浅谈供配电网无功补偿节能技术

前言

随着社会的发展，能源的需求量大，消耗量也大，尤其是电能，所以进行有效的节约，也就显得更为重要。随着经济的发展，各产业和民用用电量大幅增加的用电负荷中，整流和变频设备所占的比例增加，无功负荷电流和谐波电流不仅增大供电系统损耗，谐波电流还可能引起通信系统和计算机系统故障。随着国民经济的高速发展和人民生活水平的提高，人们对电力的需求日益增长，同时对供电的可靠性和供电质量提出了更高的要求。由于负荷的不断增加，以及电源的大幅增加，不但改变了电力系统的网络结构，也改变了系统的电源分布，造成系统的无功分布不尽合理，甚至可能造成局部地区无功功率严重不足，电压水平普遍较低的情况。随着系统结构日趋复杂，当系统受到较大干扰时，就可能在电压稳定薄弱环节导致电压崩溃。解决上述问题的技术措施是加装补偿电容，从而减少系统损耗，提高电能质量。

1、无功补偿的原则

无功补偿，就其概念而言早为人所知，它就是借助于无功补偿设备提供必要的无功功率，以提高系统的功率因数，降低能耗，改善电网电压质量。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，尤以低压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。原则如下：

（1）总体平衡与局部平衡相结合，以局部为主。

（2）电力部门补偿与用户补偿相结合。

（3）分散补偿与集中补偿相结合，以分散为主。

（4）降损与调压相结合，以降损为主。

电力系统无功潮流分布是否合理，不仅关系到电力系统向电力用户提供电能质量的优劣，而且还直接影响电网自身运行的安全性和经济性。这在与用户直接相关的配电网中显得同样的重要。若无功电源容量不足，系统运行电压将难以保证。由于电网容量的增加，对电网无功功率要求也与日增加，此外，网络的功率因素和电压的降低将使电气设备得不到充分利用，降低了网络传输能力，并引起损耗增加。因此，解决好配电网络无功补偿的问题，对电网的安全性和降损节能有着重要的意义。

2、提高功率因数的意义

功率因数反映了电源输出的视存功率被有效利用的程度，我们希望的是功率因数越大越好。这样电路中的无功功率可以降到最小，视在功率将大部分用来供给有功功率，从而提高电能输送的功率。提高功率因数的意义如下：

（1）改善设备的利用率

在一定的电压和电流下，功率因数越大，设备输出的有功功率越大。因此，改善功率因数是充分发挥设备潜力，提高设备的利用率的有效方法。

（2）减少线路有功损耗

补偿前后线路传送的有功功率变小

由于cosφ提高，补偿后的电压U2稍大于补偿前的电压U1，可近似认为U2≈U1。

从而导出I1COSφ1=I2COSφ2。即I1/I2= COSφ2/ COSφ1，

这样线损 P减少的百分数为：ΔP%= （1-I22/I12）×100%=（1- COS2φ1/ COS2φ2）× 100%

当功率因数从0.70～0.85提高到0.95时，可求得有功损耗将降低20%～45%。

（3）减小电压损失

提高电网的传输能力

3、影响功率因数的因素

（1）大量的电感性设备，如异步电动机、感应电炉、交流电焊机等设备是无功功率的主要消耗者。

（2）变压器消耗的无功功率一般约为其额定容量的10%～15%，它的空载无功功率约为满载时的1/3。因而，为了改善电力系统和企业的功率因数，变压器不应空载运行或长期处于低负载运行状态。

（3）供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大影响。当供电电压高于额定值的10%时，由于磁路饱和的影响，无功功率将增长得很快，当供电电压低于额定值时，无功功率也相应减少而使它们的功率因数有所提高。但供电电压降低会影响电气设备的正常工作。

4、无功补偿的分类

无功自动补偿按性质分为三相电容自动补偿和分相电容自动补偿。

（1）三相电容自动补偿适用于三相负载平衡的供配电系统。因三相回路平衡，回路中无功电流相同，所以在补偿时，调节无功功率参数的信号取自三相中的任意一相，根据检测结果，三相同时投切可保证三相电压的质量。

（2）在民用建筑中大量使用单相负荷，容易造成三相负载的严重不平衡，尤其是住宅楼在运行中三相不平衡更为严重。这种情况下用传统的三相无功补偿方式，不但不节能，反而浪费资源，难以对系统的无功补偿进行有效补偿，补偿过程中所产生的过、欠补偿等弊端更是对整个电网的正常运行带来了严重的危害。对于三相不平衡及单相配电系统要采用分相电容自动补偿，其原理是调节无功功率参数的信号取自三相中的每一相，根据每相感性负载的大小和功率因数的高低进行相应的补偿，对其它相不产生相互影响，故不会产生欠补偿和过补偿的情况。

5、配电网无功补偿遇到的问题

随着人们对配电网建设的重视及无功补偿技术的发展，低压侧无功补偿技术在配电系统中也开始普及。从静态补偿到动态补偿，从有触点补偿到无触点补偿，都取得了丰富的经验，但是在实践应用中也暴露出一些问题，必须引起重视。

优化的问题。目前，很多单位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。例如，为提高某电力负荷的功率因数，增设1台补偿箱。这对降损有一定好处，但若要实现有效的降损，必须通过计算无功功率潮流，确定各点的最优补偿量和补偿方式，才能使有限的资金发挥最大的效益。这是从电力系统角度考虑问题的方法。

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。

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。

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（包括网损）。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。

6、结束语

对配电网进行无功补偿，提高功率因数和搞好无功功率平衡，是一项建设性的降损技术措施。目前，配电网的无功补偿容量一般是根据供电部门要求达到的功率因数来确定的，而不是依据用户用电时实际的节能效益、最佳电能质量、最小支付电费的经济功率因数来确定。如何确定无功补偿设备的合理配置和分布，需寻找技术上和经济上的最优方案。