配电网无功补偿方案的技术比较

（国网安徽省电力公司池州供电公司 安徽池州247000）

摘 要：配电网合理的无功补偿，能够有效地维持系统的电压水平，降低有功损耗，提高网络输送容量，减少供电成本，因此，确定无功补偿的合理配置和分布非常重要。配电系统的4种无功补偿方式各有的优缺点，对它们进行技术经济比较，以寻求一种配电网无功补偿的最优方案。

关键词：配电网；无功补偿；技术比较

引言

无功补偿点的合理选择以及补偿容量的确定，能够有效地维持系统的电压水平，提高系统的电压稳定性，避免大量无功功率的远距离传输，从而降低有功网损，减少发电费用和供电成本。

1配电系统无功补偿方案及其比较

1.1变电站集中补偿方式

1.1.1变电站集中补偿方式及其优缺点

要平衡输电网的无功功率，可在变电站进行集中补偿，见图1中的方式1。在这种方式下，补偿装置包括并联电容器、同步调相机、静止补偿器等，主要目的是改善输电网的功率因数，提高终端电压，补偿装置一般连接在变电站的10kV母线上，优点是管理容易、维护方便，缺点是对配电网的降损起不到什么作用。

1.1.2变电站集中补偿方式的技术应用

为了调整变电站的电压，通常利用无功补偿装置（一般是并联电容器组）结合变压器有载调压抽头来调节。通过两者的协调来进行电压和无功功率的控制，且这一方面的技术在国内已经积累了丰富的经验，九区图便是一种变电站电压和无功功率控制的有效方法，然而操作上还是较为麻烦的，因为限值需要随不同的运行方式进行相应的调整，在某些区上会产生振荡现象，而且实际操作中，抽头调节和电容器组投切次数是有限的，但九区图没有相应的判断。现行九区图的调节效果也不是数学上证明的最好效果，因此九区图的应用还有待进一步改善。文献[1]利用模糊数学的概念建立了数学模型，得出了模糊边界的无功功率调节判据，它的特点是将九区图中固定的无功功率上下限边界改变成受电压影响的模糊边界，其边界的斜率可根据具体的投切边界条件进行调整，依据这种思路，设计出一种新型的变电站电压无功功率微机综合控制装置，它可以在保证电压合格和无功功率最佳補偿效果的情况下，有载变压器分接头的调节次数比同类装置或人工调节减少1/3，提高了变电站电压合格率，线损降低约20%。

将电容器安装在配电变压器低压侧，主要补偿配电变压器的空载无功功率和漏磁无功功率。一般情况下，配网配变负载率较低，轻载或空载时，无功负荷主要是变压器的空载励磁无功，因此配变无功补偿容量不易超过其空载无功，否则，在配变接近空载时可能造成过补偿，所以应按式Qb ≤ I0%Se/100（其中：I0%是空载电流百分数，从手册中可查出，Se是变压器的额定容量），但对于工业用户的变压器补偿，因其负荷率高，补偿时应从提高变压器出力的角度考虑。

例1：某地良种场有一台变压器Se = 80kVA，cosφ= 0.8，带一抽水用电动机Pe = 75kW，P = Se×cosφ = 80×0.8 = 64kW < 75kW，可见变压器处于超载运行，若提高cosφ的方法提高变压器出力，设拟增cosφ = 0.95，则P = 0.95×80 = 76kW > 75kW，由公式Qb = P×tgφ可知，应补偿无功Qb = 25kvar。

1.2低压集中补偿方式

目前，国内较普遍采用的另外一种无功补偿方式，是在配电变压器380 V侧进行集中补偿，见图1中的方式2。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，它是根据用户负荷水平的波动，投入相应数量的电容器进行跟踪补偿。主要目的是提高专用变压器用户的功率因数，实现无功功率的就地平衡，对配电网和配电变压器的降损有一定作用，也可以保证该用户的电压水平。这种补偿方式的投资及维护均由专用变压器用户承担。目前国内各厂家生产的自动补偿装置通常是根据功率因数来进行电容器的自动投切，也有为了保证用户电压水平而以电压为判据进行控制。这种补偿方式虽然利于保证用户的电能质量，但对供电企业并不一定有利。因为线路电压的波动主要由无功量变化引起，而线路的电压水平由系统情况决定。当线路电压基准偏高或偏低时，无功功率的投切量可能与实际需求相差甚远，可能出现无功功率补偿过多或补偿不足的情况。

