10kV线路的无功优化补偿参数设计

1、11目录摘要IAbstract II1绪论11.1本文研究的背景与意义 11.2我国配电网无功功率的现状及国内外研究现状11.2.1我国配电网无功功率的现状 1122配电网无功优化补偿的发展21.3本文主要研究工作 32无功补偿和无功优化 42.1无功补偿 42.1.1无功补偿的基本概念 42.1.2无功补偿的基本原理42.2无功功率 62.2.1正弦电路中的功率62.2.2功率因数82.3无功优化概述 92.3.1配电网无功补偿问题的提出 92.3.2无功补偿的电路和向量图 92.4无功优化补偿的原则和类型 102.4.1无功优化和补偿的原则 102.5电网无功优化，提高功率因数的意义.11

2、2.5.1、加装无功补偿设备，改善电压质量.112.5.2、加装无功补偿设备，提高输配电线路供电能力112.5.3、加装无功补偿设备，提高变压器的带负荷能力3 10KV电网的无功补偿前、后分析比较 123.1 10kV线路的降损与无功补偿 123.1.1无功补偿前的线路损耗分析 123.1.2线路补偿后分析： 133.1.3线路无功补偿后的损耗降低率 % : .143.2实际线路无功补偿量及其安装位置的确定 .154确定无功补偿容量的一般方法和手段.164.1 10kV线路补偿方案简介 164.1.1就地无功补偿方案 .164.1.2分散补偿方案仃4.1.3集中补偿方案仃4.1.4跟踪补偿方案

3、仃4.2几种补偿方案的理论比较分析 184.3几种补偿方式的经济技术比较 194.3.1几种补偿方式的投入比较： 194.3.2几种补偿方式的经济技术比较： 204.3.3几种无功补偿方式的总结： 214.4无功补偿的主要手段 224.4.1. 同步调相机 2. 24.4.2. 并联电容器 2. 24.4.3 静止无功补偿器 SVC 225 基于经典法的无功优化算法 235.1 确定最佳位置和最佳容量定理 235.1.1 确定最佳位置定理 235.1.2 确定最佳补偿容量定理 245.2 按网损和年运行费最小确定补偿容量 245.2.1 按网损最小确定补偿容量 : 245.2.2 按年运行费最

4、小原则确定补偿容量 ： . 255.3 无功容量的合理分配 265.3.1 确定无功容量的分配原则 265.3.2 目标函数和约束条件 265.3.3 目标函数的转化 275.4 无功负荷均匀分布时补偿容量和补偿位置的确定 285.4.1 单点补偿 2. 85.4.2 两点补偿 2. 95.5 负荷沿线递增分布时补偿容量和位置的确定 315.5.1 单点补偿 3. 15.5.2 两点补偿： 3. 35.6 无功负荷沿线递减分布时补偿容量和补偿位置的确定 346 配电线路上的各阶段的无功补偿 . 376.1 配电线路上的无功补偿 376.2 用户的无功补偿 386.2.1 放射式开式网的最佳无功

5、补偿 396.2.2 干线式和链式开式网的最佳无功补偿 396.3 配电网无功优化控制对电压的影响 406.3.1 无功功率与电压的关系 406.3.2 电压水平与无功平衡的关系 416.3.3 配电网无功优化控制对电压的影响 416.4 配电网无功优化控制对有功损耗的影响 . 436.4.1 无功功率与有功损耗的关系 436.4.2 功率因数与有功损耗的关系 436.4.3 配电网无功优化控制对有功损耗的影响 447 配电网无功补偿遇到的问题 467.1 优化的问题 467.2 谐波的问题 467.3 无功功率倒送的问题 . 46致 谢 47参考文献 48附录 A 49附录 B 5210kV

6、线路的无功优化补偿参数设计摘要配电网线损是电网损耗的主要组成部分。为了降低配电网的线损，需要对配 电网进行无功补偿。通过经典无功优化算法， 可以比较简便的计算出在单电源配电网中最佳无功 补偿容量。本文通过对经典优化法的分析， 决定选择此种方法分析。 这种方法具 有通用性好、计算方便、等优点。结合对经典优化法的学习，并对实际运行的线 路进行了计算。最终得到了线路的最佳补偿容量和补偿位置。然后本文着重对变电站集中补偿、 线路分散补偿、 变压器随器补偿这几种补 偿方式进行了技术经济比较。 结合实情况， 配电网无功主要来自配电变压器随器 补偿的现实。 本文提出使用线路分散补偿作为无功补偿的一部分， 并

7、提出了随器 补偿和分散补偿的配合方法。关键词: 配电线路；无功补偿容量；经典优化法10kV lines of reactive power optimization compensationAbstractPower loss of distribution network accounts for the major part in the total loss of power network. Therefore, it is necessary for reactive power compensation to be adopted to decrease the loss of p

8、ower distribution network.By using the classic calculation method for reactive power compensation, the optimum compensation capacity and compensation position for the network with single power can be easily defined. Based on analyzed the classic calculation method, this method, which is finally sele

