配電網(wǎng)無功補償方案比較和補償工程應(yīng)注意的問題（建筑電氣論文）

配電網(wǎng)無功補償方案比較和補償工程應(yīng)注意的問題 1 引言 由于無功補償對電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟運行具有重要作用，因此無功補償是電力部門和用戶共同關(guān)注的問題。合理選擇無功補償方案和補償容量，能有效提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，保證電網(wǎng)的電壓質(zhì)量，提高發(fā)輸電設(shè)備的利用率，降低有功網(wǎng)損和減少發(fā)電 費用。 我國配電網(wǎng)的規(guī)模巨大，因此配電網(wǎng)無功補償對降損節(jié)能，改善電壓質(zhì)量意義重大。本文結(jié)合當前人們關(guān)注的電網(wǎng)無功補償問題，重點分析、比較了配電網(wǎng)常用無功補償方案特點，并通過對無功補償應(yīng)用技術(shù)的分析，提出了配電網(wǎng)無功補償工程應(yīng)注意問題和相關(guān)建議。 2 配電網(wǎng)無功補償方案比較 配電網(wǎng)無功補償方案有變電站集中補償、配電變低壓補償、配電線路固定補償和用電設(shè)備分散補償。四種方案示意圖見圖 1所示。 2.1 變電站集中補償 變電站集中補償裝置包括并聯(lián)電容器、同步調(diào)相機、靜止補償器等，主要目的是平衡輸電網(wǎng)的無功功率 ，改善輸電網(wǎng)的功率因數(shù)，提高系統(tǒng)終端變電所的母線電壓，補償變電站主變壓器和高壓輸電線路的無功損耗。這些補償裝置一般集中接在變電站10kV 母線上，因此具有管理容易、維護方便等優(yōu)點，但這種補償方案對 10kV配電網(wǎng)的降損不起作用。為實現(xiàn)變電站的電壓 /無功綜合控制，通常采用并聯(lián)電容器組和有載調(diào)壓抽頭協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)。協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)控制算法國內(nèi)學(xué)者進行過大量研究，九區(qū)圖法是一種常用的有效方法。但大量的實際應(yīng)用表明，投切過于頻繁會影響電容器開關(guān)和分接頭的使用壽命，增大運行維護工作量，通常在實際中要限制抽頭調(diào)節(jié)和電容器組操作次數(shù) 。采用電力電子開關(guān)控制成本比較高、開關(guān)自身功率損耗也很大，因此變電站高壓電壓 /無功控制技術(shù)仍有待進一步改善和研究。 鑒于變電站無功補償對提高高壓電網(wǎng)功率因數(shù)，維持變電所母線電壓和平衡系統(tǒng)無功有重要作用，因此應(yīng)根據(jù)負荷的增長安排、設(shè)計好變電站的無功補償容量，運行中在保證電壓合格和無功補償效果最好的情況下，盡可能使電容器組投切開關(guān)的操作次數(shù)為最少。 2.2 配電變低壓補償 配電變低壓補償是目前應(yīng)用最普遍的補償方法。由于用戶的日負荷變化大，通常采用微機控制、跟蹤負荷波動分組投切電容器補償，總補償容量在幾十至幾百千 乏不等。目的是提高專用變用戶功率因數(shù)，實現(xiàn)無功的就地平衡，降低配電網(wǎng)損耗和改善用戶電壓質(zhì)量。 配變低壓無功補償?shù)膬?yōu)點是補償后功率因數(shù)高、降損節(jié)能效果好。但由于配電變壓器的數(shù)量多、安裝地點分散，因此補償工程的投資較大，運行維護工作量大，也因此要求廠家要盡可能降低裝置的成本，提高裝置的可靠性 。 采用接觸器投切電容器的沖擊電流大，影響電容器和接觸器的使用壽命；用晶閘管投切電容器能解決接觸器投切電容器存在的問題，但明顯缺點是裝置存晶閘管功率損耗，需要安裝風扇和散熱器來通風與散熱，而散熱器會增大裝置的體積，風 扇則影響裝置的可靠性。 