配电网无功补偿方案比较和补偿工程应注意的问题

　　 1 引言

　　我国配电网的规模巨大，因此配电网无功补偿对降损节能，改善电压质量意义重大。本文结合当前人们关注的电网无功补偿问题，重点分析、比较了配电网常用无功补偿方案特点，并通过对无功补偿应用技术的分析，提出了配电网无功补偿工程应注意问题和相关建议。
　　 2 配电网无功补偿方案比较
　　配电网无功补偿方案有变电站集中补偿、配电变低压补偿、配电线路固定补偿和用电设备分散补偿。四种方案示意图见图1所示。
　　 2.1 变电站集中补偿
　　变电站集中补偿装置包括并联电容器、同步调相机、静止补偿器等，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。这些补偿装置一般集中接在变电站10kV母线上，因此具有管理容易、维护方便等优点，但这种补偿方案对10kV配电网的降损不起作用。



　　鉴于变电站无功补偿对提高高压电网功率因数，维持变电所母线电压和平衡系统无功有重要作用，因此应根据负荷的增长安排、设计好变电站的无功补偿容量，运行中在保证电压合格和无功补偿效果最好的情况下，尽可能使电容器组投切开关的操作次数为最少。

　　配电变低压补偿是目前应用最普遍的补偿方法。由于用户的日负荷变化大，通常采用微机控制、跟踪负荷波动分组投切电容器补偿，总补偿容量在几十至几百千乏不等。目的是提高专用变用户功率因数，实现无功的就地平衡，降低配电网损耗和改善用户电压质量。
　　配变低压无功补偿的优点是补偿后功率因数高、降损节能效果好。但由于配电变压器的数量多、安装地点分散，因此补偿工程的投资较大，运行维护工作量大，也因此要求厂家要尽可能降低装置的成本，提高装置的可靠性。
　　采用接触器投切电容器的冲击电流大，影响电容器和接触器的使用寿命；用晶闸管投切电容器能解决接触器投切电容器存在的问题，但明显缺点是装置存晶闸管功率损耗，需要安装风扇和散热器来通风与散热，而散热器会增大装置的体积，风扇则影响装置的可靠性。


　　为解决这些问题，笔者组织开发、研制了机电一体开关无功补偿装置[2]，机电开关补偿装置典型接线如图2所示。装置采用固定补偿与分组补偿结合，以降低装置的生产成本；装置能实现分相补偿，以满足三相不平衡系统的需要。机电开关控制使装置既有晶闸管开关的优点，又具有接触器无功率损耗的优点。几千台装置的现场运行、试验表明，机电开关补偿装置体积小、可靠性高，能满足户外环境、长期工作需要。机电开关的原理与技术详见文献[2]。
　　低压补偿装置安装地点分散、数量大，运行维护是补偿工程需要重点考虑的问题；另外，配电系统负荷情况复杂，系统可能存在谐波、三相不平衡，以及防止出现过补偿等问题，这些工程中应注意的问题后面详细介绍。

