10 kV电力用户无功补偿方案的实施

王金发，周和平

（1.吉林艾瑞环保技术有限公司，吉林吉林 132013；2.华立仪表集团股份有限公司，杭州 310023）

从电力公司需求侧统计线损看，10 kV供电线路的线损约占总线损的65%～80%，主要原因是60%以上的工业或农业电力用户是通过10 kV系统供电的，因此线损率所占比例较大。通过电容器进行无功补偿，提高功率因数是降低线损的一种有效措施。

经多年运行经验总结，在10 kV线路上采用电容器无功补偿存在很多实际问题，同一条线路，按照无功经济当量或优化无功补偿方案来确定补偿容器及安装位置，其计算结果不尽相同，这些算法都是在设定条件范围的情况下进行计算的，而实际每条线路所带的无功负荷分布情况多变，远超出这些设定条件的范围，因此实际补偿效果并非理想，甚至导致线损增大。另外，10 kV线路上的无功补偿装置主要依靠铅丝保护，运行中因某种原因导致保护铅丝一相或二相熔断，使其补偿容量不平衡，事后又不能被及时发现，给电力系统安全运行带来诸多不利因素。同时电容器受环境温度的影响也很大，特别在夏季，户外电容器的表面温度可达到85℃以上，加速绝缘老化，增大本身损耗，降低使用寿命。基于上述情况，有很多地区已经不在10 kV线路上采用电容器无功补偿的方式。

1 运行现状

10 kV高压电力用户，一般是在0.4 kV侧采用无功自动补偿装置，主要补偿电力负荷所消耗的无功功率。目前普遍采用欠补偿方式，补偿后的功率因数一般在0.9～1.0范围内，剩余部分的无功功率均由电源提供，如图1所示。

图1 10 kV线路无功分布

在图1b中的横轴上方，电源向负荷侧提供的无功功率ΔQL与线路长度L构成一个阶梯形面积，根据镜呈像原理[1]，如果在沿线各点变压器处进行相应的无功补偿，即横轴的下方，电容器补偿的无功功率QC与线路长度L构成同样一个阶梯形面积，它们的面积相互抵消，这时10 kV线路流动的无功功率为0，其补偿效果为最佳。

2 无功功率的构成

10 kV线路中流动的无功功率，主要由变压器空载励磁无功损耗功率ΔQKZ及变压器负载时的漏磁无功损耗功率ΔQLC和用电负荷所消耗的无功功率ΔQFH所构成[2]。即

变压器空载励磁无功损耗

式中：Io%为变压器空载电流的百分数；Ule为变压器一次侧额定电压；Se为变压器额定容量。

变压器带负载时的漏磁无功损耗

式中：Ile为变压器一次额定电流；Ud为短路电压；ud%为短路电压百分数；Sj为实际用电负荷容量。

用电负荷消耗的无功功率，在补偿前cosφ1=0.85，补偿后要求达到 cosφ2≥0.95，即电容器的无功补偿容量为

式中：Se为变压器额定容量；FX为用电负荷系数；取0.8。

3 应用实例

通过上述理论分析，在山东烟台地区对10 kV高供高计和高供低计2家电力用户进行了无功补偿装置改造。为实现图1b中逐点无功补偿效果，通过测量变压器10 kV侧的功率因数来控制0.4 kV侧的电容器容量，这样就可以做到补偿变压器空载励磁无功损耗和带负载时的漏磁无功损耗及用电负荷所消耗的无功功率，也由此从以往过去的欠补偿改变为进相过补偿方式，但并未向系统倒送无功功率，真正实现了无功补偿就地就近平衡。

10 kV系统的中性点一般为不接地方式，对于一个高供高计的电力用户，电能计量装置一般采用V/V接线方式，三相三线制电能表计量。为保证电能计量的准确，电能计量回路是要独立运行的。为测量到同一相的相电压与相电流之间的余弦夹角的功率因数，在计量装置空置的B相中，串接一台电流互感器就可以采集到二次电流Ib，但采集同相位的B相电压就比较麻烦了，通常10 kV配电变压器的接线组别为Y/Y0—12点接线方式，0.4 kV侧采集b相的相电压Ub与10 kV侧UB电压相位之间的夹角为0°，并将这2个参数一同输入到功率因数控制器中[3]。如图2所示。

