浅论电力系统的无功补偿

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　　摘要：分析了电力系统无功补偿的相关问题，包括无功补偿的原则，无功补偿与功率因素的关系，并给出了各电压等级变电站及用户端无功补偿装置配置的方案。
　　
　　关键词：无功补偿功率因数变电站
　　引言
　　无功是电力系统常见的一个名词，无功并非无用之功，它是用来在电路的电感、电容元件中建立变化的电磁场，从而建立电压，传递和转换有功功率，成为电力系统和用电设备正常运转所不可缺少的重要元素之一。无功功率是电压或电动势与无功电流的乘积，无功功率的不足和过剩，都会对电压质量和电能损耗有明显的影响。
　　一、无功补偿
　　
　　1．无功补偿的原则
　　电力系统的无功电源和无功负荷，在高峰和低谷时都应采用分(电压)层和分(供电)区基本平衡的原则进行配置和运行。在实际运行中，一般采用按电压原则或经济原则进行补偿。
　　 (1)按电压原则进行补偿：适用无功补偿容量少，尚不能按经济补偿原则要求的电力系统。按电压原则补偿，将使电网中无功流动量加大和流动距离增加，电网有功损耗也相应提高。
　　 (2)按经济原则进行补偿：在电力系统无功补偿设备充裕，电网运行管理水平较好的情况下，并联无功补偿应按减少电网有功损耗和年费用最小的经济原则进行补偿和配置，即就地分层分区平衡。500kV 与220(110)kV 电网层间，应提高运行功率因数，甚至不交换无功。一个供电局是一个平衡区，35~220kV 变电站均可作为一个平衡单位，以防止地区间、变电站间无功电力大量窜动。对用户则要求最大有功负荷时，功率因数补偿到0.98～1.0。而且要求补偿容量随无功负荷的变化及时调整，不向系统倒送无功。
　　
　　2．补偿方式
　　一般采用集中补偿与分散补偿相结合，以分散补偿为主。
　　(1)分散补偿。在接近负荷端分散补偿、可减少无功功率的输送，从而降低损耗，减少压降，取得较好的经济效果。对负荷集中在末端的配电线路应由用户进行补偿。当负荷沿线路分布时，如装设一组电容器应装在距送电端1/3 线路长度处；如装设两组，可装在线路长度的2/5～4/5 处。如负荷沿线分布时，可通过计算确定使线损最小的装设点。
　　(2)集中补偿。变电站集中补偿无功，以补偿主变压器及前一段线路的无功损耗及部分无功负荷。
　　
　　3．无功补偿配置原则
　　应采取基本上就地平衡、分级补偿和便于调整电压的原则。
　　
　　4．无功补偿要求
　　(1)220kV 变电站容性补偿容量按主变压器容量的10%～25%配置，并满足高峰负荷时高压侧功率因数大于0.95。35～110kV 变电站内安装的电容器应使高峰负荷时的功率因数达到0.95。电容器容量应通过计算，一般取主变压器容量的10%～30%。
　　(2)在10kV 配电站中安装无功补偿设备时，应安装在低压侧母线上，当电容器能分散安装在低压用户的用电设备上时，则不需在配电站中安装无功补偿设备。
　　
　　(3)城市电网中，宜在功率因数低于0.9，配电变压器容量在100kVA 及以上公用配电变压器台加装无功动态补偿柜(采用可控硅无触点自动投切技术)。
　　
　　(4)在供电距离远、功率因数低的10kV 架空线路上可适当安装电容器，平时不投切，其容量一般可按线路上配电变压器总容量的7%～10％计，但应避免低谷负荷时向系统倒送无功。
　　
　　(5)搞好电网规划，应使电网的无功电源和无功负荷平衡，并合理布置，要
　　尽量做到无功分层分区就地平衡，避免无功电力长距离输送和越级传输。
　　
　　(6)既要搞好电力部门集中补偿，也要搞好用户分散补偿。变电站集中补偿
　　主要补偿变压器本身的无功损耗，以减少变压器以前线路上流过的无功电力；而
　　负荷处就地补偿可降低用电设备至电源间所有发输、变、配电设备上的无功损耗。
　　
　　(7)必须明确，装设并联电容器等无功补偿装置降损作用是首要的，而调压
　　是次要的。因电容器的调压能力很有限，而调压主要是靠有载变压器调节来实现
　　的。
　　
　　二、无功补偿与功率因数
　　功率因数是指电力网中通过线路、变压器的视在功率供给有功功率所占百分
　　数。在电力网的运行中，希望功率因数越大越好，如能做到这一点，则通过电力
　　设备的视在功率将大部分用来供给有功功率，以减少无功功率的传输，减少有功
　　功率损耗。适当提高用户的功率因数，可以充分发挥供电设备的生产能力、减少
　　线路损失、改善电压质量。因此，对于目前城市和农村电网来说，若能有效地搞
　　好低压补偿，不但可以减轻上一级电网补偿的压力，改善提高用户功率因数，而
　　且能够有效地降低电能损失，其社会效益及经济效益都是非常显著的。本文列
　　举如下几条主要的影响因素。
　　(1)影响功率因数的主要因素。首先我们知道功率因数的产生主要是因为交流用电设备在其工作过程中，除消耗有功功率外，还需要无功功率。当有功功率P 一定时，如减少无功功率Q，则功率因数便能够提高。在极端情况下，当Q 为零时，则其功率因数为1。因此，提高功率因数问题的实质就是减少用电设备的无功功率需要量。