　　大量配电变压器要消耗无功，很多公用变压器没有安装低压补偿装置，造成的很大无功缺额需要变电站或发电厂承担，大量的无功沿线传输使得配电网的网损居高难下，这种情况下可考虑配电线路无功补偿，文献[3][4]提出了配电线路无功补偿的必要性和方法。
　　线路补偿既通过在线路杆塔上安装电容器实现无功补偿。由于线路补偿远离变电站，因此存在保护难配置、控制成本高、维护工作量大、受安装环境限制等问题。因此，线路补偿的补偿点不宜过多；控制方式应从简，一般不采用分组投切控制；补偿容量也不宜过大，避免出现过补偿现象；保护也要从简，可采用熔断器和避雷器作为过电流和过电压保护。
　　线路补偿主要提供线路和公用变压器需要的无功，工程问题关键是选择补偿地点和补偿容量，文献[4]给出了补偿地点和容量的实用优化算法。线路补偿具有投资小、回收快、便于管理和维护等优点，适用于功率因数低、负荷重的长线路。线路补偿一般采用固定补偿，因此存在适应能力差，重载情况下补偿度不足等问题。自动投切线路补偿仍是需研究的课题。
　　 2.4 用电设备随机补偿
　　在10kV以下电网的无功消耗总量中，变压器消耗占30％左右，低压用电设备消耗占65％以上。由此可见，在低压用电设备上实施无功补偿十分必要。从理论计算和实践中证明，低压设备无功补偿的经济效果最佳，综合性能最强，是值得推广的一种节能措施。
　　感应电动机是消耗无功最多的低压用电设备，故对于油田抽油机、矿山提升机、港口卸船机等厂矿企业的较大容量电动机，应该实施就地无功补偿，即随机补偿。与前三种补偿方式相比，随机补偿更能体现以下优点[5]：
　　1）线损率可减少20%；
　　2）改善电压质量，减小电压损失，进而改善用电设备启动和运行条件；
　　3）释放系统能量，提高线路供电能力。
　　由于随机补偿的投资大，确定补偿容量需要进行计算，以及管理体制、重视不够和应用不方便等原因，目前随机补偿的应用情况和效果都不理想。因此，对随机补偿需加强宣传力度，增强节能意识，同时应针对不同用电设备的特点和需要，开发研制体积小、造价低、易安装、免维护的智能型用电设备无功补偿装置。
　　根据以上常用无功补偿方案的分析、讨论，我们可归纳、整理出四种补偿方案的特点和基本性能如表1所示。

补偿方式	变电站集中补偿	配电变低压补偿	配电线路固定补偿	用电设备随机补偿
补偿对象	变电站无功需求	配电变无功需求	配电线路无功基荷	用电设备无功需求
降损范围	主变压器及输电网	配电变及输配电网	配电线路及输电网	整个输配电系统网
调压效果	较好	较好	较好	最好
单位投资	较大	较大	较小	较大
设备利用率	较高	较高	很高	较低
维护方便性	方便	较方便	方便	不方便

　　 3 无功补偿的调压作用分析

　　鉴于配变无功补偿是供电企业和用户普遍关注的工作。现在开始，本文重点对配变无功补偿及工程问题进行分析和探讨。
　　 3.1 典型实例的计算
　　图1为某市台江变电站10kV母线953线路简化接线。该线路自变电站端开始一段与956线为同杆双回线，其中956线较短些，接有18台配电变压器；而953线路较长，接有31台配电变压器，变压器总容量为9895kVA。
　　953线路31台变压器容量为50~1000kVA大小不等，为计算和分析方便，对实际的31台变压器就近进行了等值处理。例如，节点8处是一个较大的用户，接有3台1000kVA的变压器；而节点3处1695kVA是6台变压器的总容量，其它节点情况与节点3相同。
　　图1各段线路下数字为导线公里长度，主干线路导线型号为LGJ—120。根据图1各节点变压器的总容量，假设变压器在经济负载系数Kf=0.65（相当较大负荷情况）状态下工作，取功率因数为cosφ=0.85，可计算节点变压器和各段线路的有功负荷；再假设变电站母线电压分别为10.5kV和11.4kV，运用负荷矩法可分别计算不同情况下线路的各节点电压。依此方法计算的几种结果如表2所示。




　　 3.2 计算结果分析
　　表2中变电站母线电压10.5kV为负荷高峰期正常逆调压的要求电压；11.4kV是为保证和满足线路末端用户（节点8和节点9）母线电压在额定范围内，变电站母线应达到的电压，也是实际系统中经常需要的运行电压。计算结果为功率因数为0.85和0.95两种情况电压，目的在于分析配变无功补偿对电压的影响。
　　按国标（GB12325-90）电能质量——供电电压允许偏差中的规定：10kV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的±7%。因此，从表2计算结果可以看出：
　　1）该线路依靠正常的分接头逆调压，功率因数cosφ=0.85时，节点6到节点9电压超标；功率因数cosφ=0.95时，节点7到节点9电压超标。因此，仅靠变压器分接头逆调压，不能满足线路末端用户的电压质量要求。
　　2）表2中的cosφ值为各节点变压器的功率因数。因此在配变低压补偿无功功率，提高变压器功率因数，对该线路电压有调节作用，但只能部分地解决电压问题；但从调压和降损两方面考虑，无功补偿是应普遍采用的技术。
　　3）变电站电压提高到11.4kV能满足末端用户电压要求，但变电站母线电压属严重超标。会造成变电站10kV电容器和部分低压电容器的保护超过1.1UN的定值，使无功补偿装置退出运行（实际情况），这将使电网损耗明显增大。
　　 3.3 原因和解决措施
　　造成图1系统电压问题的主要原因是导线截面小、供电半径大。例如，在线路4.5km范围内（5节点之前），电压不会超标。因此，对更换导线或插入新变电站是解决该线路电压问题的根本措施。但由于街区位置和条件限制，插入变电站改造需要的投资非常大，因此该线路必须寻求其它的解决办法。
　　文献[6]提出的有载调压变压器是解决该线路电压问题的有效手段。但配电变的负荷波动大、变化频繁，机械式分接头难适应和满足电网的调压需要。文献[6]提出的晶闸管串联调压方法是一个很好的解决思路，希望这种变压器能尽快得到推广和应用。但该方案需要更换的变压器数量多，工程改造投资会很大。

