修結束必須由組織者和技術負責人進行檢查，各項正常后才可通電運行[4]。

8 配電系統中應用無功補償注意的主要問題

8.1 明確線路補償容量

線路補償容量的確定是使10kV 及以下配網電容無功補償實現節能目的的關鍵。在容量設置過程中重視設置的科學性，能夠有效將配網中出現的線損降低到最低水平。一般情況下，無功補償裝置的容量可設置在平均無功負荷的三分之二左右，這是相對而言最理想的設置方式，且安裝無功補償裝置之前還需全面調查配網線路的實際負荷，確定合適的容量范圍。

8.2 嚴格控制無功功率補償范圍

許多人認為無功功率補償的增加是非常有益的，但事實并非如此。對于傳輸線系統，引入高水平的補償雖是有益的，但會導致總損失中可以節省的份額增加。例如，我們說功率因數可被調整為0.7，但當功率因數增加到0.8 時與功率因數調整到0.1 無功補償是差不多的，所以這樣增加無功功率補償只會浪費投資成本。

8.3 明確補償裝置的安裝位置

無功補償裝置的安裝應遵循“就地平衡”的原則，盡可能使線路中無功電流的產生得到控制，無功補償裝置的安裝以每條線路一臺為最理想狀態，同時還要對安裝位置及補償點補償容量進行詳細規劃，強化對線路的檢修，及時修復損壞的線路，保證電能的持續利用，使整個配電網的建設能夠滿足社會建設過程中的電力需求。

8.4 避免出現電力系統產生諧振

工業的日常使用電情況直接取決于電力系統是否穩定。此外，電網問題不僅明顯影響人們的正常生活，而且還可能阻礙某些項目的完成。但是，由于電力系統的總體覆蓋范圍較大，并且在成本、修護和操作方面存在問題，因此無法預估損失，即使能夠控制空間，但也存在無法避免的人員問題。鑒于當前情況，有必要采取某些措施以避免出現更為嚴重的后果，通過增加有線設備的數量并控制其質量的方式，可以減少風險的發生。

8.5 防止存在過分補償

電流是在電力系統的電路中得到控制的，但電流本身就很難控制。如果過程有問題，就會引發“多諾米骨牌效應”。該效應出現是由其固有特性決定的，尤其是在傳輸過程中，先前連接中的問題是下一步問題的原因，通常這些問題會導致電力設備損壞。但是如果我們假設在電力工作中使用其他設備，則線性磁場本身將因負載而產生磁場電壓，同時產生能量，但這很容易損壞電力設備[5]。

9 結語

無功補償是電力行業對無功功率補償的別稱，無功補償在電力系統中能夠提高高壓電網的功率因數，同時可在高壓電網中電能的變壓和傳輸過程中降低電力損耗功率，起著調節供電環境的作用，因此無功補償裝置在高壓供電系統中不可或缺。為了盡可能地降低高壓電網的損耗功率，改善電網質量，需要選擇合適的無功補償裝置。而如果不能合理選擇并應用無功補償裝置，則可能使高壓供電系統中的電壓產生波動并增大其諧波。