為解決這些問題，筆者組織開發(fā)、研制了機電一體開關(guān)無功補償裝置，機電開關(guān)補償裝置典型接線如圖 2 所示。裝置采用固定補償與分組補償結(jié)合，以降低裝置的生產(chǎn)成本；裝置能實現(xiàn)分相補償，以滿足三相不平衡系統(tǒng)的需要。機電開關(guān)控制使裝置既有晶閘管開關(guān)的優(yōu)點，又具有接觸器無功率損耗的優(yōu)點。幾千臺裝置的現(xiàn)場運行、試驗表明，機電開關(guān)補償裝置體積小 、可 靠性高，能滿足戶外環(huán)境、長期工作需要。 低壓補償裝置安裝地點分散、數(shù)量大，運行維護是補償工程需要重點考慮的問題；另外，配電系統(tǒng)負荷情況復(fù)雜，系統(tǒng)可能存在諧波、 三相不 平衡，以及防止出現(xiàn)過補償?shù)葐栴}，這些工程中應(yīng)注意的問題后面詳細 紹。 2.3 配電線路固定補償 大量配電變壓器要消耗無功，很多公用變壓器沒有安裝低壓補償裝置，造成的很大無功缺額需要變電站或發(fā)電廠承擔，大量的無功沿線傳輸使得配電網(wǎng)的網(wǎng)損居高難下，這種情況下可考慮配電線路無功補償，文獻 34提出了配電線路無功補償?shù)谋匾院头椒ā?線路補償既通過在線路桿塔上安裝電容器實現(xiàn)無功補償。由于線路補償遠離變電站，因此存在保護難配置、控制成本高、維護工作量大、受安裝環(huán)境限制等問題。因此，線路補償?shù)难a償點 不宜過多；控制方式應(yīng)從簡，一般不采用分組投切控制；補償容量也不宜過大，避免出現(xiàn)過補償現(xiàn)象；保護也要從簡，可采用熔斷器和避雷器作為過電流過電壓保護。 線路補償主要提供線路和公用變壓器需要的無功，工程問題關(guān)鍵是選擇補償?shù)攸c和補償容量，文獻 4給出了補償?shù)攸c和容量的實用優(yōu)化算法。線路補償具有投資小、回收快、便于管理和維護等優(yōu)點，適用于功率因數(shù)低、負荷重的長線路。線路補償一般采用固定補償，因此存在適應(yīng)能力差，重載情況下補償度不足等問題。自動投切線路補償仍是需研究的課題。 2.4 用電設(shè)備隨機補償 在 10kV 以下電網(wǎng)的無功消耗總量中，變壓器消耗占 30左右，低壓用電設(shè)備消耗占 65以上。由此可見，在低壓用電設(shè)備上實施無功補償十分必要。從理論計算和實踐中證明，低壓設(shè)備無功補償?shù)慕?jīng)濟效果最佳，綜合性能最強，是值得推廣的一種節(jié)能措施。 感應(yīng)電動機是消耗無功最多的低壓用電設(shè)備，故對于油田抽油機、礦山提升機、港口卸船機等廠礦企業(yè)的較大容量電動機，應(yīng)該實施就地無功補償，即隨機補償。與前三種補償方式相比，隨機補償更能體現(xiàn)以下優(yōu)點： 1）線損率可減少 20%； 2）改善電壓質(zhì)量，減小電壓損失，進而改善用電設(shè)備啟動和運行條件； 3）釋放系統(tǒng)能量，提高線路供電能力。 由于隨機補償?shù)耐顿Y大，確定補償容量需要進行計算，以及管理體制、重視不夠和應(yīng)用不方便等原因，目前隨機補償?shù)膽?yīng)用情況和效果都不理想。因此，對隨機補償需加強宣傳力度，增強節(jié)能意識，同時應(yīng)針對不同用電設(shè)備的特點和需要，開發(fā)研制體積小、造價低、易安裝、免維護的智能型用電設(shè)備無功補償裝置。 根據(jù)以上常用無功補償方案的分析、討論，我們可歸納、整理出四種補償方案的特點和基本性能如表 1 所示。 表 1 四種無功補償方法的特點比較 補償方式 變電站集中補償 配電變低壓補償 配電線 路固定補償 用電設(shè)備隨機補償 補償對象 變電站無功需求 配電變無功需求 配電線路無功基荷 用電設(shè)備無功需求 降損范圍 主變壓器及輸電網(wǎng) 配電變及輸配電網(wǎng) 配電線路及輸電網(wǎng) 整個輸配電系統(tǒng)網(wǎng) 調(diào)壓效 較好 較好 較好 最好 果 單位投資 較大 較大 較小 較大 設(shè)備利用率 較高 較高 很高 較低 維護方便性 方便 較方便 方便 不方便 3 無功補償?shù)恼{(diào)壓作用分析 鑒于配變無功補償是供電企業(yè)和用戶普遍關(guān)注的工作。