农村电网无功功率补偿的技术探讨
2010-06-21陈进
陈 进
（临武县水利电力有限责任公司 郴州市 424300）
在农村电网中，随着变压器和交流电动机等电感性负载的广泛使用，电力系统内陡增大量感性无功电流，从而导致线路输送电流增大，因而增加了馈电线路损耗和线路压降，使电力设备得不到充分利用。目前，最经济最普遍的方法之一，就是采用并联电容器组提供电容性电流对电感性电流给予补偿，即采取无功功率补偿，以改善农网电压质量,充分发挥设备出力。因此，认真分析无功补偿技术，因地制宜合理配置并联电容器无功补偿装置，符合节能减排要求。
1 无功功率补偿的基本原理及作用
1.1 无功补偿的基本原理
无功补偿的基本原理是：电流在电感元件中作功时，电流滞后于电压90°，而电流在电容元件中作功时，电流超前电压90°。把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，使两者的电流相互抵消，使电流的矢量与电压矢量之间的夹角缩小，能量在两种负荷之间相互交换。这样，感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率来补偿。
1.2 无功补偿的作用
（1）降低系统能耗。
功率因数的提高，能减少线路损耗及变压器的铜耗。线路损耗减少的百分数为：
式中cosΦ1、cosΦ2——补偿前后功率因数。
当功率因数从0.8提高至0.9时，可求得线路有功损耗降低21%左右。
变压器铜耗与电流的平方成正比，在输送功率不变情况下：
式中I1、I2——补偿前后变压器的电流；
铜耗分别为 ΔP1，ΔP2。
当功率因数从0.8提高至0.9时，变压器铜耗相当于原来的80%。
（2）减少线路压降。
电网在进行功率传输时，电流将在线路等阻抗上产生电压损耗，电压损耗计算公式为:△U=（PR+QX）/Un
式中P——线路传输的有功功率（kW）；
Q——线路传输的无功功率（kvar）；
Un——线路额定电压（kV）；
R、X——线路电阻、电抗（Ω）。
若保持有功功率恒定，当线路安装容量为QC的并联电容器补偿装置后，线路的电压损耗变为：△U′=[PR+（QQC）X]/Un
可以看出：采取无功补偿以后，线路传输的无功功率变小，相应地减少了线路电压的损耗，提高了配电网的电压质量，有利于系统电压的稳定。
（3）增加供电功率，减少投资。
对于新建项目来说，功率因数提高后，电流数值下降，供配电线路截面可相应减小，而视在功率值下降，可选用较小容量的变压器，通过无功补偿，可减少设备一次性投资费用，同时也减少了运行后按变压器容量收取的基本电费。
对于原有供电设备来讲，同样的有功功率下，功率因数提高，负荷电流减小，因此向负荷传输功率所经过的变压器、开关、导线等配电设备都增加了功率储备，发挥了设备的潜力。
2 农村电网无功补偿技术方案
无功补偿应遵循“全面规划,合理布局,分级补偿,就地平衡”的原则。
2.1 农村电网无功补偿方案比较
2.1.1 变电站集中补偿
农村电网变电站集中补偿，主要目的是平衡输电网的无功功率，改善输电网的功率因数，提高系统终端变电所的母线电压，补偿变电站主变压器和高压输电线路的无功损耗。一般集中在变电站低压侧母线上安装并联电容器组，电容器组采用星形接线。
其优点：可以减少主变压器和输电线路的无功功率的传输，就近补偿10 kV配电线路无功负荷，能够通过电容器组的投切进行电压调整，集中安装便于维护。
其缺点：不能全线路减少配电网的无功负荷，降低线损的效果不如分散补偿好。
2.1.2 配电线路分散补偿
ROV的各项功能是在用户和ROV之间、ROV内部各软硬件之间的协作基础上实现。正确处理这些协作关系是用户操作软件的内在设计目标。
在农村电网中，大部分的无功消耗在配变和异步电动机上，还有少部分消耗在线路上，按照分级补偿的原则，在考虑了配变的随器补偿之后，将剩余的无功选择好补偿最佳位置和最佳容量，在对应线路上分别安装能自动投切的电容器组。这种补偿方式主要补偿的是配电变压器励磁无功功率和线路上感抗所消耗的无功功率，特别适合于点多、线长、负荷重、电压质量差的农村配电网络，是目前无功补偿方式中最有效、最经济的一种补偿方式。