9、cted by the author as the method for calculating reactive power compensation. The author also take the real power network as an example for the utilization of the classic calculation method, and obtain the optimum compensation capacity and compensation position.Moreover the technological &econom

10、ic comparison is carried out between concentrated compensation, respective compensation and transformer compensation.The author finds reactive power compensation mainly arises from the transformer compensation. The respective compensation is suggested as a part for power reactive compensation and th

11、e coordination way between transformer compensation and respective compensation is also proposed in this article.Keyword: Distribution Line; Reactive Power Compensation Capacity ;the classic calculation method.1 绪论1.1 本文研究的背景与意义随着科学技术发展和人民生活水平的提高， 各种类型用电设备得到了广泛的 应用，对电压质量的要求也越来越高。 但是，由于配电网结构， 运行变化等原因

12、， 我国配电网损耗， 电压合格率等技术指标与发达国家相比有较大差距。 由于电压 不合格等原因造成用户电器烧毁的现象仍然存在， 而网损过高使得生产的宝贵电 能白白浪费，并且影响电力企业的经济效益。无功补偿作为保持电力系统无功功率平衡、 降低网损、 提高供电质量的一种 重要措施，已被广泛应用于各电压等级电网中。 合理选择无功补偿， 能够有效地 维持系统的电压水平，提高电压稳定性， 避免大量无功的远距离传输， 从而降低 有功网损，减少发电费用， 提高设备利用率， 无功补偿的合理应用是电力企业提 高经济和社会效益的一项重要课题。然而，作为无功补偿的一个重要组成部分， 低压网的无功补偿研究，至今仍处在初

13、级阶段。国内长期以来， 无功电源优化配置主要在网络规划阶段考虑， 运行期间很少 考虑无功补偿设备的优化投切。安装于 10kV 线路上的分散补偿电容器多数按季 节性调整补偿容量， 或者干脆不调整。 规划阶段的无功电源和容量只能说为提高 电网运行水平，降低网损创造了必要条件。但是，充分发挥网内各点、各种无功 设备的功能，使其得到最好、 最优的补偿效率， 还必须合理优化无功分布点和无 功容量。合理进行无功优化补偿，提高设备的利用率。对于原有供电设备来讲， 在同 样有功功率下，因功率因数的提高，能使传送电流减少， 因此向负荷传送功率所 经过的变压器、 开关和导线等供配电设备都增加了功率储备， 从而满足

14、了负荷增 长的需要；如果原网络已趋于过载， 由于功率因数的提高， 输送无功电流的减少， 能使系统不致于过载运行， 从而发挥原有设备的潜力； 对尚处于设计阶段的新建 企业来说则能降低设备容量，减少投资费用， 在一定条件下， 改善后的功率因数 可以使所选变压器容量降低。因此， 使用无功补偿不但减少初次投资费用， 而且 减少了运行后的基本电费。此外，合理进行无功优化补偿，提高功率因数对企业 的直接经济效益也是明显的。因为国家电价制度中，从合理利用有限电能出发， 对不同企业的功率因数规定了要求达到的不同数值， 低于规定的数值， 需要多收 电费，高于规定数值，可相应地减少电费。可见，提高功率因数对企业有

15、着重要 的经济意义，同时又符合目前国家的节能减排政策。1.2 我国配电网无功功率的现状及国内外研究现状1.2.1 我国配电网无功功率的现状在我国电力工业发展过程中，因多年“重发电，轻供电”思想的影响，造成 电网建设落后，结构不合理， 导致城市和农村配电网无功补偿不足， 电能质量不 高，系统无功对电压影响大等。 无功功率的不足或者过大， 将引起系统电压的降 低或者上升，从而造成电能的损失和浪费。从微观角度看，随着电网容量的扩大，用户家用电器感性负载的不断增加，使得城市配电网公用变低压侧功率因数较低。 过低的功率因数导致公用变低压侧 线路损耗较大，供电电压指标不能满足用户要求。用电高峰期，用户末端

16、电压远远低于国家标准，而用电低谷期，用户末端电压又远远超过国家标准。 不仅电能 浪费非常严重，而且影响用电设备的使用寿命。因此，在公用变低压侧进行无功功率补偿已成为目前提高供电水平、降低无功损耗急需解决的问题。从宏观角度看，整个电网的无功潮流不平衡。目前，国内无功补偿主要采用 变电站集中补偿和企业就地补偿两种形式。这两种形式都是基于某一个采样点的 无功情况进行补偿，不能综合考虑把整个电网的实时运行情况， 而无功潮流在整 个电网上是动态分布的，传统的补偿方法无法解决无功潮流不平衡、电压波动大 等问题。发、供电部门，除了供给用户有功负荷外，还要供给用户以无功负荷。对一 般工业用户而言，要求功率因数

