高压电网进行无功补偿的意义原则及配置方案优化分析

2023-01-19郭亚琼

当代化工研究 2022年5期

＊郭亚琼

（山西省蓝焰煤层气集团有限责任公司山西 048200）

引言

在高压电网中，无功补偿可以大大优化电网的功率因数。与此同时，在电能变压以及相应的传输时，将有效降低电力损耗，进而优化电网质量。由此可以看出，无功补偿装置在高压供电过程中发挥着不可估量的作用。笔者以优化无功补偿思路提出与之匹配的无功补偿优化方案。

高压电网输出功率包括如下两种：第一，有功功率；第二，无功功率，前者将电量传输给用电设备，电能主要转化成为机械能以及热能，因此是直接做功功率，从而将其成为有功功率。而后者在将电能消耗在容性以及感性元件的电磁转化方面，因此将其称为无功补偿功率。

无功补偿也称作无功功率，提高了无功补偿就可以优化高压电网的功率因数，与此同时可以有效降低传输过程中的电能损失，从而可以起到节约电能的作用。为了能够最大限度的优化电网质量，必须选择合适的无功补偿装置。假如所选择的无功补偿装置不理想，那么在高压供电系统中就会出现谐波现象。

1.高压电网无功补偿研究现状

(1)无功补偿的重要意义

无功功率补偿技术主要将容性设备以及相应的感性设备进行连接，保证电能在两种负载之间实现自由转化，这样能够避免因非线性负载增加，从而引发电流在输电线中来回被利用。由于在高压电网输送电能的过程中，有较长线路的输送过程，发电机组所能够产生的无功功率并不能满足电路末端感性负载的需要，那么往往需要在无功补偿位置设置匹配的无功补偿装置。因此可以有效降低设备的能耗，起到节能的效果[1]。

(2)无功补偿配置应遵循的原则

高压电网无功补偿有两种形式：

第一，集中补偿；

第二，分散补偿。

因此在选择补偿方案的过程中必须充分集合集中补偿以及分散补偿，这样可以以高低压电网互补的形式，实现稳定电压以及降低能耗的目的。

无功分层分区平衡原则。为了能够更好地优化电网质量以及更好地降低能耗，必须充分结合电网负荷高低遵守无功分层以及分区的形式，还应该充分考虑输电设备的故障问题，从而可以在设备故障情况下，做好无功预算值的优化。当设备出现故障问题时，不会出现电网无功供电能力不足的问题。

无功补偿设备配置原则。为了能够更好地对补偿设备进行检修，可以将无功功率设备集中设置。而相应的并联电容器组可以进行合理的分配，为了能够更好地维护补偿设备，电容器组也应该相对集中设置。

变电站无功补偿原则。在对变电站实施无功补偿的过程中，必须充分结合电网电压以及相应的网架强度。对于35～110kV之间的高压电而言，往往输电电路的负荷比自然状态下的功率要大，由此可以看出必须把容性设备进行分散设置。对于220kV的电网而言，假如设置的网架强度不够，那么将呈现感性，这时容性无功功率补偿装置可以对主变的功率进行补偿。假如网架比较强，那么当电网处于波峰状态时，输送的负荷相对较大，以及出现电网内感性无功逐渐增加，为此需要提高设备的功率因数。而相应的在电网系统中，有功高功率因数不断增加，相应的单位补偿功率将会降低。

假如电网处于波谷状态时，那么由于输出负荷相对较小，而导致电网表现出容性，这时可以将主变两端的电容器断开。对于电压超过了330kV的电网而言，往往需要设置感性以及容性的设备。

(3)各类无功补偿设备的优缺点

同步调相机是能够发出无功功率的同步电动机，不带负载。为了能够有效提高电网的稳定性，可以通过调整电流来改变无功功率。在早期，同步调相机得到广泛的在用，可是其属于同步电动机，具有噪声大、响应性能较差、容量以及成本等问题，所以同步调相机技术也逐渐失去了市场的青睐。