現(xiàn)在開始，本文重點對配變無功補償及工程問題進行分析和探討。 3.1 典型實例的計算 圖 1 為某市臺江變電站 10kV母線 953線路簡化接線。該線路自變電站端開始一段與 956線為同桿雙回線，其中 956 線較短些，接有 18臺配電變壓器；而 953線路較長，接有 31臺配電變壓器，變壓器總?cè)萘繛?9895kVA。 953線路 31臺變壓器容量為 501000kVA 大小不等，為計算和分析方便，對實際的 31臺變壓器就近進行了等值處理。例如，節(jié)點 8 處是一個較大的用戶，接有 3 臺 1000kVA 的變壓器；而節(jié)點 3 處 1695kVA 是 6 臺變壓器的總?cè)萘?，其它?jié)點情況與節(jié)點 3 相同。 圖 1 各段線路下數(shù)字為 導(dǎo)線公里長度，主干線路導(dǎo)線型號為 LGJ 120。根據(jù)圖 1 各節(jié)點變壓器的總?cè)萘浚僭O(shè)變壓器在經(jīng)濟負載系數(shù) Kf=0.65（相當較大負荷情況）狀態(tài)下工作，取功率因數(shù)為 cos=0.85 ，可計算節(jié)點變壓器和各段線路的有功負荷；再假設(shè)變電站母線電壓分別為 10.5kV 和 11.4kV，運用負荷矩法可分別計算不同情況下線路的各節(jié)點電壓。依此方法計算的幾種結(jié)果如表 2 所示。 表 2 不同情況線路節(jié)點電壓的計算結(jié)果 方案 序號 功率 因數(shù) 線路節(jié)點電壓值（ kV） 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0.85 10.5 10.083 9.781 9.497 9.297 9.142 9.063 9.081 2 0.95 10.5 10.130 9.842 9.589 9.395 9.257 9.187 9.203 3 0.85 11.4 10.983 10.699 10.400 10.183 10.027 9.948 9.966 4 0.95 11.4 11.033 10.742 10.489 10.295 10.157 10.086 10.103 3.2 計算結(jié)果分析 表 2中變電站母線電壓 10.5kV為負荷高峰期正常逆調(diào)壓的要求電壓； 11.4kV 是為保證和滿足線路末端用戶（節(jié)點 8 和節(jié)點 9）母線電壓在額定范圍內(nèi)，變電站母線應(yīng)達到的電壓，也是實際系統(tǒng)中經(jīng)常需要的運行電壓。計算結(jié)果為功率因數(shù)為 0.85和 0.95兩種情況電壓，目的在于分析配變無功補償對電壓的影響。 按國標（ GB 12325-90）電能質(zhì)量 供電電壓允許偏差中的規(guī)定： 10kV 及以下三相供電電壓允許偏差為額定電壓的 7% 。因此，從表 2 計算結(jié)果可以看出： 1）該線路依靠正常的分接頭逆調(diào)壓，功率因數(shù) cos=0.85時，節(jié)點 6 到節(jié)點 9 電壓 超標；功率因數(shù) cos=0.95 時，節(jié)點7 到節(jié)點 9 電壓超標。因此，僅靠變壓器分接頭逆調(diào)壓，不能滿足線路末端用戶的電壓質(zhì)量要求。 2）表 2 中的 cos 值為各節(jié)點變壓器的功率因數(shù)。因此在配變低壓補償無功功率，提高變壓器功率因數(shù)，對該線路電壓有調(diào)節(jié)作用，但只能部分地解決電壓問題；但從調(diào)壓和降損兩方面考慮，無功補償是應(yīng)普遍采用的技術(shù)。 3）變電站電壓提高到 11.4kV能滿足末端用戶電壓要求，但變電站母線電壓屬嚴重超標。會造成變電站 10kV電容器和部分低壓電容器的保護超過 1.1UN的定值，使無功補償裝置退出運行（實際情況），這將使電網(wǎng)損耗明顯增大。 