配电网无功补偿方案比较和补偿工程应注意的问题（建筑电气论文）

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 由于无功补偿对电网安全、优质、经济运行具有重要作用，因此无功补偿是电力部门和用户共同关注的问题。合理选择无功补偿方案和补偿容量，能有效提高系统的电压稳定性，保证电网的电压质量，提高发输电设备的利用率，降低有功网损和减少发电 费用。 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。为实现变电站的电压 /无功综合控制，通常采用并联电容器组和有载调压抽头协调调节。协调调节控制算法国内学者进行过大量研究，九区图法是一种常用的有效方法。但大量的实际应用表明，投切过于频繁会影响电容器开关和分接头的使用寿命，增大运行维护工作量，通常在实际中要限制抽头调节和电容器组操作次数 。采用电力电子开关控制成本比较高、开关自身功率损耗也很大，因此变电站高压电压 /无功控制技术仍有待进一步改善和研究。 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。 2.2 配电变低压补偿 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，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。 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 绍。 2.3 配电线路固定补偿 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 34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： 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。 表 1 四种无功补偿方法的特点比较 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 较好 较好 较好 最好 果 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 501000kVA 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 cos=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。 表 2 不同情况线路节点电压的计算结果 方案 序号 功率 因数 线路节点电压值（ kV） 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0.85 10.5 10.083 9.781 9.497 9.297 9.142 9.063 9.081 2 0.95 10.5 10.130 9.842 9.589 9.395 9.257 9.187 9.203 3 0.85 11.4 10.983 10.699 10.400 10.183 10.027 9.948 9.966 4 0.95 11.4 11.033 10.742 10.489 10.295 10.157 10.086 10.103 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（ GB 12325-90）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 cos=0.85时，节点 6 到节点 9 电压 超标；功率因数 cos=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 cos 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。 表 3 采用 TVR 调压线路节点电压的计算结果 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 COS 0.85，年用电时间为 T 3000 小时，计算： 1）若将 COS 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 SCOS 1 10000.85 850kW Q1 Ssin 1 10000.52678 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 COS 为 0.95，可求 tg 2 0.3287，于是有 可求补偿容量 x 245.73246kvar 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 1801000 18万元 电量电费：设每 KWh为 0.4 元，故有 FD1 0.48503000 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： FJ2 180857 15.426 万元 电量电费： FD2 0.4(850+0.03246)3000 102.88 万元 补偿装置折旧费： Ff 15024610 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。 2）产品类型和功能选择问题 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。 3）控制量选取和控制方式问题 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。 4）补偿效果和补偿容量问题 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。 5）无功倒送和三相不平衡问题 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。 6）谐波影响和电容器保护问题 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