由于并联电容器组具有成本低以及便于维护特点得到认可，可是在使用的过程中，需要借助机械开关来控制电容器组的通断，从而导致在合闸的过程中出现过热或者噪声等缺点，导致电容器组不能更好地进行切换，由此可以看出并联电容器组仅仅能够满足负载相对稳定的电网。通常情况下并联电网能够对电网中的过剩无功功率进行吸收，这样可以有效保证在电网电压出现超限的现象时，可以将其接入母线，因此可以更好地接入电力系统。

静止无功补偿设备（SVC）在实践过程中，因其具有良好的性能，（SVC）不仅可以输出容性电流，而且可以输出感性电流。由于其调节速度相对较快，从而能够对电网进行快速的补偿，尤其在动态补偿的过程中表现效果较好。在使用的过程中性能稳定，便于工作人员进行维护[2]。

(4)无功补偿不当的不良影响分析

无功功率过大会导致供电系统的功率因数显著下降，降低电力系统的供电质量，主要原因是：

首先是增加线路和变压器的能量消耗，此外一旦功率因数下降较多，有功状态下的能耗也显著提升；

其次是增加供电网络中的电压损失，造成电压不足，难以满足实际供电需求，有功状态下的负荷需要达到既定值，必然造成无功功率大幅提升，整个电网系统的电压损失也随之增加，供电效果显著下降；

然后是电网系统配套的供电设备供电能力保持不变，无功功率过大会导致有功功率显著下降，供电设备的供电能力无法达到既定值。

根据上述结论不难发现，电感设备的无功功率和功率因数呈反比关系，过大的无功功率不仅会导致供电设备的供电能力下降、供电质量难以满足实际需求，还会增加电网的电能消耗。因此通过补偿无功功率的方式，适当提升功率因数，能够提升电力系统的供电质量，降低能量损耗。

2.高压电网无功补偿配置方案的优化思路

(1)无功补偿优化的重要意义

无功补偿优化规划在算法方面比较复杂，建模形式也相对困难，因此在电网设计的过程中不能更好地应用。在设计过程中，必须依据无功配置原则进行补偿。以110kV变电站无功配置为基础，容性无功补偿必须依据主变容量的10%～30%，与此同时，以输电线路出现情况进行配置，满足容量感性无功功率的需要。按照不同特性电网确定出其容性和感性无功配置的几种差异化方案，进一步深入改进优化无功配置原则，这对提高电网运行的安全，经济运行意义重大。

电网具有不同的特点，使得无功平衡需求存在一定的差异性，可是由于通用性相对较为复杂，因此不能更好地进行优化设计，往往导致部分变电站存在过度补偿的现象。对感性无功补偿功率进行量化，在设计过程中会出现补偿性配置问题，严重的会影响电网的稳定性。为了能够更好地优化无功电压的调控能力，需要更好地量化无功配置原则。在进行设计的过程中，设计人员必须提出容性与感性无功配置的多种方案，更好地优化务工配置原则，和提高电网的安全性以及经济意义。

(2)无功补偿配置方案的优化思路

为了能够更好地优化无功补偿配置原则，需要注意如下几点：第一，负荷特性；第二，无功电压特性。并以此为原则对高压电网进行细分，通常细分类型为5～6种。针对一类配电网，需要选择多种案例对其实施无功优化分析，同时案例必须具有更鲜明的差异性，这样可以为配置提供更好地无功优化。工作人员必须高度重视量化指标，从而可以更好地进行设计。此外，无功配置率的范围应该设定在相对较小的范围内，便于设计人员进行设计，并对配置进行优化。

(3)无功补偿的优化分析

由于无功补偿的存在能够对高压电网输出以及输入过程中的电压与无功功率进行分区与分层控制，这时通常可以在变压器低压端设置无功补偿装置，平衡无功功率，防止变压器高压端位置出现无功交换，最大限度的降低电网损失。

在无功功率补偿装置中，如果设置多组电容器，那么配电网络运行就越稳定。可是假如分组过多，也会导致需要设置更多的开关设备，因此不利于经济性。反之分组过少，将导致电网负荷出现过大的波动，往往设置一组开关后，进行补偿，可是一旦开关断开将会出现欠补偿的现象。一般情况下，无功补偿装置单组容量设定为变压器容量的10%。为了能够均衡配置变电站无功补偿装置，通常可以将新增加的补偿容器平分到主变压器上。简而言之，通过执行该原则，可以更好地优化无功补偿功率，从而可以更好地满足电网对无功补偿的需要。