其优点：可以补偿配网及配电变压器的无功功率，显著地降低农网线损，有效地提高供电电压。
其缺点：分散安装维护不便，轻负荷时电压过高，不易实现及时投切。
2.1.3 低压配电网无功补偿
（1）配电变压器的随器补偿。
随器补偿是指将低压电容器通过低压保险接在配电变压器二次侧，与变压器同投同切，达到补偿配电变压器无功的补偿方式。
其优点：接线简单、维护管理方便，能有效地补偿配变无功，使该部分无功就地平衡，提高配变利用率，降低无功网损，具有较高的经济性，是目前补偿无功最有效的手段之一。
其缺点：随器补偿属于固定补偿方式，降损效果不及随机补偿。
（2）电动机的随机补偿。
其优点：具有最佳调压和降损效果，投切及时，接线简单，便于管理。
其缺点：对一些年运行小时少或利用率低的设备，补偿电容器利用率不高。
（3）低压集中补偿。
低压集中补偿是指用无功补偿自动投切装置作为控制、保护装置，将电容器分组并联装设在用户配电变压器低压侧或配电室的0.4 kV母线上的补偿方式。该补偿装置需要具有自动跟踪投切功能，又称为低压跟踪补偿。
其优点：运行方式灵活，运行维护工作量小，利用补偿电容器的分组投切，还能进行调压，改善电压质量。
其缺点：控制保护装置复杂、首期投资相对较大。
2.2 农村电网无功补偿容量的确定
2.2.1 集中补偿容量的计算
（1）变电站集中补偿。
（35～110）kV变电站的容性无功补偿装置以补偿变压器无功损耗为主，并适当兼顾负荷侧的无功补偿，无功补偿方式为10 kV母线集中补偿。其选择的补偿容量应为主变无功损耗和主变一次侧到电源点之间的线路无功损耗之和。即：
式中Qc——变电站无功补偿容量；
I0%——变压器空载电流百分数；
Uk%——变压器短路电压百分数；
Se——变压器额定容量；
XL——每公里线路阻抗值；
L——35 kV或110 kV线路长度（km）；
I——实际运行的35 kV或110 kV线路电流。按照只能欠补不能过补的原则，实际补偿容量必须小于计算值。
若缺乏资料时，对（35～110）kV变电站，容性无功补偿装置的容量可按主变压器额定容量的10%～30%配置，并满足（35～110）kV主变压器最大负荷时，其一次侧功率因数应不低于0.9，在低谷负荷时功率因数应不高于0.95。
（2）配电线路集中补偿。
在10 kV配电线路上安装高压并联电容器，电容器的安装容量不宜过大，并且在线路最小负荷时，不应向变电所倒送无功，如配置容量过大，则必须装设自动投切装置。考虑到运行维护等因素，通常一条配电线路以安装一组补偿电容器为宜，安装于“2／3”线路处的所谓2/3原则。补偿容量可按线路上配变总励磁无功功率进行补偿，补偿容量可由下式确定：
式中Qc——线路无功补偿容量；
I0%——线路所有配变空载电流百分数的加权平均值；
Sei——单台变压器的容量；
XL——每公里线路阻抗值；
If——线路负荷电流；
L——线路长度。
根据运行经验，一般配电线路集中补偿容量约为线路配电变压器总容量的5%～10%。
（3）低压集中补偿。
低压集中补偿容量不宜过大，电力用户应以就地补偿为主，以低压集中补偿为辅，其容量的确定，新上的用户可按变压器容量的30%～40%确定。原有用户可按下式计算：
式中a——平均负荷系数，可取0.7～0.8；
PJS——计算有功功率；
tgΦ1、tgΦ2——补偿前、 后计算负荷功率因数正切值。
2.2.2 低压就地补偿的容量计算
（1）随器补偿。
配电变压器的无功功率损耗包括空载励磁损耗和漏磁无功损耗，其补偿容量可按下式计算：
式中Qc——变压器无功补偿容量；
I0%——变压器空载电流百分数；
Uk%——变压器短路电压百分数；
Se——变压器额定容量；
β——变压器负荷率可取0.7～0.8。