方案 序号	功率 因数	线路节点电压值（kV）
2	3	4	5	6	7	8	9
5	0.85	10.5	10.083	9.781	9.497	9.797	9.642	9.563	9.581
6	0.85	10.25	9.833	9.531	9.257	9.529	9.374	9.297	9.313
7	0.95	10.5	10.13	9.842	9.589	9.895	9.757	9.687	9.703
8	0.95	10.25	9.880	9.592	9.339	9.646	9.507	9.437	9.453

　　在图1节点6位置安装一台晶闸管电压调节器（TVR）[7]，是解决该线路电压问题的更有效措施。TVR可使节电6电压在方案1和方案2基础上调高500V，有TVR调压的各节点电压计算结果如表3所示。TVR方案优点是一台设备解决全线路的电压问题，经济性是显而易见的。
　　以上实例说明，低压无功补偿具有调节、改善10kV电网电压的作用；但不能解决像图1这种长线路存在的电压问题。
　　 4 无功补偿效益的简要分析
　　配变低压无功补偿能有效降低配电变及以上输配电网的损耗。由于计算整个电网损耗涉及因素多，工作量大，下面仅以图1中节点4的1000kVA变压器为例，通过简单计算，说明无功补偿具有巨大的直接和间接效益。
　　设补偿前节点4变压器满载运行，视在功率S＝1000KVA，功率因数COSφ＝0.85，年用电时间为T＝3000小时，计算：1）若将COSφ提高到0.95，计算需要的补偿电容器容量；2）补偿前需要支付的年费用；3）补偿装置单位投资为150元/kvar，补偿装置本身损耗为3％，投资回收率为10％/年，计算补偿后的年效益。
　　根据已知条件，可计算补偿前
　　P1＝SCOSφ1＝1000×0.85＝850kW
　　Q1＝Ssinφ1＝1000×0.52678＝526.78kvar
　　1）求需要安装的补偿电容器容量x
　　因装置本身有功损耗为3％，补偿后的电网无功Q2＝526.78－x，要求COSφ为0.95，可求tgφ2＝0.3287，于是有
　　
　　可求补偿容量x＝245.73≈246kvar
　　2）补偿前需要支付的年费用
　　基本电费：一般按最大负荷收取，设每KVA收取的费用为180元/年，故有
　　FJ1＝180×1000＝18万元
　　电量电费：设每KWh为0.4元，故有
　　FD1＝0.4×850×3000＝102万元
　　补偿前年费用：
　　FZ1＝FJ1+ FD1＝18+102＝120万元
　　3）补偿后需要支付的年费用和年效益
　　补偿后的视在功率和基本电费：
　　 kVA
　　FJ2＝180×857＝15.426万元
　　电量电费：FD2＝0.4×(850+0.03×246)×3000＝102.88万元
　　补偿装置折旧费：
　　Ff＝150×246×10％＝0.369万元
　　补偿后年费用：FZ2＝FJ2+ FD2+Ff＝
　　15.426+102.88+0.369＝118.675万元
　　安装无功补偿可获得的年效益
　　△F＝FZ1－FZ2＝120－118.675＝1.325万元
　　上面仅仅是无功补偿提高功率因数角度计算的效益；如果计及降低输配电网损耗、功率因数调整电费，以及节约建设投资、改善电压质量等方面因素，其经济效益更加可观。
　　 5 产品选型及工程应注意的问题
　　低压无功补偿安装地点分散、数量多，且配电网电压、负荷情况复杂；工程中相关问题考虑不周，不仅影响装置正常运行，也带来很多维护、管理等问题，工程问题必须引起重视。
　　1）运行及产品可靠性问题
　　与配电变压器相比，低压补偿装置的维护量无疑要高很多；控制系统越复杂、功能越多，维护工作量越大。有些单位从“长远”考虑，提出联网、监控等很多要求，无疑会增大投资和运行维护量，事实是很多没有联网的可能。
　　低压补偿装置的可靠性在开关和电容器，电容器寿命与工作条件有关，因此装置的投切开关是关键。大量工程实践表明，户外配变无功补偿因工作条件差，晶闸管或接触器补偿装置难满足可靠性要求[2]，机电一体开关是最佳选择。

