无功优化及补偿.doc

南安市电力总公司 浅析南安配网的无功补偿浅析南安配网的无功补偿李佳丽 南安市电力总公司 362300摘要：本文分析了南安市配网的现状，阐述了无功补偿的方式、配置原则、目的与效果及补偿容量的合理确定，还介绍了当前无功补偿存在的问题。 关键词：配网 无功补偿降损1 引言电压质量是衡量电力系统电能质量的重要指标之一，它的好坏主要取决于电力系统无功潮流分布是否合理。这不仅关系到电力系统向电力用户提供电能质量的优劣问题，而且还直接影响电网的安全、经济运行。若无功电源容量不足，系统运行电压将难以保证。随着电网容量的不断增加，对电网无功功率的要求也与日增加。因此，还需考虑网络的功率因数和电压，因为网络功率因数和电压的降低会使电气设备得不到充分利用，从而降低网络的传输能力，并引起损耗增加。因此，解决好配电网络无功补偿的问题，对电网的安全和降损节能有着重要的意义。2 南安市配网无功补偿的现状近年来，随着南安市农村经济的发展，农村电网不断延伸拓展，农村用电量迅猛增加。三相交流异步电动机等感性负载的增加，使得配网系统的无功需求量增加，功率因数降低。大量无功功率的存在，削弱了供配电系统的供电能力，影响了供电质量增加了电能损耗，缩短了用电设备的使用寿命。南安现有的农村电网大多是2001年农网改造时新建或技改的，农网改造后，市级电网有了根本的改善，由于当时资金、负荷水平以及技术条件的限制，在网络结构上存在着很多先天不足，如高压输电线路截面偏小，布局不合理，有迂回现象；低压线路截面过小，供电半径过长；个别10kV馈线线损率升高，仍有个别用户反映电压低；通常农村10kV输电线路供电距高大于15km的经济送电距离，一般都在20km左右，有的甚至达30km；低压线路供电距离也大大超过0.8km的经济送电距离，一般在1km以上，最远的达2km，致使电压损失过大；变电站、配电变压器布点太少；部分设备陈旧老化，电能损耗大，供电可靠性偏低等。季节性强也是南安配网负荷的一大特点。在夏天或是夜间，变压器常处在满负荷运行状态，因为大部分沿海乡镇企业与小加工坊，大多是白天停产，晚上生产，以避开高峰电价。因用电量集中经常发生变压器过负荷引起烧坏变压器的事故。负荷分散、功率因数低是农村负荷的又一特点。南安地域广阔，用户分散，且绝大多数工厂和乡镇企业的动力设备都是感应型异步电动机，它们的正常工作，不仅需要电网供给大量的有功功率，而且还要有足够的无功功率。南安现在110kV变电站10kV出线侧的功率因数一般都能达到0.9，但35kV变电站的电容补偿相对就较为不足，线路末端就更为低下。表1：南安现有各种补偿方式（单位：Mvar）补偿方式变电容量补偿容量补偿/变电%变电站集中110kV7325167422935kV113204181低压集中36505816用户终端9641523158因此，对供配电系统进行无功补偿，提高功率因数，是南安电网安全、合理、经济运行的重要保证。功率因数即负载阻抗角的余弦值（cos），是供配电系统中一项重要的技术指标，进行无功功率补偿就是提高功率因数cos值。当前在供配电系统中，对无功功率补偿，大多采用静电电容器。无功补偿的目的是使电力系统中的用电设备所需的无功功率就地平衡，使电网的功率因数得以调节。由于农村供电线路长、负荷分散、供电点多，因此合理确定农网的无功补偿方式，科学计算补偿容量，设法提高自然功率因数是农网提高供电质量，减少损耗，合理经济运行的重要途径。3 配网无功补偿的方式无功功率补偿是一种把具有容性功率的装置与感性负荷联接在同一电路，当容性装置释放能量时，感性负荷吸收能量，而感性负荷释放能量时，容性装置却在吸收能量，能量在相互转换，感性负荷所吸收的无功功率可由容性装置输出的无功功率中得到补偿。无功功率补偿最常用的方法是在供用电线路中加装并联的电力电容器，以补偿感性负载消耗的无功功率。这种方法的实质是利用电容器产生的无功电流抵消感性负荷上滞后于电压相量的无功电流。无功补偿的方式主要有：(1)变电站集中补偿。将电容器安装于变电所10kV高压母线上。其优点是安装维护简便，运行可靠，利用率高。