17、为 0.85，即供应每兆瓦时有功电量，则免费供 应无功电量为619kvar。这种搭配比例已不适应电力系统发展，因为大电网的高 压输变电输送无功损耗很高，并且随负荷波动变化很大，同时大多数民用电器不 带补偿装置。因此，理想的补偿方案就是无功就地供应，自动调整。目前，国内 对用于城市配电网的无功补偿研究正在起步。 一些地区推出了户外型无功固定补 偿和自动补偿装置，但由于户外环境恶劣， 系统运行的可靠性不高，难以满足现 场运行要求，并且依旧不能综合考虑整个电网的运行情况。因此，配电网要从无功不足到无功平衡，最后到具备无功储备能力，任务十 分艰巨。电网无功状态是衡量电能质量的一个重要指标。随着电力系统

18、的发展， 尤其是数字电力系统（DPS的提出，对调度管理决策的科学性、电能质量和负 荷的监视提出了更高的要求。最优调度、指令效果反馈、负荷预估、远程抄表等 问题的解决都必然要求对电网中、 低压端的电能质量和负荷情况进行监视。 理想 的无功补偿装置应该能实时跟踪电网的运行状态， 进行信息交流，寻求最佳补偿， 为电力系统CIMS打下基础。1.2.2配电网无功优化补偿的发展电力系统的各节点无功功率平衡决定了该节点的电压水平，由于当今电力 系统的用户中存在着大量无功功率频繁变化的设备；如轧钢机、电弧炉、电气化铁道等。同时用户中又有大量的对系统电压稳定性有较高要求的精密设备：如计算机，医用设备等。因此迫切

19、需要对系统的无功功率进行补偿。传统的无功补偿设备有并联电容器、 调相机和同步发电机等，由于并联电容 器阻抗固定不能动态的跟踪负荷无功功率的变化；而调相机和同步发电机等补偿 设备又属于旋转设备，其损耗、噪声都很大，而且还不适用于太大或太小的无功 补偿。所以这些设备已经越来越不适应电力系统发展的需要。20世纪70年代以来，随着研究的进一步加深出现了一种静止无功补偿技术。 这种技术经过20多年的发展，经历了一个不断创新、发展完善的过程。所谓静 止无功补偿是指用不同的静止开关投切电容器或电抗器，使其具有吸收和发出无功电流的能力，用于提高电力系统的功率因数， 抑制系统振荡等功能。目前这种 静止开关主要分

20、为两种，即断路器和电力 电子开关。由于用断路器作为接触器， 其开关速度较慢，约为1030s，不可能快速跟踪负载无功功率的变化，而且投 切电容器时常会引起较为严重的冲击涌流和操作过电压，这样不但易造成接触点烧焊，而且使补偿电容器内部击穿，所受的应力大，维修量大。随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用， 交流无触点开关 SCR、GTR、 GTO等的出现，将其作为投切开关，速度可以提高500倍(约为10卩)，对任何系统参数，无功补偿都可以在一个周波内完成， 而且可以进行单相调节。 现今所 指的静止无功补偿装置一般专指使用晶闸管的无功补偿设备， 主要有以下三大类 型，一类是具有饱和电抗器的静止无

21、功补偿装置(SR：SaturatedReacto)r ；第二类是晶闸管控制电抗器(TCR : Thyristor ControlReactor)、晶闸管投切电容器( TSC： Thyristor SwitchCapacitor) ， 这 两种 装置统称为 SVC( StaticVarCompensato)；第三类是采用自换相变流技术的静止无功补偿装置高级静止无功发生器( ASVG : Advanced Static VarGenerato)r。1.3 本文主要研究工作在本文研究工作中， 通过对各种无功补偿优化的比较， 结合配电网的实际情 况和基本需要，选择了一种适用于配电网无功优化配置的算法。

22、结合实际情况， 对配电网无功优化的方法进行了研究，提出了在10kV线路中并联电容器进行无功优化补偿的方法， 比较了按照线路最佳补偿位置进行线路分段无功补偿和流行 的按变压器进行无功补偿的效果(线损降低程度)并提出了相关意见。本文通过对国内外现有文献进行研究，针对我国10kV馈线主要采用补偿电容器作为无功补偿设备的现实情况，对无功优化实用化问题做了初步探讨。2 无功补偿和无功优化在电网运行中， 因大量非线性负载的运行，除了要消耗有功功率外，还要消 耗一定的无功功率。无功补偿是提高电力系统功率因数的一种有效且经济的方 法，得到了广泛的应用。它在电力系统中，除了可提高输送容量外，还可提高电 网电压质

23、量， 特别是为减少电气线路和电气设备中的能量损耗， 发挥着难以替代 的作用。2.1 无功补偿2.1.1 无功补偿的基本概念有功功率：有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能 转换为其他形式能量（机械能、光能、热能）的电功率。单位：瓦（W）或千瓦（KW）。无功功率：无功功率比较抽象，它是用于电路内电场与磁场的交换，并用来 在电气设备中建立和维持磁场的电功率。 它不对外作功， 而是转变为其他形式的 能量。凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就要消耗无功功率。无功功率 决不是无用功率， 它的用处很大。 电动机需要建立和维持旋转磁场， 使转子转动， 从而带动机械运动， 电动机的转子磁

