無功補償法在電力系統(tǒng)中的實踐應用研究

姚 洋，翁同洋，武 濤，傅維柱

（國網(wǎng)六安供電公司，安徽 六安 237006）

1 無功補償技術概述

1.1 無功補償?shù)幕驹?/h3>

電網(wǎng)在輸送電力時，其輸出的功率包括有功功率和無功功率。前者直接消耗電能并將電能轉化為熱能、機械能以及化學能等其他形式的有用能，也就是正常用電；后者不消耗電能，只是將電能轉化為無用的其他形式的能，難以避免。無功功率補償即尋找一種無功功率的輸出，可以將輸出的能量補償給另一種需要無功功率的裝置。以電磁元件為例，當電流在電感元件中做功時，電流滯后于電壓90°；在電容元件中做功時，電流超前于電壓90°[1]。這種電感電流和電容電流在同一電路中方向相反的情況可以被有效利用：一是可以將一定比例的電容元件安裝在電磁元件中，減小電流和電壓的矢量夾角；二是將容性功率負荷的裝置和感性功率負荷裝置并聯(lián)在同一電路，讓容性負荷輸出的無功功率補償感性負荷需要的無功功率。

1.2 無功補償?shù)姆诸?/h3>

無功補償?shù)膸追N方式如圖1 所示。

圖1 無功補償示意

1.2.1 變電站集中補償

變電站集中補償主要是補償主變壓器本身的無功損耗，減少上級輸電線路的無功電能。利用安裝在高低壓配電線路中的并聯(lián)電容器組或靜止補償裝置，改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，進而提高終端變電站的母線電壓。需要注意的是，電網(wǎng)中配電網(wǎng)的線損一般占總線損的70%，而這種無功損耗不能通過變電站集中補償調節(jié)，需要使用其他的補償方式（如分散補償法）有效降低線損。

1.2.2 隨器補償

隨器補償是在輸電線路的低壓側（用戶配電變壓器）安裝補償裝置，也叫做配變低壓補償。這種補償方式的安裝維護較為簡單，節(jié)省成本。當用戶日負荷變化大時，能夠及時跟進補償，降損節(jié)能效果好。此外，還可以采用微機控制跟蹤電荷波動，將結果顯示在用戶端的配電屏上，方便隨時分組投切電容器。

1.2.3 中壓與低壓線路補償

如果某些輸電線路的低壓側沒有安裝補償裝置，并且該線路輸電距離長、電壓負荷重且功率因數(shù)低，則其配電網(wǎng)的無功損耗將會非常嚴重，只能由變電站或發(fā)電廠提高能量供應進行彌補。為了解決這種情況，可以將高壓并聯(lián)電容器分散安裝在配電線路上，補償線路上感性電抗消耗的無功功率和配電變壓器的無功功率損耗。這種線路補償方法投資小、回收便捷，使用效果突出。

1.2.4 隨機補償

以上都是對配電網(wǎng)輸電線路的無功補償，雖然有效，但是對線路的總無功損耗補償效果較差，僅占1/3 左右，而實際生產(chǎn)生活中用戶設備的無功消耗占據(jù)著總無功消耗的65%，因此設計一種對用戶用電設備進行無功補償?shù)姆椒ㄊ直匾?。隨機補償（用電設備就地補償）是將電容器直接接到用電設備的同一個電氣回路上，可以利用設備自帶的開關進行同步控制。當設備啟動時，電容器同時投運；當設備斷開時，電容器同時斷開。這種就地平衡無功電流的方法，既避免了無負荷時過量補償?shù)那闆r，又可以使有負荷時的電壓質量得到保障[2]。

1.3 無功補償?shù)膽迷瓌t

無功補償在實際應用時應該注意以下原則。

1.3.1 高壓補償和低壓補償相結合

由于電力系統(tǒng)需要向不同類型的用戶供應電力，用電需求不同，電壓和電流的負荷也不同，僅采取其中一種補償方式會導致電力供應系統(tǒng)的輸電線路無功損耗補償有時過量、有時不足，使得輸電損耗難以控制。高壓補償和低壓補償相結合的方式能更好地適應不同的電量需求場景，從而降低電能損耗。

