配电系统无功补偿方法分析

2021-03-27周荣

光源与照明 2021年5期

周荣

国网湖北省电力有限公司襄阳供电公司，湖北襄阳 441000

0 引言

用电设备在运行过程中，会吸收电源中的有功功率和无功功率，如果电网的无功功率不足，将无法按照要求建立起完整的磁场，导致电网电压降低，使用电设备无法正常工作。在发电机、高压输电线路无法按照实际负荷供给需求提供足够的无功功率情况下，需要选择无功补偿装置，将其设置在配电网中提供无功补偿，使电压得以稳定，设备可以正常工作，从而保障电力系统运行的安全性和经济性。

1 配电系统无功补偿概述

1.1 无功补偿特点

在企业生产中，异步电动机、变压器等设备消耗无功功率较多。异步电动机无功功率在电网消耗无功功率量中占比达60%，变压器占比则约为20%，整流设备、电抗器等约占20%。因此，设备中主要是异步电动机和变压器消耗无功功率，架空供电线路也存在无功功率消耗，供用电设备无功功率补偿方面，可选择动态、静态等补偿方式。

1.2 无功补偿的作用

（1）使系统的功率因数得以增加，相关设备得到充分利用，设备所需容量小、线路和设备损耗降低，实现电能节约目标。（2）提高并稳定受电端和电网的电压，配电系统稳定性增强，而进一步提高电能质量水平。（3）三相负载不协调的地方设置无功补偿，可以使其更加平衡。（4）会增长变压器、发电机等设备和供电线路的备用量，配电变压器安装容量减小，同时降低所需电费。总之，采取无功补偿的目的中，主要就是实现电网无功平衡，高电压水平下无功系统中无功电源比较多可以更好地达到无功平衡要求，同时也会提高系统运行中电压水平。与之相反，无功缺失的情景下运行电压水平则会降低。因此，需注意额定电压下系统无功功率的平衡，合理设置无功补偿装置[1]。

1.3 无功功率对电网的影响

在一般运行过程中，电力系统主要存在两方面无功功率消耗情况，一是在输电过程中，电路本身对无功功率的主动消耗；二是用电设备工作消耗，主要有感性负载、非线性负荷消耗无功这两种情况。用电容量较大的设备，在启动过程中消耗的无功量大，容易导致电网电压产生畸变、波动的情况。在受到感性负载不良影响下，电力系统会出现电网功率因数降低的现象。首先，会影响发电机组、输变电设备，降低电气设备效率，使其输电能力变弱，将增加发电、输变电成本；其次，损耗也会随之增大，使运营成本增加；最后，电网电压会产生波动、畸变问题。

2 无功补偿技术发展现状

2.1 补偿形式

（1）纯电容器补偿形式为主。电网中存在不少谐波，而电容器又比较脆弱，采用纯电容器形式实施系统无功补偿，会放大谐波电力，对用电设备、补偿电容器、相关元件等产生破坏。

（2）接触器为投切开关的方式为主。这种补偿方式将接触器作为投切电容器开关使用，如果用电设备出现较快无功变化，或者系统出现复杂冲击情况，其缓慢的响应速度难以满足跟踪补偿要求。电容器投入产生较大涌流，切除则会产生较大的过电压，再次投入电容器之前，需要进行充分放电。

（3）等容循环投切控制策略为主。采用该控制策略，存在分组粗略、补偿精度低的问题。用电系统欠补偿状态长期持续，导致平均功率因数较低。

（4）普通控制器策略。普通控制器缺乏足够的抗干扰能力，容易出现动作失误、死机等情况，对于存在谐波的系统不适用，其控制器功能简单，难以满足需要多种保护功能的先进补偿系统控制要求。

（5）三相共补补偿形式为主。三相不平衡负载系统中有效分相补偿难以实现。

（6）缺乏完善保护措施，补偿设备异常状态下难以实施有效保护。

（7）成套柜体有着复杂的结构组成，实际组装作业难度较高。

（8）元器件采购于不同的厂家，其质量参差不齐，相关参数配合不准确不合理，影响补偿设备运行的可靠性，易引发故障。

2.2 不良问题

（1）我国无功补偿设备市场中，相关产品存在质量和性能较差的问题，这些产品进入市场会对公用电网造成影响，不利于保障电网运行的安全性和电能质量，影响电力系统的发展。

（2）当前在一些有着高补偿系统要求的场所中，仍主要采用外国设备产品。

（3）维修作业量大、成本高。在相关调查中显示，我国使用传统无功补偿装置只有不足30%的补充设备正常运行、发挥作用，无效设备浪费了大量人力、物力，且节能作用不足，用户还需支付大量额外费用[2]。

3 配电系统无功补偿合理配置原则

（1）有机结合总体平衡与局部平衡，其中以局部平衡为主。主要目标是使区域内电网无功电力达到平衡要求，变电所和配电线路实现无功电力平衡。采取不合理无功电源布局，如补偿容量不合理、补充位置有问题等，会对局部地区无功电力产生影响，导致其就地平衡无法实现，分区与分区之间无功电力输送与交换，需要长途运行，在很大程度上增加电网功率损耗、电能损耗。因此，规划配置无功补偿需保证达到总体要求，然后合理设计各局部补偿方式，优化补偿组合方式，实现最佳补偿效果。

（2）电力部门补偿需结合用户补偿。配电系统中约有55%无功功率为用户消耗，其余主要为配电网消耗。要想减少无功功率的输送，必须实现就地补偿，使电力部门和用户补偿相结合。

4 配电系统无功补偿方法

4.1 变电站集中补偿

为了提高输电网络功率因数，需要采取措施平衡输电网络间无功功率，降低主变压器无功损耗。通常会采取变电站集中补偿方式，选取10 kV母线为无功补偿点，作为接入线，主要补偿装置为静态补偿器、并联电容器和同步调相机。无功补偿设备又被称为并联电容器组，一般其工作模式是对变压器配合调压抽头完成无功补偿、电压调节。在操作、管理和维护方面，集中补偿优势明显，但无法减少配电网的损耗。

4.2 低压集中补偿

当前低压配电变压器所使用的无功补偿方式一般为集中补偿，主要通过计算机技术对低压并联电容器柜加以操控，跟踪用户负载水平，使电容器可自动补偿。这种方式改善了专用变压器用户产生功率，可实现无功功率平衡，维持用户电压水平稳定。但是，该方式不适用于电力系统，系统线路电压水平影响线路电压水平，集中补偿会引发线路波动，但并非主导因素。同时，线路参考电压不在标准之内，会产生冗余无功电容补偿，或者补偿不足问题。

4.3 高压配电线路无功补偿

配电网公共变压器大多采用高压配电线路无功补偿，公共变压器数量多，传输中随着运作发展其数量增加，需要采取无功补偿。通常，安装10 kV室外并联电容器可以改变配电网功率因数，减少功率损耗。高压配电无功优化补偿中，需遵循一定的原则，即尽量减少补偿点，一条线路采取单点补偿方式；控制方式应避免过于复杂，尽量简单，且分组投切装置多选择不设置；接线应简单，每相最好设置一个电容器；避免过量补偿，根据实时功率因数区间合理设置，一般补偿容量在0.95～1.00；简化保护方式[3]。