24、场就是靠从电源取得无功功率建立的。 变压 器也同样需要无功功率， 才能使变压器的一次线圈产生磁场， 在二次线圈感应出 电压。因此，没有无功功率，电动机就不会转动，变压器也不能变压，交流接触 器不会吸合。单位：乏（var）或千乏（Kvar）感性无功功率：电动机和变压器在能量转换过程中建立交变的磁场，在一个 周期内吸收和释放的功率相等，这种功率叫感性无功功率。单位（ Kvar）容性无功功率：电容器在交流电网中接通时，在一个周期内 ,上半周期的充电 功率与下半周期的放电功率相等， 而不消耗能量， 这种充放电功率叫容性无功功 率。单位（ Kvar）视在功率：电纯阻性电路中电压和电流是同相位的，电压和电

25、流的乘积为有 功功率；但在感性或容性电路中， 电压和电流有着相位差， 所以电压和电流的乘 积并不是负荷实际吸收的电功率，而是表面的数值，称为视在功率。单位（KVA）。2.1.2 无功补偿的基本原理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， 因此 把由电容器组成的装置称为无功补偿装置。其基本原理如图2-1 所示。设电感性 负荷需要从电源吸取的无功功率为 Q,装设无功补偿装置后，补偿无功功率为Qc， 使电源输出的无功功率减少为

26、Ql=Q-Qc，功率因数由cos f提高到cos f，视在功率s减少到s'。图2-1无功补偿原理示意图视在功率的减少可相应减少供电线路的截面和变压器容量，降低供用电设备的投资。例如一台1000千伏安的变压器，当负荷的功率因数为 0.7时，可供700千 瓦的有功负荷，当负荷的功率因数提高到0.9时，可供900千瓦的有功功率。同一台变压器，因为负荷的功率因数的提高而可多供 200千瓦负荷，是相当可观的。 另一方面，配电网末端总存在电压过低等问题，究其原因，除电网自身的问题之外，主要是由于无功不足所致。电网在进行功率传输时，电流将在线路等阻抗上 产生电压损耗 U,假如始端电压为-，末端电压为

27、Uz，则电压损耗可用公式(2-1)计算。PR + QXU 十(2-1)12 U式(2-4)中P为线路传输的有功功率，Q为线路传输的无功功率，U为线路额定电压，R、X分别线路电阻、电抗。我们保持有功功率恒定，而 R和x为定值，无功功率Q愈小，电压损失愈 小，电压质量就会愈高。当线路安装无功补偿容量为Qc的并联电容器补偿装置后，线路电压损耗变为：U = PR(QQc)X(2-2)U可以看出：采取无功补偿以后，无功功率 q变小，限制了无功功率在电网中 的传输，相应的减少了线路电压的损耗， 提高了配电网的电压质量。所谓电容器 补偿，就是在变电所母线或用电设备上并联电力电容器， 从而提高供电系统的功 率

28、因数和电压质量。其基本原理见图 2-3基本的RLC电路所示。图2-2基本的RLC电路现实中绝大多数电器设备均为感性电抗， 从而导致电流l(R+L)置后于电压一 个相位角甲，并联电容器以后，即我们引入一个超前流 IC,使得甲接近于零值， 功率因数提高，从而达到不使供电设备传输过多无功的目的。无论是工业负荷还是民用负荷，大多数均为感性。所有电感负载均需要补偿 大量的无功功率，提供这些无功功率有两条途径：一是输电系统提供；二是补偿 电容器提供。如果由输电系统提供，则设计输电系统时，既要考虑有功功率，也 要考虑无功功率。由输电系统传输无功功率，将造成输电线路及变压器损耗的增 加，降低系统的经济效益。而

29、由补偿电容器就地提供无功功率，就可以避免由输电系统传输无功功率，从而降低无功损耗，提高系统的传输功率。2.2无功功率2.2.1正弦电路中的功率设无源两端口网络的端电压和电流分别为i =lmSi ntu 二 U m sin Qt 亠 i 其中是电压与电流的相位之差。P = ui = U ml m si nt，sin t二Ul cos (1 一 cos2 t) UI sin ： sin 2 t=P (1 c o 2rt) +Q s i i2ot(2-3)其中P=UI cos,Q=Ulsin。式(2-1)表明，瞬时功率可看成是两个功率分量 叠加的结果，其中，第一个分量 P(l- cosZ)是以为平均