集中补偿的缺点是被补偿的变配电所低压系统不能得到补偿。(2)低压集中补偿。这是目前国内较普遍采用的一种无功补偿方式，在这种方式下，补偿装置通常采用微机控制的低压并联电容器柜，容量在几十至几百千乏不等。这种补偿方式有利于保证用户的电能质量。(3)杆上无功补偿。这种补偿方式主要是针对10 k V馈线上沿线的公用变压器所需无功功率进行补偿，具有投资小、回收快、补偿效率较高、便于管理和维护等优点，适合于功率因数较低且负荷较重的长距离配电线路，但是因负荷经常波动，而该补偿方式又是长期固定补偿，适应能力较差，主要是补偿了无功基荷，在线路重载情况下，补偿度一般是不能达到095。用户终端分散补偿。GB500521995供电系统设计规范指出，容量较大、负荷平稳且经常使用的用电设备，无功负荷宜单独就地补偿。这种补偿方式可减少线损率；减小电压损失，改善电压质量，进而改善用电设备启动和运行条件；释放系统能量，提高线路供电能力。表2：四种无功补偿方式比较补偿方式补偿对象降低损耗有效范围改善电压效果单位投资大小维护方便程度变电站集中变电站变电站主变压器及输电网较好较大方便低压集中配电变压器配电变压器及输配电网较好较大方便杆上10kV线路10KV线路及输电网较好较小方便用户终端终端用户整个电网最好较大方便4 无功补偿的配置原则进行无功补偿时，首先确定农网被补偿线路的“无功功率经济当量C”，每补偿1kvar无功功率，可减少的有功功率损耗值称为“无功补偿经济当量”，可用C表示，单位kW/kvar。 无功补偿经济当量C值越大则补偿效果就越好，因此我们不论选用哪种补偿方式，C值以大为好。C值导出如下：如果一个用电设备的电能损耗用电阻R来表示，其通过功率是PjQ；则它的总有功功率损耗为：上式忽略因无功功率变化引起的电压波动而产生的有功功率损耗和补偿电容器运行时产生的有功功率损耗。C值与电网结构、负荷组成，负荷水平及电压特性等因素有关，根据对农网实际运行资料统计，配电线路无功补偿经济当量为0.7-0.15kWkvar。从电力网无功功率消耗的基本状况可以看出，各级网络和输配电设备都要消耗一定数量的无功功率，尤以配电网所占比重最大。为了最大限度地减少无功功率的传输损耗，提高输配电设备的效率，无功补偿设备的配置，应按照“分级补偿，就地平衡”的原则，合理布局。(1)总体平衡与局部平衡相结合，以局部为主。首先要满足整个南安电网的无功电力平衡，其次要满足变电所，10kV配电线路的无功电力平衡。如果无功电源的布局，补偿容量和补偿位置选择不合理，局部地区的无功电力不能就地平衡，就会造成不同分区之间无功电力的长途输送和交换，使电网的功率损耗和电能损耗增加。因此，在规划过程中，要在总平衡的基础上，研究各个局部的补偿方案，求得最优化的组合，才能达到最佳的补偿效果。(2)电力部门补偿与用户补偿相结合。在配电网络中，用户消耗的无功功率约占50%60%，其余的无功功率消耗在配电网中。因此，为了减少无功功率在网络中的输送，要尽可能地实现就地补偿，就地平衡，所以必须由电力部门和用户共同进行补偿。(3)分散补偿与集中补偿相结合，以分散为主。集中补偿，主要是补偿主变压器本身的无功损耗，以及减少变电所以上输电线路的无功电力，从而降低供电网络的无功损耗。但不能降低配电网络的无功损耗。因为用户需要的无功通过变电所以下的配电线路向负荷端输送。所以为了有效地降低线损，必须做到无功功率在哪里发生，就应在哪里补偿。所以，中、低压配电网应以分散补偿为主。表3：配电线路分散补偿电容器组的安装负荷沿主干线分布状况电容器安装组数电容器安装容量与线路无功功率比安装位置位于主干线首端长度均匀分布12/32/324/52/5、4/5非均匀分布分支线呈6014/53/5分支线呈9014/52/3(4)降损与调压相结合，以降损为主。利用并联电容器进行无功补偿，其主要目的是为了达到无功电力就地平衡，减小网络中的无功损耗，以降低线损。与此同时，也可以利用电容器的分组投切，对电压进行适当的调整，这是补偿的辅助目的。在一般情况下，以降损为主，调压为辅。