摘要：隨著城市發展的不斷擴大，電力的需求也越來越高，舊的城市電網已不能滿足現階段的電力需求，對城市電網的改造已十分緊迫，需要及時解決城市電網對現階段供電質量的高要求。文章初步分析無功補償的基本原理、經濟意義等，以準確計算補償容量，最終合理選擇無功補償方式。

　　關鍵詞：無功補償,基本原理,線損,電容器容量,補償方式

　　前 言

　　隨著我國城網建設的迅速發展，城市電網的改造工作也在不斷地推進。而電力系統的無功補償又能夠有效地提高系統運行電壓、減小網損，并提高系統的穩定水平。電力系統無功功率補償是電力系統安全經濟運行研究的一個重要組成部分。通過對電力系統無功電源的合理配置和對無功負荷的最佳補償，不僅可以維持電壓水平和提高電力系統運行的穩定性，而且可以降低有功網損和無功網損，使電力系統能夠安全經濟運行。

　　1.無功補償的基本原理

　　電網輸出的功率包括兩部分;一是有功功率;二是無功功率。直接消耗電能，把電能轉變為機械能，熱能，化學能或聲能，利用這些能作功，這部分功率稱為有功功率;不消耗電能;只是把電能轉換為另一種形式的能，這種能作為電氣設備能夠作功的必備條件，并且，這種能是在電網中與電能進行周期性轉換，這部分功率稱為無功功率，如電磁元件建立磁場占用的電能，電容器建立電場所占的電能。電流在電感元件中作功時，電流滯后于電壓90℃。而電流在電容元件中作功時，電流超前電壓90℃。在同一電路中，電感電流與電容電流方向相反，互差180℃。如果在電磁元件電路中有比例地安裝電容元件，使兩者的電流相互抵消，使電流的矢量與電壓矢量之間的夾角縮小，從而提高電能作功的能力，這就是無功補償的道理。

　　2.無功補償的經濟意義分析

　　對于電網而言，在高壓電源側或低壓用戶側均可進行無功補償。但是，在低壓用戶側進行無功補償，不但可以減少變壓器和輸電線路上的損耗，還可以提高變壓器容量和輸電線路的利用率以及減少負載端的電壓變化率。所以，無功補償裝置的安裝選擇方案應該是安裝在越靠近負載端越好。也即，我們考慮為達到降低用戶用電成本的目的，應在配電網用戶端適時安裝無功補償電容器，進行無功補償是較好的補償選擇。

　　(1)安裝無功補償器可以減少變壓器和輸電線路的投資裝設無功補償器后，在確保電網輸送有功功率P不變的情況下，由于負載側功率因素的提高，可以減少電網對視在功率的供給。如圖1所示，裝設補償電容器后，改善了負荷側的功率因素，用電負荷所需要的無功功率由無功補償電容器提供，使電網視在功率減小，S〃

　　S'為無功補償前的視在功率;S"為無功補償后的視在功率;Q'為無功補償前的感性無功功率;Q"為無功補償后的感性無功功率;Qc為無功補償提供的容性無功補償功率;P為負載所需的有功功率;Φ1為無功補償前的功率因數值;Φ2為無功補償后的功角

　　圖1　 有功功率一定下的無功補償原理

　　則 < 式中，

        為補償前的線路電流; 為補償后的線路電流;IR為線路有功電流分量;IX為補償前無功電流分量;(IX—IC)為補償后線路無功電流分量;IC為補償電容器提供的無功容性補償電流。

　　因為在低壓側裝設了電容器補償無功功率，使變壓器容量得到了節約，同時減小了線路電流，故在電網改造設計時，可大大節省變壓器及輸電線路的投資。而對已有的電網也可提高電網傳送能力及容量的利用率。

　　(2)通過無功補償可以降低線損及變壓器損耗

　　設Zl為輸電線路等效阻抗，Zl=R+jX;△P'為原線路的損耗，△P"為無功補償后線路損耗;I'為原線路電流;I"為補償后線路電流。

的67.9%。

　　(3)安裝無功補償裝置有利于改善供電質量

　　在配電網中裝設無功補償電容器，還可以改善供電質量。線路電壓的變化量可按下式計算：

　　

　　式中，U為線路電壓;P為線路輸送的有功功率;Q為線路輸送的無功功率;R為線路等效電阻;X為補償前輸電線路等效電抗。

　　安裝無功補償電容器后，線路電壓的變化量用△U'表示，則：

　　顯然，△U'<△U，即安裝無功補償電容器后，電壓的變化量(降低量)減小了，使得網絡供電質量得到提高。

　　(4)通過無功補償能夠提高變壓器及輸電線路的利用率

          

　　式中，Ul為網絡線電壓;Il為網絡線電流。

　　可見，在一定的電壓和電流下， 越高，其輸出的有功功率就越大。在輸出有功功率P不變，電壓Ul不變的情況下，提高功率因數進行無功補償，將使視在功率下降，使變壓器的利用率得到提高。

　　在設備容量不變的條件下，由于安裝無功補償電容器使功率因數得以提高，這樣可以減少總的無功功率，增加有功功率的傳送，如圖2所示。有功功率△P計算如下：

　　P'為無功補償前的有功功率;p"為無功補償后的有功功率;Q'為無功補償前的感性無功功率;Q"為無功補償后的感性無功功率;Qc為無功補償提供的容性無功補償功率;P為負載所需的有功功率;S為變壓器容量;Φ1為無功補償前的功率因數值;Φ2為無功補償后的功角