对配电系统来说，除了专用变压器之外，还有许多公用变压器，而面向广大居民用户及其他小型用户的公用变压器，其通常安装在户外的杆架上，进行低压无功功率集中补偿则是不现实的，难维护、控制和管理，容易成为生产安全隐患。这样，配电网的补偿度就受到了限制。

在低压母线上装设自动投切的并联电容器成套装置主要补偿变压器本身及以上输电线路的无功功率损耗，而在配电线路上产生的损耗并未减少，因此，补偿不宜过大，否则变压器轻载或空载运行时，将造成过补偿，补偿容量应以变压器额定容量的30%～40%确定，即：Qb = （0.3 - 0.4）SN，或从提高功率因数的角度考虑Qb = P（tgφ1 - tgφ2），其中tgφ1 、tgφ2是补偿前后功率因数角的正切值。

1.3杆上无功补偿方式

文献[2，3]提出了在配电系统杆上进行无功补偿的必要性和方法。由于配电网中大量存在的公用变压器没有进行低压补偿，补偿度受到限制。由此造成很大的无功功率缺口需要由变电站或发电厂来填补，大量的无功功率沿线传输，配电网网损居高不下。因此可以把10kV户外并联电容器安装在架空线路的杆塔上（或另行架杆）的方法来进行无功补偿（见图1中的方式3），以提高配电网功率因数，达到降损升压的目的。由于杆上安装的并联电容器远离变电站，出现保护不易配置，控制成本高，维护工作量大，受安装环境和空间等客观条件限制等工程问题。因此，杆上无功功率优化补偿必须结合以下实际工程要求来进行：

a）补偿点宜少。一条配电线路上宜采用单点补偿，不宜采用多点补偿。

b）控制方式从简。杆上补偿不设分组投切。

c）补偿容量不宜过大。补偿容量太大，将会导致配电线路在轻载时过电压和过补偿现象。杆上空间有限，太多的电容器同杆架设，既不安全，也不利于电容器散热。建议按重载补偿后电源节点功率因数不超过0.95和轻载时功率因数达到1左右即可的方法来处理。

d）接线宜简单。最好是每相只配置一台电容器装置，以降低整套补偿设备的故障率。

e）保护方式也要简化。采用熔丝和氧化锌避雷器分别作为过流保护和过电压保护。

f）防止电容器安装后产生谐振现象。

显然，杆上无功补偿主要是针对10kV馈线上沿线的公用变压器所需无功功率进行补偿，文献[3]提出了这种补偿方式的最优地点和容量的算法。因这种补偿方式具有投资小、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0.95。

将电容器分散安装在高压配电线路上，主要补偿线路上的無功消耗，还可以提高线路末端电压，改善电压质量。其补偿容量一般遵循"三分之二"原则，即补偿容量为无功负荷的三分之二，而电压降为DU = （PR + QX）/Ue。

例1：一条10kV线路，长为5km，导线型号LGJ-70，其中g = 0.46W/km，X0 = 0.411Ω/km，所带负荷200 + j150，在线路末端补偿QC= 100kvar，求线路损耗和电压降。