3.3 原因和解決措施 造成圖 1 系統(tǒng)電壓問題的主要原因是導(dǎo)線截面小、供電半徑大。例如，在線路 4.5km 范圍內(nèi)（ 5 節(jié)點之前），電壓不會超標。因此，對更換導(dǎo)線或插入新變電站是解決該線路電壓問題的根本措施。但由于街區(qū)位置和條件限制，插入變電站改造需要的投資非常大，因此該線路必須尋求其它的解決辦法。 文獻 6提出的有載調(diào)壓變壓器是解決該線路電壓問題的有效手段。但配電變的負荷波動大、變化頻繁，機械式分接頭難適應(yīng)和滿足電網(wǎng)的調(diào)壓需要。文 獻 6提出的晶閘管串聯(lián)調(diào)壓方法是一個很好的解決思路，希望這種變壓器能盡快得到推廣和應(yīng)用。但該方案需要更換的變壓器數(shù)量多，工程改造投資會很大。 表 3 采用 TVR 調(diào)壓線路節(jié)點電壓的計算結(jié)果 方案 序號 功率 因數(shù) 線路節(jié)點電壓值（ kV） 2 3 4 5 6 7 8 9 5 0.85 10.5 10.083 9.781 9.497 9.797 9.642 9.563 9.581 6 0.85 10.25 9.833 9.531 9.257 9.529 9.374 9.297 9.313 7 0.95 10.5 10.13 9.842 9.589 9.895 9.757 9.687 9.703 8 0.95 10.25 9.880 9.592 9.339 9.646 9.507 9.437 9.453 在圖 1 節(jié)點 6 位置安裝一臺晶閘管電壓調(diào)節(jié)器（ TVR） 7，是解決該線路電壓問題的更有效措施。 TVR可使節(jié)電 6電壓在方案 1 和方案 2 基礎(chǔ)上調(diào)高 500V，有 TVR 調(diào)壓的各節(jié)點電壓計算結(jié)果如表 3 所示。 TVR方案優(yōu)點是一臺設(shè)備解決全線路的電壓問題，經(jīng)濟性是顯而易見的。 以上實例說明，低壓無功補償 具有調(diào)節(jié)、改善 10kV 電網(wǎng)電壓的作用；但不能解決像圖 1 這種長線路存在的電壓問題。 4 無功補償效益的簡要分析 配變低壓無功補償能有效降低配電變及以上輸配電網(wǎng)的損耗。由于計算整個電網(wǎng)損耗涉及因素多，工作量大，下面僅以圖1 中節(jié)點 4 的 1000kVA 變壓器為例，通過簡單計算，說明無功補償具有巨大的直接和間接效益。 設(shè)補償前節(jié)點 4 變壓器滿載運行，視在功率 S 1000KVA，功率因數(shù) COS 0.85，年用電時間為 T 3000 小時，計算： 1）若將 COS 提高到 0.95，計算需要的補償電容器容量； 2）補償前需要支付的年費用； 3）補償裝置單位投資為 150元 /kvar，補償裝置本身損耗為 3，投資回收率為 10 /年，計算補償后的年效益。 根據(jù)已知條件，可計算補償前 P1 SCOS 1 10000.85 850kW Q1 Ssin 1 10000.52678 526.78kvar 1）求需要安裝的補償電容器容量 x 因裝置本身有功損耗為 3，補償后的電網(wǎng)無功 Q2 526.78 x，要求 COS 為 0.95，可求 tg 2 0.3287，于是有 可求補償容量 x 245.73246kvar 2）補償前 需要支付的年費用 基本電費：一般按最大負荷收取，設(shè)每 KVA收取的費用為 180元 /年，故有 FJ1 1801000 18萬元 電量電費：設(shè)每 KWh為 0.4 元，故有 FD1 0.48503000 102 萬元 補償前年費用： FZ1 FJ1+ FD1 18+102 120 萬元 3）補償后需要支付的年費用和年效益 補償后的視在功率和基本電費： FJ2 180857 15.426 萬元 電量電費： FD2 0.4(850+0.03246)3000 102.88 萬元 補償裝置折舊費： Ff 15024610 0.369 萬元 補償后年費用： FZ2 FJ2+ FD2+ Ff 15.426+102.88+0.369 118.675 萬元 安裝無功補償可獲得的年效益 F FZ1 FZ2 120 118.675 1.325 萬元 上面僅僅是無功補償提高功率因數(shù)角度計算的效益；如果計及降低輸配電網(wǎng)損耗、功率因數(shù)調(diào)整電費，以及節(jié)約建設(shè)投資、改善電壓質(zhì)量等方面因素，其經(jīng)濟效益更加可觀。 