浅析配电网无功补偿的经济性
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1 概述
近几年来，随着电力设备的日益更新以及农网、城网改造的逐步落实，配电网的结构正在日趋合理，线路、配变的供电能力日渐增强，供电可靠性及安全系数都得到明显提高。但是，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。由于电网负荷的不断增加，不但改变了电力系统的网络结构和电源分布，而且造成系统的无功分布不尽合理，甚至可能出现局部地区无功严重不足、电压水平普遍较低的情况。电力系统无功分布是否合理，不仅关系到电力系统向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尤为重要。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，对电网无功要求也与日增加。此外，网络的功率因数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。
合理的无功补偿点的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，避免大量无功的远距离传输，从而降低有功网损。而且由于我国配电网长期以来无功缺乏，造成的网损相当大，因此无功功率补偿是降损措施中投资少回收高的有效方案。配电网无功补偿方式常用的有：变电站集中补偿方式、低压集中补偿方式、杆上无功补偿方式和用户终端分散补偿方式。
《电力系统电压和无功电力管理条例》第一章之第一条中明确规定：“……无功电力是影响电压质量的一个重要因素。各级电力部门和各用电单位都要加强电压和无功管理，切实改善电网和用户端的受电电压。”
交流异步电机广泛用于工业与民用系统。但不少电机负荷率低，常处于轻载或空载状态，无功功率消耗比有功功率大，电能浪费严重。因此采用无功补偿，提高功率因数、节约电能、减少运行费用是很有效的措施。对异步电动机采用无功功率补偿以提高功率因数，节约电能，减少运行费用，提高电能质量，符合我国节约能源的国策，同时亦给企业带来经济效益。书面理论和多年的实践经验均表明，无功补偿对于电压质量的改善和经济效益的提高都有很大益处；然而，却一直得不到很好的推广，下面就无功补偿的有关方面做简单分析。
2 实施无功补偿的意义
2.1 对电压的影响
配电网末端总存在电压过低等有关问题，究其原因，除电网自身的问题之外，主要是由于无功不足所(如图1的方式1)，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、提高终端变电所的电压和补偿主变的无功损耗。这些补偿装置一般连接在变电站的10kV母线上，因此具有管理容易、维护方便等优点。
为了实现变电站的电压控制，通常采用无功补偿装置(一般是并联电容器组)结合变压器有载调压共同调节。通过两者的协调来进行电压／无功控制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／无功控制的有效方法。然而操作上还是较为麻烦的，因为由于限值需要随不同运行方式进行相应的调整，甚至在某些区上会产生振荡现象；而且由于实际操作中变压器有载分接头的调节和电容器组的投切次数是有限的，而在九区图没有相应的判断。因此，现行九区图的调节效果还有待进一步改善。
(2)低压集中补偿方式
在配电网中，目前国内较普遍采用的无功补偿方式是在配电变压器380V侧进行集中补偿(如图1的方式2)，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左右，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。它主要目的是提高专用变用户的功率因数，实现无功补偿的就地平衡，对配电网和配电变的降损有积极作用，同时也有助于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。就这种方案而言，虽然有助于保证用户的电能质量，但对电力系统并不可取。虽然线路电压的波动主要由无功量变化引起，但线路的电压水平往往是由系统情况决定的。当线路电压基准值偏高或偏低时，无功的投切量可能与实际需求相距甚远，易出现无功过补偿或欠补偿。
对配电系统来说，除了专用变之外，还有许多公用变。而面向广大家庭用户及其他小型用户的公用变，由于其通常安装在户外的杆架上，实现低压无功集中补偿则是不现实的，难于维护、控制和管理，且容易造成生产安全隐患。这样，配电网的无功补偿受到了很大地限制。
(3)杆上补偿方式
由于配电网中大量存在的公用变压器没有进行低压补偿，使得补偿度受到限制。由此造成很大的无功缺 口需要由变电站或发电厂来填，大量的无功沿线传输使得配电网网损仍然居高难下。因此可以采用10kV户外并联电容器安装在架空线路的杆塔上(或另行架杆)进行无功补偿(如图l的方式3)，以提高配电网功率因数，达到降损升压的目的。但由于杆上安装的并联电容器远离变电站，容易出现保护不易配置、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问题。因此，杆上无功优化补偿必须结合以下实际工程要求来进行：
1) 补偿点宜少。建议一条配电线路上宜采用单点补偿，不宜采用多点补偿；
2) 控制方式从简。建议杆上补偿不设分组投切；
3) 建议补偿容量不宜过大。补偿容量太大将会导致配电线路在轻载时出现过电压和过补偿现象。另外杆上空间有限，大多数电容器同杆架设，既不安全，也不利于电容器散热；
4) 建议保护方式应简化。主要采用熔断器和氧化锌避雷器作简单保护。
显然，杆上无功补偿主要是针对10kV馈线上的公用变所需无功进行补偿，因其具有投资小，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配电线路，但是因负荷经常波动而该补偿方式是长期固定补偿，故其适应能力较差，应积极开发应用电容器组能自动投切的杆上无功补偿技术。
(4) 用户终端分散补偿方式
目前在我国城乡各地，低压用户的用电量增长迅速，企业、厂矿和小区等对无功需求都很大，直接对用户末端进行无功补偿(如图l的方式4)将是恰当地降低配电网的损耗和维持配电网的电压水平的有效措施。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，因此应积极开发应用一种新型的低压终端无功补偿装置，并满足以下要求：①智能型控制，免维护；②体积小，易安装；③功能完善，造价较低。
与前面三种补偿方式相比，本补偿方式更能体现以下优点：①线损率可减少约20％；②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；③释放系统能量，提高线路供电能力。缺点是由于低压无功补偿通常按配电变压器低压侧最大无功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负荷较轻时出现闲置，设备利用率不高。
综合以上四种无功补偿方式，技术性能比较如表l所示。
3.3 最优补偿
实际补偿过程中，电容器容量的选择是一个十分重要的问题，如果我们选择的容量过小，则起不到很好的补偿作用；如果容量选择过大，使供电回路电流的相位超前于电压，就会产生过补偿，将会引起变压器二次电压升高，导致电力线路及电容器自我的损耗增加。
电容器的补偿容量要以具体情况而定，一般以下列公式计算：在变电所补偿电容的选择时应结合网内无功潮流的分布及配电线路用户的无功补偿水平来考虑，由于变电所一般均设两台变压器、二次侧接线又可分两段接线，为了适应变压器分台运行和二次侧分段运行及检修方便，补偿电容器组以分装两组为易，其容量一般均能适应轻载无功负荷(接近主变空载运行)及平均无功负荷(接近主变正常无功负荷)一般按主变容量的10％～20％确定。
无功补偿是日常运行中最常用、最有效的节能降损技术措施，而无功分散补偿更是实现无功就地平衡，对于降低供电线损，提高配网供电能力，改善电压质量都有重大意义，所以，在配电网建设与改造中应大力应用无功补偿技术。对无功功率进行补偿的节能效果是有目共睹的，在应用的过程中，还应该在技术经济上综合考虑，根据具体情况进行分析，来决定是采用集中补偿还是就地补偿，还是两者综合采用，从而达到使电气设备经济运行的目的。
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。