线路无功补偿装置在农村配电网中的应用

2010-05-29李泳泉

浙江电力 2010年7期

李泳泉

（缙云县供电局，浙江缙云 321400）

随着农村经济保持快速稳定增长，人民生活水平逐年提高，预计今后对电能的需求不仅在数量上要有大幅度的增长，而且对供电质量也会有更高的要求。

缙云县电网中大量的柱上配电变压器没有进行无功补偿，柱上变压器的负荷通常是家用电器和小型（异步）电动机，而家电和小型电动机的功率因数普遍偏低，功率因数约为0.55～0.70。加之配电网一般线路较长，线径较细，在重负荷时段线路产生的无功损耗较大，对应的线路压降也较大，因此需要采取合理的补偿方式提高线路功率因数，节能降耗。

1 无功补偿方式的选择

1.1 配电变压器低压补偿

配电变压器低压补偿是目前应用最普遍的补偿方法。由于用户的日负荷变化大，通常采用微机控制、跟踪负荷波动分组投切电容器补偿，总补偿容量在几十至几百kvar不等。目的是提高配变用户功率因数，实现无功的就地平衡，降低配电网损耗和改善用户电压质量。

配变低压无功补偿的优点是补偿后功率因数有所提高，但由于配电变压器的数量多，低压补偿装置安装地点分散、数量大，运行维护是需要重点考虑的问题。

1.2 变电站集中补偿

变电站集中补偿装置包括并联电容器、同步调相机、静止补偿器等，主要目的是平衡输电网的无功功率，补偿主变的无功损耗，以及补偿离变电站较近负荷的无功。变电站集中补偿有利于提高系统终端变电站的母线电压，减少变电站主变压器和高压输电线路的无功损耗。这些补偿装置一般集中接在变电站10 kV母线上，因此具有管理容易、维护方便等优点，但这种补偿方案中对变电站以下的10 kV配电网，特别是离变电站较远的线路，降损作用较小。

1.3 线路无功补偿

在10 kV线路上采用自动无功补偿装置是比较有效的减少无功电流在配电网线路上流动、降低线损、提高功率因数的方法。线路无功补偿装置安装在变电站补偿与配变低压补偿之间，主要补偿线路产生的无功与配变的空载及负载损耗，一般在线路配变较集中的分支安装，较低压无功补偿相对 “集中”，比变电站集中补偿相对 “分散”，在维护量以及“就近补偿”之间取得一个较佳的平衡，在保证补偿效果的同时又不增加很多维护量，对长线路以及季节性负荷特征明显的农网线路尤其适用。

2 线路无功补偿装置的应用

2.1 线路无功补偿装置

DWK型户外高压无功自动补偿装置的电气主接线如图1所示，装置采用微机控制并联电容器的投切，控制合理、准确和迅速；电容分组合理，能用较少的分组达到较多的容量组合，补偿级差小；降低由于线路长距离输送无功而造成的线损，并能使电压质量得到一定的改善，达到配电网节能降耗的要求。大部分厂家将高、低压元器件集成于户外箱体内，结构紧凑，安装维护方便，装置内部元器件不收户外恶劣环境的影响，比较适合农村配电网使用。

图1 DWK型户外高压无功自动补偿装置的电气主接线图

2.2 控制策略

基本的控制策略为：控制器通过电压互感器（TV）、电流互感器（TA）采集线路电压与电流，计算线路所缺的无功补偿容量，根据电压无功控制（VQC）策略投切相应的电容器组，图2所示为5区图的电压无功综合控制策略（考虑了电容投切对电压影响的第2区与第5区，从0区-6区共7个区），是一般变电站VQC 9区图的简化版。

图2 电压无功综合控制5区图

图2中的电压无功控制策略是以电压为优先的原则，如4区中当系统电压较低时，无论线路是否缺少无功，控制策略都要求投入新的电容器组以提升线路电压。由电力线路的等效简化模型可知，线路压降与系统无功的绝对值存在如式（1）的关系：当线路压降较大导致线路末端电压低时，通过无功的过补，即Q为负值可减小线路压降。当投入足够的无功使压降ΔU为负时即可使线路末端电压高于变电站电压。

但从节能降耗的角度讲，线路补偿装置为抬高线路电压返送过多的无功（超过后端负荷所需要的无功值）反而会增加线路的损耗，这与无功补偿减小线路无功流动进而节能降耗的最初目的相违背。变电站VQC只有配合主变有载调压才能更好的发挥电压无功综合控制的功能，同样，如果线路负荷过大或线路过长导致电压较低应采取线路调压器的方法保证电压质量。