1.3.2 集中補償和分散補償相結合

集中補償體現(xiàn)在高壓側，分散補償體現(xiàn)在低壓側，兩者各有作用，結合起來能夠極大延長電力傳輸?shù)木嚯x。

1.3.3 無功補償和有功補償相結合

有功補償在一些情況下可以提高無功補償?shù)恼w效果，避免無功補償過度或不足導致配電系統(tǒng)受到影響的情況。

1.3.4 整體和局部平衡

無功平衡強調的是電力系統(tǒng)在運行時處于最佳狀態(tài)，一旦局部無功補償和整體出現(xiàn)失衡狀況，就會導致電力系統(tǒng)運行波動。為此，可以在實踐中采取降損為主、調壓為輔的補償方式，大大減少整個輸電線路的能量損失，提高線路的負荷水平和電力系統(tǒng)的輸電能力。

2 電力系統(tǒng)中無功補償?shù)膸追N措施

2.1 裝設并聯(lián)電容器

并聯(lián)電容器構造簡單、安裝快捷、維護方便、補償效率高且能源損耗低，因此目前裝設并聯(lián)電容器是電力系統(tǒng)無功補償?shù)淖畛Ｓ梅椒?。并?lián)電容器的缺點是安裝完畢后使用時無法連續(xù)調節(jié)，只能根據(jù)安裝前設定的固定參數(shù)補償無功功率，因此很有可能出現(xiàn)過度補償無功功率的現(xiàn)象，造成系統(tǒng)震蕩[3]。

2.2 裝設同步調相機

同步調相機又可以看作空載的同步電動機，通過調整勵磁電流決定向系統(tǒng)供給無功功率或是吸收無功功率。同步調相機的優(yōu)點是使用平滑，通過調整勵磁電流改變無功功率的大小，讓電網(wǎng)的功率因數(shù)能夠經(jīng)常接近于1；缺點是投資較大，損耗大且噪聲大，維護較為復雜困難，現(xiàn)在電力系統(tǒng)很少使用。

2.3 配備靜止類無功補償裝置

靜止類無功補償裝置指實際運行時固定的補償裝置，具有體積小、占地面積小、效率高、動態(tài)效應時間短的特點，在電力系統(tǒng)無功功率控制領域的應用十分廣泛。

3 無功補償法在電力系統(tǒng)中的實踐應用

3.1 電網(wǎng)配電線路中的無功補償應用

電網(wǎng)配電線路中，無功補償?shù)年P鍵在于保持無功功率的平衡性。選擇電網(wǎng)分支線路中負荷較大的線路作為無功補償設置點，負荷大意味著消耗多，無功功率的補償帶來的改善更佳。集中計算分支線路的一部分配電變壓器集中計算，平均分配負荷，然后補償容量。對于電網(wǎng)中以空載無功損耗為主的分支線路和安裝負載的線路而言，雖然某一部分線路會使設備投入量處于不足狀態(tài)，進而使線路處于欠補償?shù)男问?，但是電力系統(tǒng)的總無功補償率可達70%，無功功率的平衡性較好[4]。

3.2 電力用戶的無功補償應用

電力用戶應用無功補償方法主要從3 方面入手。一是利用集中補償?shù)姆绞?，將電容器裝設在輸電線路的高壓側，這種方式可以有效減少線路的無功損耗。二是利用分組補償?shù)姆绞?，將電容器分別裝設在輸電線路的各個低壓側，這種方式可以實現(xiàn)各個設備的就地平衡，有效減少用戶設備的無功損耗。三是在分組補償?shù)幕A上，將電容器并聯(lián)到各個電氣設備上，可以有針對性地幫助用戶實現(xiàn)對單個電氣設備的無功補償，讓更加頻繁運轉的設備能夠處于高效、低耗的狀態(tài)，同時也避免了其他停止運作的設備過度補償。對于用戶而言，無功補償技術能夠提高功率因數(shù)，減少設備損耗，實現(xiàn)經(jīng)濟用電，極大提高了經(jīng)濟效益。