5 无功补偿容量的确定51 按提高功率因数值确定补偿容量Q cQcP （kvar）式中 P最大负荷月的平均有功功率kWcos、cos2补偿前后功率因数值例如：某加工厂最大负荷月的平均有功功率为300kW，功率因数cos0.6，拟将功率因数提高到0.9，则所选的电容器容量为：Qc=300=300(1.330.48)=255 （kvar）52 按提高电压值确定补偿容量QC Qc= （kvar）式中 U需要提高的电压值VU需要提高的电压值VU2需要达到的电压值kVX线路电抗53 按感应电动机空载电流值确定补偿容量电动机的无功补偿一般采用就地补偿方式，电容器随电动机的运行和停止投退，容量以不超过电动机空载时的无功损耗为宜，计算公式：Qc Ue I0 (kvar)式中 Ue电动机额定电压kVIO电动机空载电流可用钳形电流表测出，若粗略估算，也可用下式：Qc(1/41/2)Pn式中 Pn电动机额定功率kW54 按配电变压器容量确定补偿容量配电变压器低压侧安装电容器时，应考虑以下原则：在轻负荷时，防止向10kV配电网倒送无功；取得最大的节能效果，根据配变容量按下式计算：Qc(0.100.15)Sn(kvar)Sn配变容量kVA无功补偿设备有电容器、电抗器、调相机、静止补偿器等。而电容器的补偿容量通常占电网补偿总容量的88%。无功补偿容量的科学计算是无功补偿的一个重要环节。若由于计算的原因，使补偿容量过小，则达不到补偿的效果，过大将产生过补偿。不同的补偿方式，计算补偿容量的方法也不尽相同。6 无功补偿的目的与效果6.1补偿无功功率，提高功率因数6.2设备的供电能力由PScos可看出，当设备的视在功率S一定时，如果功率因数cos提高，上式中的P也随之增大，电气设备的有功出力也就提高了, 提高了设备的供电能力。6.3改善电压质量(1)无功与电压损耗的关系当电网传输功率时，电流将在线路、变压器阻抗上产生电压损耗U。其关系式如下： U=（PR+QX）/UN 当线路安装无功补偿容量为Q c的并联电容器补偿装置后，线路电压损耗为 U=PR+（Q-Qc）X/UN 并联电容器补偿装置投入运行所引起的静态电压升高，即 U-U=QcX/UN 式中 U电压损耗，VP线路传输的有功功率kWQ线路传输的无功功率kvarQc补偿投入的电容器容量kvarUN线路额定电压kVR、X为线路电阻、电抗从上式中可见，无功功率的变化，将引起电压降的变动，由于安装并联电容器，就地平衡无功功率，限制无功功率在电网中传输，相应地减少了线路的电压损耗，提高了配电网的电压质量。(2)电压调整10kV配电线路存在电压过低或偏高问题，其原因除了电网结构不合理和导线过细外，主要是无功功率不足或过剩。系统的无功功率对电压影响极大，无功功率不足，将引起电网电压下降，而无功过剩将引起电网电压偏高。无功功率平衡是维持及保证电网电压质量的基础，必须采取有效的调压措施，以提高电压水平。合理调整变压器分接头，是提高电网电压水平的一种调压手段。但当电网无功电源不足或过剩时，不能靠调整变压器分接头来使电压符合要求，因为它既不能产生无功又不能吸收无功，只能改变系统中的无功潮流。要维持整个系统的电压水平，就必需有足够的无功补偿容量，实行无功分区分压就地平衡，同时要求有足够的无功调节能力，在允许的电压偏差范围内，采用调压与补偿电容器相结合的措施，实现高峰负荷时较高电压运行和低谷负荷时较低电压运行的逆调压要求。6.4 降低电网中的功率损耗和电能损失由公式IP/( Ucos)可知当有功功率P为定值时，负荷电流I与cos成反比，安装无功补偿装置后，功率因数提高，使线路中的电流减小，从而使功率损耗降低：PI2R，降低电网中的功率损耗是安装无功补偿设备的主要目的。在电网运行中，因大量非线性负载的投运，它们除要消耗有功功率外，还要消耗一定的无功功率，负荷电流通过线路、变压器将会产生功率与电能损耗。由电能损耗公式可知，当线路或变压器输送的有功功率和电压不变时，线损与负荷功率因数的平方成反比。功率因数越低，电网所需无功就越多，线损就越大。