因此，在无功策略上，线路无功补偿装置应以功率因数的控制策略为主，结合考虑无功量的影响。例如，当线路负荷较轻时，由于线路的有功负荷较小，如P=30 kW，若无功Q=30 kvar，则线路功率因数约为0.7，此时如果按功率因数策略投切（假定低于0.9投入），假设电容器容量为100 kvar，则投入后无功Q=-70 kvar（假定电容投入前后系统负荷不变），线路功率因数更低，无功电流的流动更大，损耗会更大。在负荷较小时按功率因数投切应综合考虑无功量的绝对值，才不至于投切震荡。

此外，功率因数投切策略应考虑一定的过补允许量，即允许功率因数适当为负，例如运行功率因数的运行区间为0.95～-0.98，相对0.95～0.98的区间能容许更大的负荷波动。例如当负荷P＝240 kW，QL＝180 kW，功率因数为0.8，当投入QC＝-100 kvar电容器时，线路Q＝QL+QC＝80 kvar，此时功率因数为0.95，当负荷逐渐下降，至P＝100 kW，Q＝80 kvar，此时电容器假定还在投入状态，即QC＝-100 kvar，则线路 Q＝QL+QC＝-20 kvar，此时功率因数为-0.98，若功率因数运行范围为0.95～-0.98，则电容器可以继续保持投入状态而不切除。因此，允许适当过补有利于补偿装置的稳定运行，延长电容器的投入时间，提高投切开关的使用寿命，最大程度地降低线损。

2.3 通用分组无线业务（GPRS）远程在线监控功能

在电网智能化发展的大趋势下，对电力设备自动化，信息化程度要求越来越高，线路无功补偿装置安装在一般配网线路上，难以有传统通信信道（如光纤等），因此远程监控需借助于移动运营商的网络，通过GPRS或码分多址（CDMA）数据服务，线路补偿装置可实时在线将运行数据传输至移动网络，再通过移动网与互联网的接口，在互联网上设置一台数据服务器，即可完成补偿装置与数据服务器之间的双向数据传输。

建立以上连接后，可实现实时查看设备的运行状态，远程查看参数并修改，远程取得设备运行的历史数据，还可实现远程控制功能，为设备的运行与维护提供了极大的方便与灵活性。对于目前一般的5元/月30M数据流量，完全可以满足每10 min一次的数据上传的要求。数据服务器的程序监控界面如图3所示。

表1所示的是通过GPRS网络取得的缙云地区某台DWK线路无功补偿装置的运行数据。

通过对数据的分析可以看出，安装DWK线路无功补偿装置后，除了夜间负荷轻时由于电容器无法投入时功率因数较低外，线路的功率因数一直保持在较高水平，起到了很好的节能降耗的作用。同时，由于采取了适当过补的控制策略，有利于稳定补偿装置的运行，防止投切震荡，减少真空接触器的投切次数。

图3 GPRS远程在线监控程序界面

表1 DWK线路无功补偿装置运行数据

2.4 谐波抑制

随着越来越多的电力电子非线性负荷（通常是一些高效节能负荷，如变频电机，开关电源等）在农网中的应用，尤其当线路中有冶炼厂、轧钢厂时，线路中的谐波含量较大，谐波对电容补偿装置有着很大的影响。当线路中存在谐波源，同时存在电容补偿装置时，系统的等效电路如图4所示。

图4 谐波的系统等效阻抗图

图4中Ih为等效谐波源电流源，h为特征次谐波次数，一般为5，7次等，Xc为线路无功补偿装置等效基波容抗，Xs为等效的基波系统阻抗，对谐波源而言，线路无功补偿与系统阻抗是并联电路，因此流过电容器的电流为：

由式（2）可以看出，当在某一次谐波h下导致h2×Xs-Xc＝0，即线路电容与系统阻抗发生并联谐振时，流过电容器的谐波电流Ich理论上为无穷大，即发生所谓的谐波下的并联谐振。此时电容器会因谐波电流严重过负荷，导致电容器损坏。即使不发生并联谐振，由式（2）也可看出Ich必然大于谐波源的电流Ih，即产生所谓的谐波放大现象。

由以上分析可知，在有谐波源的线路中，线路补偿装置与系统阻抗之间会发生谐波放大现象，谐波电流会流过电容器且比谐波源的谐波电流还要大，在某个特征次谐波频率下甚至可能发生系统并联谐振，造成流过电容器的谐波电流远远超过电容器所能承受的范围，导致电容器损坏。

为避免谐波对线路无功补偿装置的影响，可以在电容器补偿支路串联电抗器，使电容补偿支路在特征次谐波频率下呈高阻抗，抑制谐波电流进入电容器支路，应根据系统实际情况确定串联电抗器的电抗率。