无功补偿技术在低压配电系统中的应用

孔令俊

摘要：针对目前低压配电系统功率因数较低，严重影响低压配电系统供电质量的问题，文章首先分析了在低压配电系统进行无功补偿的原理和原则，其次探究了无功补偿技术在低压配电系统的具体应用，最后研究了在低压配电系统进行无功补偿时补偿容量的确定方法，期望能为实际进行无功补偿提供一定的借鉴。

关键词：无功补偿技术；低压配电系统；功率因数；供电质量；补偿容量 文献标识码：A

中图分类号：TM714 文章编号：1009-2374（2015）04-0066-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0315

随着人们生活水平的提高，电力负荷持续增长，大量感性负荷和新型非线性电力设备在电网中得到广泛应用，这就要求电网必须提供足够的无功功率，否则，将会对电网的供电质量造成严重影响。尤其是低压电力，用户数量多，分布范围广，所用负荷的功率因数又比较低，因此对低压配电系统进行无功补偿具有十分重要的意义。

1 低压配电系统无功补偿的原理和原则

1.1 低压配电系统无功补偿原理

无功功率是指没有消耗，仅是将电能转换为其他形式的能，这种能量是部分电气设备能够做功的必备条件，同时这种能量能够和电能进行周期性转换，如电磁元件建立磁场占用电能、电容器建立电场占用电能等。在配电网中，若电流分别在电感元件、电容元件中做功，会使电流和电压出现不同相，前者使电流比电压超前90℃，后者使电流比电压滞后90℃。在同一组成电路中，电感电流和电容电流具有完全相反的方向，在相位上相差180℃。此时若在电磁元件电路中安装合适的电容元件，使电感电流和电容电流完全抵消，减少电路中电流和电压矢量的夹角，提高整个配电网的做功性能，这就是无功补偿的原理。

1.2 低压配电系统无功补偿的基本原则

在对低压配电网进行无功补偿配置时必须遵循下述三个原则：第一，总体平衡和局部平衡相结合的原则；第二，分散补偿和集中补偿相结合的原则；第三，降损和调压相结合的原则。通常情况下，低压配电网络在进行无功补偿时，都以局部、分散补偿为主，兼顾整体平衡和集中补偿，还要结合电力部门和用户补偿进行整体设计，最大限度减少无功功率在低压配电网的输送，实现就地补偿和平衡。

2 无功补偿技术在低压配电系统的应用探究

2.1 通过无功补偿能够有效减少低压配电系统输电线路的功率损耗

低压配电网在补偿前后，系统的有功功率为固定值，用公式表示为：，在对系统进行无功补偿后，会得到一定程度的提高，即补偿后略微大于，为了研究问题的方便，可近似认为补偿前后的电压相等，此时可以得到：，据此能够求出对低压配电系统进行无功补偿后，线损减少的百分数可表示为：；若补偿前后系统的功率因数从0.70～0.85增加到0.95，根据线损减少的百分数公式可知低压配电系统的有功损耗将降低20%～45%。

2.2 通过无功补偿能够有效改善低压配电系统的电压质量

若低压配电系统线路中的电流为，则此时线路中的电压降可表示如下式（1）所示：

（1）

上式中，Z、R、X分别表示线路的阻抗、电阻和电抗。根据电阻抗三角形的关系，对上式进行数学变换，可得到如下（2）所示的表达式：

（2）

上式中，表示功率因数角。在一般低压配电系统中，存在，此时在对整个线路进行无功补偿后，在一定程度上减少了功率因数角，ΔU也明显得到减小。由此可知，在低压配电系统中进行无功补偿后，能够改善配电系统的电压质量。

2.3 能够提高电力设备的利用率，增加电力供应

若低压配电系统供电容量不足，不仅会造成电压波动，也会导致配电网的输电线路和设备过热。若装设了无功补偿电容器，就可以产生释放容量，增加电力供应。如在某供电系统中，电力设备的有功功率、无功功率和视在功率分别为P1、Q1、S1，如图1所示：