　　对配电台变的补偿控制，有多种类型和不同功能的产品可供选择。城网台变多以无功补偿为主，很多要求有综合监测功能。农网不同场合要求不同，可考虑配电+补偿、补偿+计量，特殊用户可用配电+补偿+计量或补偿+综测。
　　对监控功能的要求高，必然成本高、投资大。建议根据实际需要和使用场合，合理选择功能适用、价位合理的产品。实际工程上，不应出现一个变台安装有多个箱子的情况。

　　很多专变补偿装置根据电压控制电容器补偿无功量，这种方式有助于保证用户的电压质量，但对电力系统无功补偿不可取。前面图1线路的电压分析表明，电网的电压水平是由系统情况决定的。若只按电压高或低控制，无功补偿量可能与实际需求相差很大，容易出现无功过补偿或欠补偿。从电网降低网损角度，取无功功率为控制量是最佳控制方式。

　　前面实例分析表明，配变低压补偿无功可提高配变功率因数，降低配变损耗，但只节点6配变装补偿，对10kV线路降损作用很小。因此，某条线路配变安装补偿数量少或补偿容量不足，影响全网（线路）降损和电压改善效果。
　　前面计算方法确定补偿容量，对实际工程难以实现。配电网日负荷变化大，负荷性质不同，补偿容量要求也不同。大量工程实践表明，对动态补偿在配变容量20%--30%内。同时，对个别情况可能需要进行特殊处理。

　　无功倒送会增加线路和变压器的损耗，加重线路供电负担。为防止三相不平衡系统的无功倒送，应要求控制器检测、计算三相无功投切控制。固定补偿部分容量过大，容易出现无功倒送。一般动态补偿能有效避免无功倒送。
　　系统三相不平衡同样会增大线路和变压器损耗。对三相不平衡较大的负荷，比如机关、学校等单相负荷多的用户，应考虑采用分相无功补偿装置。并不是所有厂家的控制器都具有分相控制功能，这是工程中必须考虑的问题。

　　谐波影响会使电容器过早损坏或造成控制失灵，谐波放大会使干扰更加严重。工程中应掌握用户负荷性质，必要时应对补偿系统的谐波进行测试，存在谐波但不超标可选抗谐波无功补偿装置，而谐波超标则应治理谐波。
　　电容器耐压标准为1.1UN，补偿控制器过压保护一般取1.2UN，超过必须跳闸，如图1线路首端节点配变的补偿装置可能发生跳闸。实际工程中，对电压较高电网的装置应予以关注。
　　总之，由于配电网负荷、场合的复杂性，虽然装置容量小、电压低，却有很多值得认真分析和思考的问题。特别是台变补偿在户外，使用环境差，工程上应给予足够的重视。
　　 6 结语
　　电网无功补偿是一项建设性的技术措施，对电网安全、优质、经济运行有重要作用。由于篇幅限制，本文重点对配电网的无功补偿技术进行了分析、探讨。分析计算结果和大量工程实践表明，虽然配变无功补偿容量小、电压低，但工程中却有很多技术问题值得认真分析和思考；而无功补偿工程是供电企业和产品厂家双方的事情，都应充分重视解决工程中的问题。