　　圖2　 視在功率一定下的無功補償原理

　　如需要的有功功率不變，由于無功補償使總的無功功率減小，故所需要的配變容量也相應減少，減少量△S計算如下：

　　(5)通過無功補償有利于提高電網的傳輸能力

　　根據視在功率與有功功率之間的關系P=S ，在傳送一定有功功率P的條件下，功率因數 越大，也即無功補償越強，所需視在功率就越小。因此，無功補償可以提高電網的傳輸能力。

　　3.無功補償電容器容量的確定

　　無功補償容量的確定是正確合理實施配網無功補償的重要前提，選擇不同的補償側重點，計算補償容量的方法也不盡相同。

　　(1)按配變容量和提高功率因數確定補償容量

　　補償容量QC可按下式計算：

　　式中，QC為需要補償的容量Kvar;S為配變額定容量KVA; 補償前功角的正弦值; 補償后功角的正弦值。

　　考慮到動力類負荷，一般配變器的功率因數在0.75左右，設計在滿負荷狀態下功率因數提高到0.90。按上式計算補償百分比為QC/S×100%=22.5%。

　　根據電網的運行經驗可以知道，補償容量一般為變壓器額定容量的20%～30%。

　　(2)按補償電網壓降確定補償容量

　　補償容量按提高電壓的要求，采用近似法計算：

　　式中，U為需要達到的電壓值KV;△U為需要提高的電壓值V;X為線路等效電抗Ω。

　　(3)按電動機空載電流確定補償容量

　　感應電動機隨機補償時，應按其空載電流來選擇補償電容器的容量。補償容量一般不應大于電動機的空載無功功率，即：

       通常采用：

　　式中，UN為電動機的額定電壓kV;I0為電動機的空載電流kA;

　　4.無功補償方式

　　無功補償最常用的方法是在供用電線路中加裝并聯的電力電容器，以補償感性負載所需要的感性無功功率。理論上而言，無功補償最好的方式是，在哪里需要無功，就在哪里補償，整個系統將沒有無功電流的流動。但在實際電網當中，這是不可能做到的。因為無論是變壓器、輸電線路還是感性負載，均會需要無功功率。所以實際城市電網當中就補償裝置的安裝位置而言有如下幾種補償方式：(1)變電所集中補償;(2)配電線路分散補償;(3)負荷側集中補償;(4)用戶負荷就地補償。

　　對于城市低壓配電網無功補償，通常采用負荷側集中補償方式。即在變壓器低壓側利用自動功率因數調整裝置，隨著負荷的動態變化，自動地投入或切除電容器的部分或全部容量進行補償。

　　補償方式就相間關系而言，又可分為三種方式：三相共補、分相補償和混合補償(即共補與分補結合)。一般而言，當需要補償的容量超過60Kvar時，采用混合補償比較合適，既可照顧到相間平衡，又可以降低成本，而補償效果則與分相補償的效果完全相同。

　　由于補償過程中補償電容器的分組數即補償級數的多少，影響著補償的精度。補償級數越多，補償精度就越高。但隨著補償級數的增加，補償裝置成本會大幅度提高，而且補償裝置體積也會增大。因此城網應綜合考慮補償精度、成本、裝置體積等因素，建議采用11級非等容量補償。前9級為等容量補償，以滿足基本補償，后2級為小容量補償，以提高補償精度。

　　綜上所述，根據城市配電網的特點，補償方式的選擇應遵循集中補償與分散補償相結合，以分散補償為主的原則;高壓側補償與低壓側補償相結合，以低壓側補償為主的原則;分相補償與三相補償相結合，以分相補償為主的原則;調壓與降損相結合，以降損為主的原則，并根據當地情況適時采用目前最先進的FACTS相關裝置。

　　5.需要注意的幾個問題

　　(1)準確計算，合理確定補償容量

　　無功補償過程中，如果補償容量確定不合適，則會造成欠補償和過度補償帶來的問題。欠補償時將不能完全達到補償降損的目的。過度補償一方面會導致無功倒送，無功倒送是電網所不允許的，因為它會增加線路和變壓器的損耗;另一方面會使功率因數過高，由于功率因數過高時，單位補償容量減少損耗的作用將大幅變小，反而使補償成本上升。

　　(2)選擇合理的投切方式

　　無功補償可以通過一定的無功補償裝置來實現，裝置的投切控制方式，可根據其補償容量的大小選擇，對補償容量不大的，可選擇等比的循環投切方式;對補償容量較大的，可通過控制器的軟件對電容器組進行排列組合投切。

　　(3)確定合適的控制目標

　　無功補償通常的控制目標為;功率因數、無功功率、無功電流和電壓。無功補償應根據具體情況，以挖掘配變器的容量為主要目的，所以電壓不應該成為控制目標。以功率因數為檢測量，缺點是輕載時容易產生投切振蕩，重載時補償不充分;以無功功率為檢測量，則檢測量與控制目標量相同，監測精度低。所以應采用以無功電流為檢測量，無功功率為控制目標。

　　(4)有效防治系統諧波

　　由于無功補償裝置為電力電容器，電容器對高次諧波具有強烈的導通作用，所以無功補償過程中將會使電網的諧波干擾變得更加嚴重。另一方面諧波對系統電力設備具有一定的破壞力，造成電力設備技術狀況惡化，過早損壞。而動態無功補償柜的控制系統也容易受諧波干擾，造成控制失靈。因而在有較大諧波干擾，又需要無功補償的地方，應考慮安裝濾波裝置。

　　6.結論

　　綜上所述，城網改造對配電網適時采用無功補償可以減少電能損耗，改善城網供電質量，增加設備利用率，降低網改成本，是一項投資少，收效快，惠及廣大用戶的降損節能好措施。準確計算補償容量，合理選擇無功補償方式，適時進行城市配電網無功補償對城網運營的經濟效益具有重要意義。

　　參考文獻

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