3.3 靜止無功補償器的技術應用

靜止無功補償器普遍指使用晶間管的靜止無功補償裝置，目前應用十分廣泛，大體分為晶閘管控制電抗器和晶閘管投切電容器，可以分開使用，也可以混合安裝。靜止無功補償器與傳統(tǒng)的無功補償方式存在一定的不同，具有更快的響應速度，可以連續(xù)無級調節(jié)，并且不會出現(xiàn)涌流、拉弧等情況，適用于大多數(shù)工業(yè)電力用戶，幫助實現(xiàn)節(jié)能降損的目標[5]。例如，電力機車、電弧爐、軋機等工業(yè)設備在使用靜止無功補償器后，均能夠有效提高功率因數(shù)。但是靜止無功補償器也有缺點，如工作時產(chǎn)生諧波，需要進一步研究如何防范或解決此類問題。

4 電力系統(tǒng)無功補償發(fā)展中應注意的問題

4.1 注意諧振的防護

電力系統(tǒng)在非線性負荷運轉時很容易產(chǎn)生諧振、諧波，它們對電路系統(tǒng)有極大的危害，出現(xiàn)時會導致過電壓和過電流現(xiàn)象，長時間存在還會加劇電力系統(tǒng)負荷，造成電力設備損壞，并且絕緣設備也會存在很大的運轉壓力。因此，在實際應用無功補償時，一定要注意諧振和諧波的防護，盡量避免產(chǎn)生諧振和諧波。一旦其出現(xiàn)于電路系統(tǒng)，則代表電路系統(tǒng)存在質量問題，需要及時維修。

4.2 有效控制無功補償?shù)墓β室驍?shù)

無功補償直接作用于功率因數(shù)，可以有效提高功率因數(shù)，從而減少電能的損耗。在實際應用無功補償時，適當提高功率因數(shù)可以降低輸電電流，提高線路使用率，提升整個電氣設備的電能利用率。但是要注意不能無節(jié)制地增大功率因數(shù)，功率因數(shù)過高會影響電氣設備的絕緣性，并且設備內(nèi)部溫度也會有所升高。一旦溫度超過合理范圍，設備內(nèi)部的零件配置會被破壞，從而影響電氣設備的使用壽命。在實際無功補償應用分析中，功率因數(shù)從0.6 提升到0.7 和從0.7提升到0.8 所使用的補償容量幾乎相當，因此這個范圍也被認定為最安全的功率因數(shù)控制范圍。有效控制無功補償?shù)墓β室驍?shù)，對電力系統(tǒng)的傳輸安全和電氣設備的高效利用有著極大的幫助。

4.3 防止電力系統(tǒng)的電壓超標

電力系統(tǒng)的電壓會隨著電容器無功補償?shù)淖兓兓?，具體表現(xiàn)為正相關，即補償過多則電壓上升，補償不足則電壓下降。在實際應用無功補償技術時，切斷進行補償?shù)碾妱訖C電源后，電力系統(tǒng)還會輸送一段時間的無功功率，這部分補償會導致系統(tǒng)電壓容易超出額定值，而電力系統(tǒng)的電壓超標會導致變電站、系統(tǒng)裝置、終端電氣設備均處于危險狀態(tài)，因此電力系統(tǒng)的無功補償需要根據(jù)整個電力系統(tǒng)的實際情況，把握好補償因數(shù)，從而控制電壓超標風險。

4.4 考慮無功倒送問題

大多數(shù)電力用戶一般為小個體用戶，為了節(jié)約成本，往往在應用無功補償時選擇一相進行采樣和無功分析。在三相負荷不平衡時，就會出現(xiàn)無功倒送的現(xiàn)象。對于另一部分只采用固定電容器補償?shù)挠脩?，當電氣設備處于負荷低谷時，也會出現(xiàn)無功倒送問題。無功倒送會增加配電網(wǎng)的負擔，也會增加輸電線路的負荷，對電力系統(tǒng)有一定的危害，需要用戶仔細考慮。

5 結 論

隨著電力電氣技術的日益進步，我國在無功補償系統(tǒng)的研究方面實現(xiàn)了很大的發(fā)展，為了適應市場對電力系統(tǒng)在裝置技術、輸電穩(wěn)定性和電能質量等方面越來越高的要求，未來無功補償技術仍然需要不斷改進。我國一直倡導能源節(jié)約，并一直為創(chuàng)造節(jié)約型社會而努力，無功補償技術在電能節(jié)約方面有著極大的作用，未來隨著無功補償技術的越發(fā)成熟，其對電力系統(tǒng)的無功補償優(yōu)化將會愈發(fā)高效，在節(jié)約電力資源的基礎上，促進社會的和諧發(fā)展。