30、值而作简谐振荡的分量， 其瞬时值恒为非负。所以，它是一个只有大小变化而不改变传输方向的瞬时功率 分量，它代表电路的等效电阻所吸收的瞬时功率，是反映电路实际耗能的有功分 量，其平均值P即为有功功率。上式中的第二个分量 QcosZ是一个以2为角频 率作正弦交变的瞬时功率分量，在其变化的波形中，正、负半周与横轴之间构成的面积分别代表等量的吸收能量和释放能量，表明有一部分能量在电源和电路之间交换。2因此，这个瞬时功率分量代表电路的等效电抗吸收的瞬时功率，反映 了电源和电路之间能量往返交换的速率，是在平均意义上不能作功的无功分量。 该无功分量的最大值 Q即为无功功率，所以，无功功率 Q实质上是电路与电源

31、 之间能量往返交换的最大速率。在电路中，将U与I的有效值之积定义为视在功 率，即:其中S=UI(2-4)则S2 P2 =Q2，S,P,Q三者在数值上的关系可以用“功率三角形”表示，如图2-1所示。由以上分析可知，有功功率是一平均 值，为无源网络所消耗的功率。实质上就是该网络中各耗能元件一电阻所消耗 的功率之和。无功功率是一个交换功率的幅值，它虽然没有为网络所“消耗”，但它反映了网络内部与外部交换能量的能力的大小，实质上就是该网络中各储能元件L和C与电源之间进行能量往返交换的最大速率。无功功率比较抽象，它 是用于电路内电场与磁场的交换，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功 率。它不对外作功，而

32、是转变为其他形式的能量。凡是有电磁线圈的电气设备， 要建立磁场，就要消耗无功功率。比如40瓦的日光灯，除需40多瓦有功功率(镇 流器也需消耗一部分有功功率)来发光外，还需80乏左右的无功功率供镇流器的 线圈建立交变磁场用。由于它不对外做功，才被称之为“无功”。无功功率的符号用Q表示，单位为乏(var)或千乏(Kvar)。当网络中电压超前电流时，:>0,则网络为感性，无功功率为Q>0，习惯上 理解为网络“吸收”感性无功功率，相当于“发出”容性无功功率；若网络中电流超前电压时，<0,则网络为容性，无功功率Q<0,习惯上理解为网络“吸收” 容性无功功率，相当于网络“发出”感性

33、无功功率。“发出”和“吸收”无功功率的意义不同于有功功率的吸收和发出，这里只是一种习惯的说法。电力系统中 大量的负荷是电感性的，因此，我们将吸收感性无功功率的负荷称为“无功负荷”， 而将吸收容性无功功率的设备称为“无功电源”。图2-3功率三角形示意图2.2.2功率因数电力网除了要负担用电负荷的有功功率 P,还要承担负荷的无功功率Q。图 2.1 “功率三角形”描述了有功功率 P、无功功率Q还有视在功率s之间的关系， 其中卫二 c o s(2-5)s式中cos'功率因数；P 有功功率，kW ；Q无功功率，kVar；S视在功率，kVA ；U用电设备的额定电压，V;I 用电设备的运行电流，A。

34、被定义为电力网的功率因数，其物理意义是供给线路的有功功率 P占线路视 在功率S的百分数。在电力网中的运行中，我们希望的是功率因数越大越好， 如 果能做到这一点，则电路中的视在功率将大部分用来供给有功功率， 减少无功功 率的消耗。功率因数是反映电力用户用电设备合理使用状况、 电能利用程度及用 电管理水平的一个重要技术指标。功率因数分为自然功率因数、瞬时功率因数和加权平均功率因数。(1) 自然功率因数：是指用电设备没有安装无功补偿设备时的功率因数，或者 说用电设备本身所具有的功率因数。自然功率因数的高低主要取决于用电设备的 负荷性质，电阻性负荷(白炽灯、电阻炉)的功率因数较高，等于1,而电感性负

35、荷(电动机、电焊机)的功率因数比较低，都小于1。(2) 瞬时功率因数：是指在某一瞬间由功率因数表读出的功率因数。瞬时功率 因数是随着用电设备的类型、负荷的大小和电压的高低而时刻在变化。(3) 加权平均功率因数：是指在一定时间段内功率因数的平均值。无功功率对供、用电产生一定的不良影响，主要表现在：(1) 降低发电机有功功率的输出。(2) 降低输、变电设备的供电能力。(3 )造成线路电压损失增大和电能损耗的增加。(4) 造成低功率因数运行和电压下降，使电气设备容量得不到充分发挥。2.3无功优化概述2.3.1配电网无功补偿问题的提出在电力系统中，由于电感、电容原件的存在，不仅系统中存在有功功率，而

36、且存在着无功功率。虽然无功功率本身并不消耗能量，它的能量只是在电源及负 载之间进行传输交换，但是在这种能连交换的过程中会引起电能的损耗，并使电网的视在功率增大。这将对系统产生以下一系列的负面影响：1）电网总电流增加，从而会使电力系统中的元件，如变压器，电器设备、导线等容量增大，使用户内部的启动控制设备、测量仪表等规格、尺寸增大、因而 使初期投资费用增大。在传送同样的有功功率情况下，总电流的增大，使设备及线路的损耗增大，使线路及变压器的损耗增大。2）电网的无功容量不足，会造成负荷端的供电电压低，影响正常生产和生活 用电；反之，无功容量过剩，会造成电网的运行电压过高，电压波动过大。（3）降低了电网