3.无功补偿优化配置方案

无功配置率主要是指高压电网配置的最优补偿容量以及相应的变电站容量数值。可以作为变电站设置无功补偿配置容量的重要依据。通常可依据无功补偿的分布间隔，这样可以得到相应的容性与感性无功配置的方案。对于传统的容性无功功率而言，在进行配置时需要依据主变压器容量的10%～30%进行配置。与此同时传统的原则仅仅可以得到一个不确定的容量，经过优化处理后，无功配置率的范围将会大大减少。

(1)容性无功补偿的优化配置方案

假如某电网所承担的负荷相对较小，为了能够更好地保持电压的水平，220kV变电站容性无功配置率通常设定在4%～5%的范围内。对于110kV变电站而言，其容性无功配置率应该保持在10%～20%范围内。这样可以大大降低容性补偿设备的投资，降低企业成本。

(2)感性无功补偿的优化配置方案

假如某电网所承担的负荷相对较小，为了可以合理控制电压以及能耗，对于220kV的变电站感性无功配置率，其范围可以控制在16%～17%的范围内。对于110kV的变电站感性无功配置率，其范围可以设定在10%～23%的范围[3]。

4.常用的无功补偿方式

（1）就地无功补偿。将无功补偿所需的电容器放置在用电设备周围，与电动机的供电回路进行并联，该方式主要作用于低压电网。电容器通过电压传感器进行控制，电压传感器应当布置在电容器周围，通过晶闸管控制电容器的工作状态。电机在工作过程中所需的无功均由电容器进行就地供给，避免路径过长导致能量损失。此外该方式还能够降低线路中电流的大小，电能的损耗和电流大小呈正比关系，进一步降低了能量的损耗，经济成本得到了很好的控制。该方式的不足之处在于，用电设备的工作环境通常较为恶劣，粉尘含量较高，因此需要定期进行设备的维护，避免污染导致设备使用寿命下降。

（2）分散无功补偿。使用多个高压电容器安装在供电线路的各个环节，通过多个环节综合作用提高电网的功率因数，安放区域包括：电网的10kV/6kV配电线路的杆架上、公用配电变压器的低压侧以及用户各车问的配电母线上，降低电能损耗，提升供电质量。

（3）集中无功补偿。通过变电站以及高压供电电力用户降压变电站母线上安装高压电容器组进行补偿。该方式的优势在于装置整体结构较为简单、维护修理较为方便、能够实现无功补偿的自动控制以及降低专用线路的电能损耗。该方式的不足之处在于安装位置导致用户内部的电能损耗难以得到控制。

上述补偿方式各有优势，选取何种方式需要根据电网的实际情况进行判定。对于工作载荷较大且工作循环较为频繁的线路，通常使用动态补偿的方式，提升电能消耗的控制效果。工作载荷较小的电路采用静态补偿的方式，动态补偿效果提升较小且设置较为复杂因此不予考虑。通常情况下电焊工作时常超过5s且电机的启动过程也超过5s，动态响应的时间为几十毫秒并且响应结束后补偿较为稳定，因此动态补偿的方式能够满足实际工作需求。

通过无功补偿的方式，能够提升用电设备的功率因数以及降低电压损耗，对于能耗的控制有着重要意义。通过对变压器二次侧进行补偿降低变压器二次侧的电压损失。通常情况下根据线路和载荷的不同，工厂的电力损耗范围在2%～3%之间，通过增加电容的方式进行无功补偿提升功率因数后，线路电流显著下降，电路中的电能损耗显著降低。电路中的电流减小使得变压器、开关等设备工作过程中的载荷下降，设备的使用寿命有所提升。

无功补偿能够提升设备的供电质量、降低线路的电能损耗、延长设备的使用寿命以及节约用户的经济成本，操作较为简单，使用效果较好。