图2 高压计量无功补偿方式

变压器及电力用户的用电数据见表1。

变压器空载励磁无功损耗为ΔQKZ=Io%·Se/100=0.8×800/100=6.4kVA。

实际用电负荷容量为Sj=Ap/cosφ/t=244 800/0.85/720=400 kVA。

变压器带负载时的漏磁无功损耗为ΔQLC=Se·udFX·cosφ1(tanφ1-tanφ2)=800×0.8×0.85×(0.62-0.32)=163.2 kVA。

用电负荷消耗的无功功率为 ΔQCΣ=Se·FX·cosφ1(tanφ1-tanφ2)=800×0.8×0.85×(0.62-0.32)=163.2 kVA。

表1 变压器运行参数及用电数据

总的消耗无功功率为ΔQΣ=ΔQKZ+ΔQLC+ΔQFH=6.4+9+163.2=178.6 kVA。

总的消耗无功功率即为电容器无功补偿容量，并将它们分成4组，考虑到晚间变压器基本上是处在空载状态下运行，因此第一组容量为QC1=K·ΔQKZ=0.95×6.4=6 kVA，剩余容量可平均分成3组或根据实际用电负荷情况，再进行容量调整。

从上述计算可以看出：该电力用户的变压器空载和漏磁的无功损耗占用电负荷消耗的无功功率近1/10，但每条10 kV线路上一般平均带有30—60个电力用户，这样，变压器的无功损耗所占的比例就较大了。因此，减少线路向变压器输送无功功率，是降损节能的一项必要的技术措施。

高供低计的电力用户一般变压器容量相对较小，电容器无功补偿方式如图3所示。

图3 低压计量无功补偿方式

电容器无功补偿分成2部分，在电能表的后端，通过功率因数控制器来控制补偿电容器组C1—C4的容量，用以补偿负荷所消耗的无功功率，称之为随机自动补偿方式。在电能表的前端，电容器C的作用是补偿变压器的空载励磁无功功率，补偿容量为QC=K·ΔQKZ，称之为固定补偿方式。在晚间用电负荷低谷时，电容器组C1—C4均被自动切除，同时联动装置将开关K合上，补偿变压器空载励磁无功投入运行；当补偿电容器组C1—C4任一组投入运行时，通过联动装置将开关K断开，以防止补偿的无功被电能表所计量。采用这种补偿方式的主要目的是：在负荷低谷或休息日时，变压器基本上是处在空载状态下运行，可变补偿电容器组均已被切除，变压器空载励磁无功功率就由固定电容器C进行补偿。

基于10 kV试点电力用户无功补偿装置改造效果较好，每月节约变压器本身励磁和漏磁无功电量约为11 088 kWh，电力用户10 kV线路入口的功率因数由原来的0.85提高到0.98。浙江金华和山东烟台地区共改造了6条10 kV线路，拆除了2座变电站10 kV母线上集中无功补偿电容器组，实际线损率平均降低1.26%，平均每月节约有功电量约为7万kWh，并提高了供电电压质量，给电力系统带来了显著的经济效益，运行2年来一直安全可靠。

4 建议与小结

通过对一条10 kV线路所带的多家电力用户进行无功补偿方式的改造，除满足负荷所需要的无功功率外，同时通过低压侧无功容量来补偿变压器所消耗的无功功率，使其平衡10 kV高压侧无功功率，每月线损率与同期相比明显降低。无功补偿不仅仅是将功率因数提高到标准要求，提高变压器的有功出力，同时也为减少无功功率在线路中的流动所造成的有功损耗。通过改造无功补偿方式，发现有这样情况：2户电力用户所带的用电负荷分别为P1+jQ1、P2+jQ2，并且P2+jQ2＞P1+jQ1，如图4所示。

图4 实例

对于第一个电力用户，因无功补偿没有达到标准而被罚款，第二个电力用户所消耗的无功功率比第一个电力用户还要大，但只是因为有功功率大，非但没有被罚款，相反得到奖励，因为功率因数达到标准要求。从降损节能的角度看，线路传输的无功功率越大，所造成的有功损耗也随之增大。因此，通过无功补偿方式降低线路有功损耗，主要从消耗无功电量大的电力用户着手解决，同时现行电价政策应取消功率因数调整电费，改为按照无功电字收取无功电费的方法更为合理。

[1]盛小伟，黄梅.无功补偿电容器组的并联谐振分析[J].电力电容器，2006(5):13-16.

[2]梅厚西,周和平.电能计量装置接线方式的选择[J].农村电气化,2012(2):20-22.

[3]周和平,张艳秋.现行电价政策与变压器经济运行[J].电气时代,2011(3):68-71.