37、的功率因数造成大量的电能损耗。 当功率因数由0.8下降到0.6 时，电能损耗将近提高了一倍。4）对电力系统的发电设备来说，无功电流的增大，对发电机转子的去磁效应 增加，电压降低，如果过度增加励磁电流，则使转子绕组超过允许温升。为了保 证转子绕组正常工作，发电机就不允许达到预定出力。此外，原动机的效率是按照有功功率来衡量的，当发电机发出的视在功率一定时，无功功率的增，会导致 原动机效率的相对降低。目前，随着电力电子技术的迅速发展，工厂大量使用大功率开关器件组成的 设备对大型、冲击型负载供电，这使电能质量下降的问题日益严重。 如果不进行 无功补偿，在正常运行时，会反复地使系统的无功功率在很大范围内

38、波动， 这不 仅使电气设备得不到充分的利用网络传输能力下降，损耗增加，甚至还会导致设备损坏，系统瘫痪。2.3.2无功补偿的电路和向量图a图2-1电路原理图b向量图（欠补偿）c图2-2 补偿后的向量图在工业和生活用电负载中，阻感负载占有很大比例：异步电动机、变压器、 荧光灯等都是典型的感性负载。异步电动机和变压器所消耗的无功功率在电力系 统所提供的无功功率中占有很大的比重。 电力系统的电抗器和架空线等也要消耗 一些无功功率。阻抗负载可以看做电阻 R与电感L串联的电路。其功率因数为：RCOS -Ir2 + X2式中：X二L，将R、L电路并连接入C中，电路如2-1所示。该电路的方程为:1 = 1 c

39、+I RL由图2-2 (b)向量图可知，并联电容后，电压 U和电流的相位变小了，即供电回路的功率因数提高了，此时供电电流的相位滞后于电压U。这种情况称为欠补偿。若电容C容量过大，此时供电电流的相位超前于电压U，这种情况称 为过补偿。其向量图如图 2-2(c)所示。通常不希望出现过补偿情况，因为这 会引起二次侧电压升高，而且容性无功功率同样会增加电能损耗。如果供电线路 电压因此而升高，还会增加电容器本身的功率损耗，使温升增大，影响电容器寿命。2.4无功优化补偿的原则和类型2.4.1 :总体平衡与局部平衡相结合，既要满足全网的总无功平衡，又要满足分线、 分站的无功平衡。集中补偿与分散补偿相结合，以

40、分散补偿为主，这就要求在负荷集中的地方 进行补偿，既要在变电站进行大容量集中补偿， 又要在配电线路、配电变压器和 用电设备处进行分散补偿，目的是做到无功就地平衡，减少其长距离输送。高压补偿与低压补偿相结合，以低压补偿为主，这和分散补偿相辅相成。降损与调压相结合，以降损为主，兼顾调压。这是针对线路长，分支多，负 荷分散，功率因数低的线路，这种线路最显著的特点是：负荷率低，线路损失大, 若对此线路补偿，可明显提高线路的供电能力。供电部门的无功补偿与用户补偿相结合，因为无功消耗大约60%在配电变压器中，其余的消耗在用户的用电设备中， 若两者不能很好地配合，可能造成轻载 或空载时过补偿，满负荷时欠补偿

41、，使补偿失去了它的实际意义，得不到理想的 效果。在无功优化和无功补偿中，首先要确定合适的补偿点。无功负荷补偿点一般 按以下原则进行确定：(1)根据网络结构的特点，选择几个中枢点以实现对其他节点电压的控制； (2)根据无功就地平衡原则，选择无功负荷较大的节点;无功分层平衡，即避免不同电压等级的无功相互流动，以提高系统运行的经 济性；(4) 网络中无功补偿度不应低于部颁标准 0.7的规定；2.5电网无功优化，提高功率因数的意义2.5.1、加装无功补偿设备，改善电压质量由电压损失的计算公式U =(PR QX)/U2 100可知，当电网输送的有功功率一定时，输送的无功功率越大，网络的电压损失也越大，到

42、用户的端电压就 越低。加装无功补偿设备，提高功率因数，可以减少网络输送的无功负荷，从而 达到降低电压损失，提高用户端电压的目的。2.5.2、加装无功补偿设备，提高输配电线路供电能力当输配电线路的导线截面一定时，它输送的经济电流就为一定值。合理加装 无功补偿设备，提高功率因数后，可使线路输送的无功电流大量减少，从而“释 放”出富余容量，增加供电能力。例如一条LJ-70 mm2的10kV架空线路，在电压降低10% cos =0.7时的负荷距为12.5MW.KM当功率因数提高到0.85时，负 荷距增加为15.6MW.K M也就是说，架设同样长的线路(在允许的供电半径内)， 供电能力可以增加3.1MW