5 產(chǎn)品選型及工程應(yīng)注意的問題 低壓無功補償安裝地點分散、數(shù)量多，且配 電網(wǎng)電壓、負荷情況復(fù)雜；工程中相關(guān)問題考慮不周，不僅影響裝置正常運行，也帶來很多維護、管理等問題，工程問題必須引起重視。 1）運行及產(chǎn)品可靠性問題 與配電變壓器相比，低壓補償裝置的維護量無疑要高很多；控制系統(tǒng)越復(fù)雜、功能越多，維護工作量越大。有些單位從 “ 長遠 ” 考慮，提出聯(lián)網(wǎng)、監(jiān)控等很多要求，無疑會增大投資和運行維護量，事實是很多沒有聯(lián)網(wǎng)的可能。 低壓補償裝置的可靠性在開關(guān)和電容器，電容器壽命與工作條件有關(guān)，因此裝置的投切開關(guān)是關(guān)鍵。大量工程實踐表明，戶外配變無功補償因工作條件差，晶閘管或接觸器 補償裝置難滿足可靠性要求 2，機電一體開關(guān)是最佳選擇。 2）產(chǎn)品類型和功能選擇問題 對配電臺變的補償控制，有多種類型和不同功能的產(chǎn)品可供選擇。城網(wǎng)臺變多以無功補償為主，很多要求有綜合監(jiān)測功能。農(nóng)網(wǎng)不同場合要求不同，可考慮配電 +補償、補償 +計量，特殊用戶可用配電 +補償 +計量或補償 +綜測。 對監(jiān)控功能的要求高，必然成本高、投資大。建議根據(jù)實際需要和使用場合，合理選擇功能適用、價位合理的產(chǎn)品。實際工程上，不應(yīng)出現(xiàn)一個變臺安裝有多個箱子的情況。 3）控制量選取和控制方式問題 很多專變補償裝置根據(jù)電壓控 制電容器補償無功量，這種方式有助于保證用戶的電壓質(zhì)量，但對電力系統(tǒng)無功補償不可取。前面圖 1 線路的電壓分析表明，電網(wǎng)的電壓水平是由系統(tǒng)情況決定的。若只按電壓高或低控制，無功補償量可能與實際需求相差很大，容易出現(xiàn)無功過補償或欠補償。從電網(wǎng)降低網(wǎng)損角度，取無功功率為控制量是最佳控制方式。 4）補償效果和補償容量問題 前面實例分析表明，配變低壓補償無功可提高配變功率因數(shù)，降低配變損耗，但只節(jié)點 6 配變裝補償，對 10kV線路降損作用很小。因此，某條線路配變安裝補償數(shù)量少或補償容量不足，影響全網(wǎng)（線路）降損 和電壓改善效果。 前面計算方法確定補償容量，對實際工程難以實現(xiàn)。配電網(wǎng)日負荷變化大，負荷性質(zhì)不同，補償容量要求也不同。大量工程實踐表明，對動態(tài)補償在配變?nèi)萘?20%-30%內(nèi)。同時，對個別情況可能需要進行特殊處理。 5）無功倒送和三相不平衡問題 無功倒送會增加線路和變壓器的損耗，加重線路供電負擔。為防止三相不平衡系統(tǒng)的無功倒送，應(yīng)要求控制器檢測、計算三相無功投切控制。固定補償部分容量過大，容易出現(xiàn)無功倒送。一般動態(tài)補償能有效避免無功倒送。 系統(tǒng)三相不平衡同樣會增大線路和變壓器損耗。對三相不平衡較 大的負荷，比如機關(guān)、學(xué)校等單相負荷多的用戶，應(yīng)考慮采用分相無功補償裝置。并不是所有廠家的控制器都具有分相控制功能，這是工程中必須考慮的問題。 6）諧波影響和電容器保護問題 諧波影響會使電容器過早損壞或造成控制失靈，諧波放大會使干擾更加嚴重。工程中應(yīng)掌握用戶負荷性質(zhì)，必要時應(yīng)對補償系統(tǒng)的諧波進行測試，存在諧