根据运行经验，一般配电变压器补偿容量约为配电变压器容量的20%～40%。
（2）随机补偿。
异步电动机的无功补偿功率可按其技术参数选择，以便电机在运行过程中，功率因数在0.90～0.98之间变化。按电动机额定参数计算无功补偿容量公式如下：
式中Qc——无功补偿容量（kvar）；
Ue——电机额定线电压（V）；
Ie——电机额定电流（A）；
cosΦ——电动机额定功率因数的正弦值；
K——补偿系数，2、4极电动机取0.8，6、8极电动机取0.9。
3 结合实例进行并联电容补偿的效益分析
3.1 无功补偿的经济分析
以一家普通工业用电户为例，该用户配变容量：S=100 kVA；有功功率：P=70 kW；功率因数：cosΦ=0.7；每日(按 10 小时)用电量为：A=700 kW·h 。
该用户未安装无功补偿装置时，根据电价手册规定，普通工业用电的功率因数为0.7时，应增收7.5%的功率因数调节电费。如果电能电费按年平均值0.58元/kW·h，则该用户每天增加的功率因数调节电费为：0.58×700-7.5%=30.45（元），即供电部门对该用户加收的功率因数调节电费为30.45元。
如果该用户安装无功补偿装置，功率损耗将明显减少。为简化计算程序，采用无功补偿经济当量来计算无功补偿的经济效益，即每安装1 kvar的补偿电容，相当于降低了多少千瓦的有功损耗。查有关资料知，各种电压等级的无功补偿经济当量和该用户补偿后的降损功率如附表。
附表 各电压等级下的无功补偿经济当量和补偿后的功率损耗
从以上数据可知，该用户每天在35 kV、10 kV、0.38 kV线路上减少的有功功率损耗总和为：△P=4.25+1.70+0.48=6.43 kW；
每天减少的损耗电量为：△A=6.43×10=64.30 kW·h；
每天减少损耗电费为：0.58×64.30=37.29元。
该用户每天减少损耗的有功电量占每天供电量的比例为：
该用户如果按规定，将现有的用电功率因数从0.7提高到0.85，需安装电容0.4 kvar/kW，70 kW共需安装电容容量应为：0.4×70=28.00 kvar。
按目前市场上价格，60元/1 kvar计，购28.00 kvar的电容投资为1 680.00元。
3.2 无功补偿的经济效益比较
经无功补偿的经济分析后，对该用户作如下经济效益比较：安装补偿电容后，线损下降了8.41%；安装补偿电容器后，供电部门的经济效益损失可减少：每天：37.29－30.45=6.84元，每月：按22天计，6.84×22=150.48元，每年：按 264 天计，6.84×264=1 805.76 元。
安装补偿电容后，用户的经济损失可减少：每天：30.45元，每月：按 22天计，30.45×22=669.90元，每年：按264天计30.45×264=8 038.80元。用户购买28 kvar电容器的投资1 680.00元，仅需两个半月即可收回成本。
据计算，安装补偿电容后，可提高2.83%的低压末端电压。增加了配变15 kW的有功出力。
3.3 结 论
从以上的分析和经济效益比较，当用户的用电功率因数未达到规定值时，应就地安装电容补偿无功，既可减少供电部门的经济损失，又可减少用户的经济损失，还可以提高线路末端电压和配变出力，是降损增效的好措施。对企业来说，电容补偿更是降低企业成本、提高企业经济效益的好办法。
随着无功补偿技术研究的进一步加深，出现了SVC、ASVG晶闸管动态静止无功补偿装置，它们在改善系统电压质量，提高稳定性方面具有无法比拟的优点，能有效提高配电网电能质量的综合指标，改善系统的动态和静态品质，是今后静止无功补偿技术发展的方向。
1刘文华.采用GTO的新型静止无功发生器[J].电力系统自动化，1997，（3）.
2姜齐荣，等.采用GTO的±120kvar新型静止无功发生器[J].清华大学学报，1997.
3米勒.电力系统无功功率控制[M].北京：水利电力出版社，1990.