43、可以节约新建线路的投资。2.5.3、加装无功补偿设备，提高变压器的带负荷能力由公式S二P/COS可知，当变压器的容量一定时，合理加装无功补偿设备， 提高功率因数，可增加变压器的有功出力。增加的有功出力可以按下式计算：P = S(COS ;：2 -COS ;：1).变压器的可挖掘出的视在功率可由下式求得；S 二 S*(COS2 -COS -1) 100% .例如：一台 S9-1000KVA的变压器，功率因 数由0.8提高到0.95时，可增加的有功出力 P-150kW，可挖掘出的视在功率 为丄S=187.5kVA。对用户来说，当现有的变压器的供电能力提高后，可节约增 容费、材料费、施工费等投资。I

44、 c1 I _ I c23 10KV电网的无功补偿前、后分析比较在我国一些较小的城镇电力用户及农村电力用户一般由10kV配电线路进行供电，在线路沿线挂接着众多的电力负荷。 随着国民经济的发展，电力用户的数 量与负荷日益增加，线路的损耗亦同步上升， 在我国日益重视节能的形势下，如 何降低10kV配电线路的损耗已成为目前急需解决的问题，而解决的办法是在线 路上适当的进行无功补偿。下面就这一问题进行分析与讨论。3.1 10kV线路的降损与无功补偿3.1.1无功补偿前的线路损耗分析图3-1为无功补偿前的简化线路图：图3-1无功补偿前的简化线路图设：如图3-1所示的长度为S的配电线路，由变电站10kV母

45、线供电，在线路 上均匀地分布着电力负荷。变电站母线提供的线路总负荷电流为 I，由于负荷一 般均为感性负荷，所以变电站在提供有功电流的同时，亦需提供容性无功电流，显然：II2 £这时，线路的功率因数 CO®为:cos ;：i是不相同的0空X岂S = I -IX /S由于负荷均匀地分布在线路上，所以线路上每一点的电流i = ip iqip =lp -IpX/S iq=lqIqX/S电流i在线路上产生的损耗 P为： P = i 2r d x二 APpPq.-Pp为有功电流在线路上输送过程中产生的损耗，这部分是不能降低的。Pq为无功电流在线路上输送过程中产生的损耗，它可以通过无功补

46、偿，以减少无功电流及其输送距离来降低。 所以，下面仅讨论无功电流iq在线路上产生的损耗厶Pq :S 2Pq = iq rdx式中，r为单位线路长电阻：S 2Pq = ° (Iq IqX/S)2 S<qr .0 (_X/S)dx2Pq = IqrS /33.1.2线路补偿后分析:图3-2为无功补偿后的简化线路图图3-2 无功补偿后简化示意图Ic，设如图3-2所示，线路上的C点接入电容器组进行无功补偿，其电容电流为 方向见图3-2。电容器组接入后，线路上的无功电流就发生变化，其关系 如下：I qc * I c = I qc1 =丨 qc - q 3 / S式中：I qc接入电容器后

47、变电站母线提供的无功电流I C1线路上注入C点的无功电流；Ic2 线路上由C点流入D点的无功电流；51 线路0C的长度；52 线路CD的长度；S线路0D的长度；线路0C段任一点电流：ici =lqc IqXi/S(0 WXi ESi)线路CD段任一点电流：ic2 Ic_IqX2/S(0_X2_S2)线路OC段的损耗.-：Pci为：Si 2Pci0 irdxs2=r 0 (lqc-|qXi/S)2dX线路CD段的损耗.-：Pc2为：s2 2：巳2° i；rdX"(G lqX2/S)2dx线路OD段的总损耗Pc为：S22汀。(lqcqXl/S) dX 仏2-必冷)dX设：K R

48、JIq K为无功补偿度L=S/S L为安装点的距离比(无功补偿装置安装点离变电站离与线母线 的距路长度之比)，对S12 2汀。(心-爲兀冷)乐 r(lc2TqX2/S)2dX进行积分并整理后，可得：Pc = I 2rs1 6KL 3K2L 3KL21/3从上式可知，线路无功补偿后，其损耗大小与无功补偿度和安装点的距离比有关。3.1.3线路无功补偿后的损耗降低率% : 损耗降低率可用下式表示：r = ( Pq 一 ，Pc)/ ：Pq 丨 100%整理后得：2 2= 6KL -3K L 3KL要求取 取得最大值，可对 K、L取偏导数，并令其值等于零，整理后得：2 2K 一1_ =02K 2L =0