当cos=07时，无功功率和有功功率在电网中产生的电能损耗基本相当，即此时电网中线路和变压器的损耗有一半是由无功功率引起的。提高功率因数，可使线损率降低。无功负荷在线路上流动不仅造成电压损失，影响电压质量，而且造成电能损耗P=(Q/U)2R，如果功率因数从0.7提高到0.9，可以使线路损耗减少40%左右。因此，在受电端安装无功补偿装置，实行无功就地平衡，可减少负荷的无功功率损耗，使负荷电流减少，降低线路与变压器的可变有功功率损耗，从而取得降低网络线损的经济效益。在农村10kV电网里，配电变压器的损耗占全部线路损耗的80以上。而变压器的损耗分为铁损与铜损，铁损与负荷无关，几乎是恒定量，在配电变压器额定负荷时铁损约占13。由于农村电网内配电变压器的负荷率很低，经常处于空载运行状态，所以配电变压器的铁损在总的线路损耗中就占有很大比重。因此，在研究降低农村10kV电网的线路损耗时，注意力应着重放在降低配电变压器的铁损方面，只要配电变压器的铁损能得到补偿，在降低10kV农网线路铁损方面就能收到预期效果。6.5减少用户电费开支，降低生产成本。用户电费计算方法是：W=（1+%）（F1+F2）式中 W电费F1用户变压器容量基本费 元/KVAF2用户所用电量电费 元/kWh%电费功率因数调整系数 （%按抄见无功电量和有功电量的比值，查表得出）当用户功率因数高过标准值时，则%0，实际电费多交%（F1+F2）元。6.6减小设备容量，节省投资。7 无功补偿存在的问题71 优化的问题目前，有些部门选择无功补偿的出发点还放在用户侧，只注意补偿用户的功率因数，而不是立足于降低电力网的损耗。无功功率优化配置的目标是在保证配网电压水平的同时，尽可能降低网损。由于它要对补偿后的运行费用以及相应的安装成本同时达到最小化，计算过程相当复杂。为此，以前的文献中通常采取了许多不切实际的假设，比如固定负荷水平，统一线径，把树状配电网简化成梳状网，这样的结果并不理想。72 量测的问题目前10 kV配电网线路上的负荷点一般无表计，维护人员的技术水平和管理水平又参差不齐，表计记录的准确性和同时性无法保证。这对配电网的潮流计算和无功优化计算带来很大困难。南安公用变压器目前通常只装有有功电能表，要实现功率因数的测量是不可能的，这也是低压无功补偿难于广泛开展的原因所在。73谐波的问题电容器本身具备一定的抗谐波能力，但同时也有放大谐波的副作用。谐波含量过大时，会对电容器的寿命产生影响，甚至造成电容器的过早损坏，由于电容器对谐波的放大作用，将使系统的谐波干扰更严重；另外，动态无功补偿柜的控制环节容易受谐波干扰影响，造成控制失灵，因而做无功补偿时必须考虑谐波治理，在有较大谐波干扰，又需要补偿无功功率的地点，应考虑增加滤波装置。74无功功率倒送的问题无功功率倒送是电力系统所不允许的现象，因为它会增加线路和变压器的损耗，加重线路的负担。虽然生产厂家都强调自己的设备不会造成无功功率的倒送，但是实际情况并非如此。因为对于接触器控制的补偿柜，补偿量是三相同调的；对于晶闸管控制的补偿柜，虽然三相补偿量可以分调，但是很多生产厂家为了节约成本，往往只选择一相做采样及无功功率分析。于是在三相负荷不平衡的时候，就有可能造成无功功率倒送。至于采用固定电容器补偿方式的用户，则可能在负荷低谷时造成无功功率倒送，这应引起充分考虑。综上所述，10 kV配电网的无功补偿工作应更多地考虑系统的特点，不应因电压等级低、补偿容量小而忽视补偿设备对系统侧的影响。如果需降损的线路能基于一个完善的补偿方案进行改造，则电力系统的收益将比分散的纯用户行为的补偿方式要大得多。8 结束语南安市地处闽南经济发达区，小型乡镇企业繁多，乡镇小工业、手工、加工工业发达，因此小型用电户很多。公司一直关注着无功建设，公司所属变电站都装置了无功电容补偿，同时，根据有关规定要求80kVA及以上的用电户都应装置无功电容补偿，各个变电站的功率因数基本上都能达到0.9以上。无功建设取得了很好的经济效益和社会效益。但是，公司对农村综合用电户没有要求装置无功电容补偿，农村综合用电户的配变及0.4kV线路绝大部分没有就地补偿，几乎均为自然功率，功率因数在0.50.7之