图1 视在功率不变时无功补偿释放电容 图2 视在功率不变无功补偿后的有功输送容量

如果在系统中增加补偿电容器的容量为，且，此时系统中的有功功率不会发生变化，但无功功率由下降为，功率因数从增加到，视在功率由减小到，且，则系统释放的电容量为，能够减小电力设备容量的百分比为：。如果在加入无功补偿装置后，若保持电路中电流和视在功率不变，则有功功率，无功功率和视在功率的关系如图2所示。此时无功功率增加的百分比为：，每千乏补偿设备能够增加的有功功率为：。

据上述分析可知，对低压配电网电力设备来说，在用功功率一定的条件下，若功率因数得到一定程度的提高，负荷电流就会出现一定程度的下降，此时在向负荷传送功率时所经过的电力设备都增加了一定的功率储备，满足了负荷增长的需要；若低压配电网已经过载，随着功率因数的增加，输送无功会出现一定程度的减小，能使低压配电系统不再过载运行，充分发挥原有电力设备的潜力；对于处于设计阶段的新建企业所建的低压配电系统来说，进行无功补偿能够降低设备容量，减少成本，在一定程度上还能减小所选变压器的容量。

2.4 无功补偿能够减少企业的开支

为了合理利用电能，国家对不同性质的企业收取不同的电费，同时对于功率数值的要求也存在差异，所以，很多企业为了节省电费开支，在其低压配电系统增加无功补偿，这样不仅能减少机器产生的电能损耗，也能节约电费开支，降低企业的生产成本。

3 低压配电系统无功补偿容量的选定

要计算无功补偿容量，必须首先计算低压用电企业的平均功率因数，如下所示：

3.1 平均功率因数的计算

对于运行年限不同的企业，平均功率因数的计算具有不同的方法，具体来说可分为下述两种情况：

第一，对于运行超过一年的用电企业，可根据过去一年的有功和无功电能消耗量来进行计算如下式（3）所示：

（3）

上式中，PP、QP、Wn、Vn分别表示用电企业年平均有功负荷、无功负荷、年有功和无功电能消耗量。

第二，对于处于设计阶段的企业或者刚投入运行的用电企业，无法得到年平均有功和无功电能消耗量，只能按照用电单位的计算负荷进行估算如下式（4）

所示：

（4）

上式中，Pj、Qj、α、β分别表示有功计算负荷、无功计算负荷、用功和无功负荷系数。

3.2 补偿电容器的容量和数量的确定

无功补偿电容器容量的计算通常有下面两种计算

方法：

第一种，利用补偿率计算补偿电容器的容量。假设某用电企业低压配电系统补偿前后的无功功率分别为、，则需要进行人工补偿的电容器容量为：，其中、分别表示补偿前后的正切值。补偿电容器容量确定后，根据补偿电容器的技术参数选定相对应的信号规格，就可以确定补偿电容器的数量。

第二种，根据年电能消耗量和年最大负荷利用小时数来计算补偿电容器的容量。采用此种方法进行计算时，年最大负荷利用小时，属于假想时间，通常按照最大负荷持续用电时间进行计算，所消耗的电能正好等于一年内实际消耗的电能，此时补偿电容器的容量为：，容量确定后可根据相关要求确定电容器的数量。

4 结语

综上所述，在低压配电系统中运用无功补偿技术后给电网带来明显的好处，这种无功补偿方式不仅能提高低压配电系统的功率因数，还能有效地降低损耗，确保供电质量和可靠性，同时也提高了用电企业的工作效率和投资成本。

参考文献

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[2] 李东.浅谈低压无功补偿装置在配电网中的应用[J].中国科技信息，2010，（17）.

[3] 杨桂丹，李涛.城市配电网无功补偿优化配置的应用研究[J].广东电力，2008，（5）.

（责任编辑：黄银芳）