49、 解得：K=2/3,L=2/3.取得 的极大值，=8/9或 =88.9%也就是说，当电容器组的无功补偿度为 2/3，安装地点距变电站2/3的线路长度 时，能取得最佳降损效果，其损耗降低率为88.9%。3.2实际线路无功补偿量及其安装位置的确定实际线路的无功负荷不是固定不变的，它随着季节、时间、负荷的变化而不同，所以在设计时应选择一个比较合理的无功负荷作为基准，以确定无功补偿。(1) 根据运行日志，统计出全年的无功负荷，然后得出其平均无功负荷与最小无功负荷，也能计算出Iq和Iqmin。取丨厂2几/3，但当，1° Iqmin时，则取5 =丨qmin， 以防无功向变电站倒送。根据Ic与电容

50、器的额定电压可计算出补偿电容器的额定 容量。(2) 电容器的补偿容量可根据线路安装的配电变压器总容量的5%-10%来选取, 同样也要考虑在线路最低无功负荷时不向变电站倒送无功。电容器组的安装位置直接影响损耗降低率 的大小，L对 的影响与K是一 样的，这一点由表3-1可以直接看到。所以，电容器组的安装位置应取 L=2/3， 以便尽量取得最佳降损效果。但当有一较大的无功负荷与L=2/3点相距不远时可 考虑就近安装。表3-1 K、L不同值时与(%的关系0020.30.40.50.62/30.70.80.9L0045A10214,418.021,023.424,725,226,427.027,00.2

51、10219.227.033.639,043*245346.248.04£648.00.314.427,037.846.854,059,462.063.064.864,863.00.41/033,64&用57.666.072,074.775.676,8F75.672+00.52L039.054.066.075,0塔L0X3.3S4.0S4,0S L075.00.623.443,259.472.08L0KS.0帰.286,48L072,02/324.745.262?074.783.088,0K8.988.78537岌066.70.725.2)6.263.075.684.088.2

52、SS.788.284075.663.00.826.4)8.064876.884.0K6.485384.076.K64.84&00.927+0斗&664.875.68L081.078.075.664.848.627.01.027.048.063.072.075.072.066.763.048.027.00.04 确定无功补偿容量的一般方法和手段配电网中常用的无功补偿方式包括 : 在高低压配电线路中分散安装并联电容 器组; 在配电变压器低压侧和车间配电屏间安装并联电容器以及在单台电动机附 近安装并联电容器 （就地补偿 ）等。近年来企业中普遍利用并联电容器进行供用电线网的无功补偿，

53、提高电网的 功率因数，降低供电线路的电流，减少了线损，取得了较好的效果。但不同的补 偿方式，在实际中的补偿效果仍有所差异。确定补偿容量的方法是多种多样的，但其目的都是提高电网的某种运行指 标，下面介绍几种无功补偿的方案。4.1 10kV 线路补偿方案简介4.1.1 就地无功补偿方案该方案又称“个别补偿” ，电容器直接装于用电设备附近，与电动机的供电 回路相并联，常用于低压网络。 它使用可控硅或者机械开关作为投切开关， 通过 就地电压传感器控制而自动地投切电容器。 一般的包含了一个电抗器用来对谐波 进行滤波。它在其连接点通过改变流入或者吸收系统的无功电流来改变系统的电 压。在效果上， 它起着一个

54、可变无功负载作用， 调整其值起到保持交流电压为常 数的作用。通常适用于经常投入运行，负荷较稳定的中小型低压电动机。在电机等感性负载旁和电容器直接并联， 与电机等同开，同停。停机后电容 器通过电机直接放电， 电容器不再另需放电装置。 运行时电机所需无功由电容器 就地供给，能量交换距离最短， 可以最大限度的降低线路的电流。 在线路相同的 条件下，线路损耗与电流的平方成正比，所以电容就地补偿，节电效果最好，投 资也小。特别是能够有效抑制设备瞬间出现的电流波动冲击电网。 但是一般工业 生产，现场环境相对较差，特别是冶金企业，金属粉尘含量高，维护、保养若不 能定时进行，往往最易损坏。同时，对于频繁操作的

55、设备，由于瞬间大电流的频 繁冲击， 也是造成电容器易损坏的一个方面， 所以，此种方式中电容器使用寿命 短。由于随机开 , 停, 电容器的有效使用率也最低。4.1.2分散补偿方案分散补偿一般装设在10k V配电线路上，可以根据各种传统优化补偿方法确 定补偿位置和容量。常见有以下几种方式：（1） 高压电容器分组安装于城乡电网10kV, 6kV配电线路的杆架上；（2）低压电容器安装于公用配电变压器的低压侧；（3）低压电容器安装于电力用户各车间的配电母线上。这种补偿方式在变压器低压侧的输电线路中， 分散进行电容器固定容量的补 偿，克服了集中固定补偿中容量较大时的涌流过大等问题，并能有效的增大配电线网的供电能力，节电效果较好。其优点是在低负荷时，可以相应停运数组，以 防过补偿。投资较为经济。4.1.3集中补偿方案集中补偿通常指装设于地区变电所或高压供电用户降压变电所母线上的高 压电容器组。其优点是易于自动投切，利用率高，维护方便，事故少，能减少配 电网、用户变压器及专供线路上的无功负荷和电能损耗。这种补偿方