①求线路上的损耗

补偿前：△P1 = 3×I2R = 3×（2002 + 1502）/102×5×0.46 = 4313W。

补偿后：△P2 = 3×I2R = 3×[2002 +（150 - 100）2]/102×5×0.46 = 2933W。

则一年少损失电量：△A = （△P1 - △P2）T×10-3 = （4313 - 2933）×365×24×10-3 = 12089kWh。

②求电压降

补偿前：△U = （PR + QX）/U = （200×0.46×5 + 150×0.411×5）/10 = 77V。

补偿后：△U = （PR + QX）/U = [200×0.46×5 + （150 - 100）×0.411×5] /10 = 56V。

所以补偿后电压由9.92kV提高到9.94kV，改善了电压质量。

1.4用户终端分散补偿方式

目前，在我国城镇，低压用户的用电量大幅增长，企业、厂矿和小区等对无功功率需求都很大，直接对用户末端进行无功补偿，见图1中的方式4，是最恰当地降低电网的损耗和维持网络的电压水平。GB50052—1995《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。这样，对于企业和厂矿中的电动机，应该进行就地无功补偿，即随机补偿；针对小区用户终端，由于用户负荷小，波动大，地点分散，无人管理，应该开发一种新型低压终端无功补偿装置，并能满足智能型控制、免维护、体积小、易安装、功能完善、造价较低等的要求。

与上述3种补偿方式相比，用户终端分散补偿方式更能体现以下优点：

a）线损率可减少20%；

b）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；

c）释放系统能量，提高线路供电能力。

缺点是低压无功补偿通常按配电变压器低压侧最大无功功率需求来确定安装容量，而各配电变压器低压负荷波动的不同时性造成大量电容器在较轻载时闲置，设备利用率不高

将电容器直接并联在电动机上，用以补偿电动机的无功消耗。搞好电动机的无功补偿，使其无功就地平衡，既能减少配电线路的损耗，同时还可以提高电动机的出力。一般对7.5kW以上电动机进行补偿时，确定容量应按QC ≤ 3UeI0。另外，对于排灌所带机械负荷较大的电动机，补偿容量可适当加大，大于电动机的空载无功，但要小于额定无功负荷，即Q0 ≤ QC ≤ Qe。

例3：某地自来水公司，一条线路长1km，导线型号LGJ-70，其中g = 0.46W/km，X0=0.411Ω/km，带一抽水用电动机Pe = 95kW，实用负荷为100 + j60，由于长期超载，在电动机上补偿无功QC = 30kvar，求补偿前后线路的损耗和电动机的出力。

视在功率S=（1002+602）1/2= 116.26kVA

①求线路上的损耗

补偿前：△P1 = 3×I2R =1002 + 602）/0.382×1×0.46 = 43.32kW。

补偿后：△P1 = 3×I2R = [1002 + （60 - 30）2]/0.382×1×0.46 = 34.72kW。

△P1 - △P2 = 43.32 - 34.72 = 8.6 kW，则一年少损失电量8.6×24×365 = 75.33MWh。

②求电动机出力

补偿前：PN = 95kW < 100kW，电动机处于超载运行。

补偿后：PN = 112kW > 95kW，电动机运行正常，提高了电动机的出力

1.5 4种补偿方式的综合比较

通过以上分析可知，4种无功补偿方式各有各的优缺点，其综合比较见表1所示。

2配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。

2.1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。

2.2量测的问题

目前10kV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。要争取带专用变压器房用户的支持，使他们能按一定要求进行记录。380V终端用户处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。

2.3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。

2.4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，10kV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，则供电企业的收益将比分散的纯用户行为的补偿方式要大得多。

3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。文章分析了4种配网无功补偿方式的应用，但笔者认为应更多地按系统的特点来进行无功补偿。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。如何確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。

参考文献：

[1]厉吉文，孔庆军，张连宏.MCVQ-1变电站电压无功微机综合控制系统[J].山东电力技术，1999（5）：60—63.

[2]张勇军，任震.10 kV长线路杆上无功优化补偿[J].中国电力，2000，33（9）：50—52.

[3]张勇军，任震.基于配网潮流计算的杆上无功补偿优化算法研究[J].华南理工大学学报，2001，29（4）：22—25.

[4]曹光祖.应系统地重视分散和终端无功补偿[J].低压电器，1999（5）：27—30.

[5]GB50052—1995，供电系统设计规范[S].

作者简介：

王鹏（1981—），男，安徽池州人，池州供电公司用电检查员。