浅谈低压电网中无功补偿的作用和必要性

【摘 要】无功补偿的主要作用就是提高功率因数以减少设备容量和功率损耗、稳定电压和提高供电质量在长距离输电中提高输电稳定性和输电能力。本文结合实际工程应用简要介绍在低压电网中增设无功补偿装置,一方面,能够提高电网工作的效率;另一方面,能够降低电能损失,为用户获得较大的经济效益。

【关键词】低压电网；无功补偿；经济效益

在低压配电网络中，运行着大量的感性无功负荷如电动机、变压器等需要进行补偿，否则，将使配电网络损耗增加，电压质量恶化。

1、低压无功补偿的必要性

无论是工业负荷还是民用负荷，大多数均为感性负荷。所有感性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，提高输电系统的传输功率。

对于电力系统而言，在高压侧或低压侧均可进行补偿。但是，如果在低压侧进行补偿，既可减少变压器、输电线路等的损耗，又可提高变压器、输电线路的利用率及提高负载端的端电压，所以补偿电容器的安装越靠近负载端，对用户而言越可获取较大的经济效益。

因为在低压侧装设了电容器补偿无功电流，即无功电流由电容器提供，所以在进行电网设计时，只考虑有功电流即可，大大节省变压器及输电线路的投资。对于已有的电网，也能够提高电网的输电能力。

2、低压无功补偿的作用

无功补偿的主要作用就是提高功率因数以减少设备容量和功率损耗、稳定电压和提高供电质量，在长距离输电中提高输电稳定性和输电能力。安装并联电容器进行无功补偿，可限制无功功率在电网中的传输，相应减少了线路的电压损耗，提高了配电网络的电压质量。

2.1提高电压质量

低压配电网络中无功补偿设装置的合理配置，与电网的供电电压质量关系十分密切。合理安装无功补偿装置可以改善电压质量。

负荷(P+JQ)电压损失ΔU简化计算如下：

ΔU=(PR+QX)/U (1)

式中 U-线路额定电压，kV

P-输送的有功功率，kW

Q-输送的无功功率，kvar

R-线路电阻，Ω

X-线路电抗，Ω

安装补偿设备容量Qc后，线路电压降为ΔU1，计算如下：

ΔU1=[PR＋(Q－Qc)X]/U (2)

很明显，ΔU1＜ΔU，即安装无功补偿装置后电压损失减小了。由式(1)、(2)可得出接入无功补偿容量Qc后电压升高计算如下：

ΔU-ΔU1=QcX/U (3)

由于越靠近线路末端，线路的电抗X越大，因此从(3)式可以看出，越靠近线路末端装设无功补偿装置效果越好。

2.2提高变压器的利用率，挖掘设备供电潜力

功率因数由cosφ1提高到cosφ2时变压器利用率提高为：

（4）

由此可见，对于原有供电设备来说，在同样有功功率下，因功率因数的提高，负荷电流减少，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，从而满足了负荷增长的需要；如果原供电网络已趋于过载，由于功率因数的提高，输送无功电流的减少，使系统不至于过载运行，从而发挥原有设备的供电潜力。

2.3减少用户电费支出

关于功率因数与电费调整有以下对应关系：

以0.9为标准值的功率因数调整电费表如下表所示。

由上表可知，增设低压无功补偿装置以后，降低了供电线路和变压器的有功功率损耗，提高了系统的功率因数，取消了供电公司增加的利率电费，甚至还有一定的奖励，因此可以减少用户电费的支出。

2.4 降低线路电能损耗

增设无功补偿装置的主要目的就是为了降损节能，假设输送的有功功率P为定值，安装无功补偿装置后功率因数由cosφ提高到cosφ1，因为P＝UIcosφ，负荷电流I与cosφ成反比，又由于P＝I2R，线路的有功损失与电流I的平方成正比。当cosφ升高，负荷电流I降低，即电流I降低，线路有功损耗就成倍降低。

3、增设无功补偿装置后的经济效益

线损是电流在输变电设备和线路中流动产生的，因而它由线路损耗和变压器损耗两部分组成。按损耗的变化情况可划分为可变损耗和固定损耗。前者指当电流通过导体和变压器所产生的损耗，包括变压器的铜损和电力线路上的铜损，它与负荷率、电网电压等因素有关，约占电网总损耗的80%~85%。后者指只要接通电源电力网就存在的损耗，包括变压器的铁损，电缆线路、电容器及其他电器上的介质损耗及各种计量仪表、互感器线圈上的铁损，它与电网运行电压和频率有关，占总损耗15%~20% 。

我国与发达国家相比，线损较大。发达国家的线损约为2%~3%，而我国在2006年的线损统计为7.1%，所以线损的解决显得越来越重要。

下面以江苏常熟某钢厂120t转炉工程中循环水泵房变电所增设低压无功补偿装置为例说明：

循环水泵房变电所：

无功补偿前：P=1650kW；cosφ=0.80；S=2063kVA。

无功补偿后(720kvar)：P=1605kW；cosφ′=0.95；S′=1736kVA。

实际设计时选用两台变压器，其容量S1=2000kVA；10kV/0.4kV；Z=6%。为方便计算，暂定投入一台变压器带全部负荷工作。

无功补偿前，其系统计算电流为：

I1=P/1.732xUxcosφ=1650/1.732x0.38x0.8=3134（A）；

无功补偿后，其系统计算电流为：

I1′=P/1.732xUxcosφ′=1650/1.732x0.38x0.95=2639（A）；

线路实际运行电流减少I= I1- I1′=3134-2639=495(A)

根据《钢铁企业电力设计手册》中“功率损耗计算”章节中介绍：三相交流电路中，系统线路损耗及变压器损耗的计算公式为：

PN=3xI2x（RL+R1）

式中：PN为功率损耗W；I为系统计算电流A；RL为导线阻抗 。

R1为变压器阻抗Ω。

线路导线的阻抗因实际使用环境不同而有所变化，文中为了方便计算，假设其线路导线阻抗RL=0.01Ω。

变压器阻抗：R1=ZxU2/S1=6%x380x380/2000x103=0.004Ω

变压器及线路总阻抗：RT=R1+RL=0.01+0.004=0.014Ω

无功补偿后，可降低损耗为

PN=3xI2x（RL+R1）=3x495x495x0.014=10291W

假设企业用电费用为1.0元/kWh，该设备一年平均工作360天，每天24小时计算，增设无功补偿装置后每年可节省电费：

Y=10.291kWx(360x24)hx1.0元/kWh=88914元

目前该工程已于2010年初投入使用，循环水泵房变电所无功补偿装置总投入费用约13万元。以每年能够减少电费支出约8.89万元计算，一年半后即可收回该项系统无功补偿装置投资的全部费用。

4、结束语

增设低压无功补偿装置可以提高供电功率因数，减少供电设备及输电线路有功电能损耗；其设备投资费用可以在节约的电费中很快的回收。同时，由于功率因数的提高，变压器等供电设备的供电能力也得到一定的提高，因此增设低压无功补偿装置不仅可以有效的节能降耗，还具有良好的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]王兆安等编著.谐波抑制和无功功率补偿 第2版[M]北京：机械工业出版社（2005.10）.

[2]卿启云.《钢铁企业电力设计手册》[M].北京:冶金工业出版社（1996.1）.

[3]汪金全等编著.供电系统的无功功率与谐波抑制[J]大学学报（自然科学版）,2001.（6）.