　　(2)供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响。当供电电压高于额定值的10%时，由于磁路饱和的影响，尢功功率将增长得很快。当供电电压低于额定值时，无功功率也相应减少而使它们的功率因数有所提高。但供电电压降低会影响电气设备的正常工作。所以，应当采取措施使电力系统的供电电压尽可能保持稳定。
　　(3)异步电动机和电力变压器是耗用无功功率的主要设备。要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率。变压器消耗无功的主要成分是它的空载无功功率，它和负载率的大小无关。因而，为了改善电力系统和企业的功率因数，变压器不应空载运行或长期处于低负载运行状态。
　　(4)电网频率的波动也会对异步电机和变压器消耗的无功功率造成一定的影响。
　　
　　(5)用户无功补偿。目前对用户功率因数标准值要求低，以0.8～0.9 功率因数标准来计算，每万千瓦用电负荷，电网将供给用户1.3～2.1 万kvar 无功。这就使得本应补偿变压器无功损失的电容器出力、甚至发电厂的无功也要向用户输送，形成了长距离、大功率的无功潮流，这是线路损失高、电压降大、电压波动大的根本原因。另外，目前对用户无功功率考核的方法欠科学，按用户每月实用有功电量和无功电量计算月平均功率因数，高于或低于规定标准时，在按照规定的电价计算出当月电费后，再按照“功率因数调整电费表"所规定的百分数增减电费。这种被称为“平均功率因数电量法”的方法。平均功率因数不能动态反映用户高峰时使用无功的性质，因为用户完全可能与电网的需要相反使用无功，而平均率因数也会很好，所以这种方法既不科学也不合理。
　　近几年，电网负荷增长很快，不少电网在夏季高温天气下出现了年最大负荷，
　　线路和变压器的无功损失增加较多，加上空调负荷功率因数低，在投入了用户和
　　变电站的全部电容器后，仍有不少线路或变压器仍处于重载或过载运行。计算和
　　调查结果显示，只有在用户不从电网中取用无功时，110～500kV 各级变电站的
　　电容器才能真正补偿变压器的无功损失，无功才能做到就地和分层平衡，实现降
　　低线损和提高电压质量。
　　就地平衡是无功平衡的基本原则。分层平衡是无功就地平衡在处理10～500kV 电网层次间通过变压器的无功流动问题时的具体运用。因为在交流电网中输电线路尤其是变压器的电抗远大于电阻，减少无功流动可以降低电网首、末两端的电压差和日电压波动率。35～110kV 电网直接向用户供电，用户无功补偿容量不足部分由110kV 变电站进行补充，它符合就地补偿原则，能降低线路损失和提高电压质量，因此，110kV 变电站应多装电容器。区域电网远离用户，不承担向用户输送无功的任务，220kV 及以上电压等级变电站可少装电容器。无功补偿的基本原则为就地平衡，它在电网中的配置是分层平衡，变电站装什么补偿装置，是容性还是感性，装多少容量都应该经过电网无功优化配置计算来确定。综上所述，我们知道了影响电力系统功率因数的一些主要因素，因此，我们就可以大量采用能够使电力网功率因数提高的一些技术措施，使电网能够实现无功的就地平衡，达到降损的效果。

　　
　　三、变电站无功补偿
　　1．35～110kV 变电站
　　容性无功补偿装置以补偿主变压器无功损耗为主，并适当兼顾负荷侧的无功
　　补偿。容性无功补偿装置的容量可根据主变压器容量来确定，可按主变压器容量
　　的10%～30%配置，并满足35～110kV 主变压器最大负荷时，其高压侧功率因数
　　不低于0.95 的要求。当主变压器单台容量为40MVA 及以上时，每台主变压器应
　　配置不少于两组的容性无功补偿装置。
　　110kV 变电站无功补偿装置的单组容量不宜大于6MVar。35kV 变电站无功
　　补偿装置的单组容量不宜大于3MVar，单组容量的选择还应考虑变电站负荷较小
　　时无功补偿的需要。
　　
　　2．220kV 变电站容性无功补偿装置
　　以补偿主变压器无功损耗为主，并适当补偿部分线路的无功损耗。容性无功
　　补偿装置的容量可根据主变压器容量来确定，可按主变压器容量的10%～25%配
　　置，并满足220kV 主变压器最大负荷时，其高压侧功率因数不低于0.95。当220kV
　　变电站无功补偿装置所接入的母线有直配负荷时，容性无功补偿装置的容量可按
　　上限配置；当无功补偿装置所接入的母线无直配负荷时或主变压器各侧出线以电
　　缆为主时，容性无功补偿装置的容量可按下限配置。
　　220kV 变电站无功补偿装置分组容量的选择，应根据计算确定。一般情况下
　　无功补偿装置的单组容量；接于66kV 电压等级时不宜大于20MVar，接于35kV
　　电压等级时不宜大于12MVar，接于10kV 电压等级时不宜大于8MVar。
　　
　　3．500(330)kV 变电站
　　500(330)kV 电压等级变电站容性无功补偿的主要作用是补偿主变压器无功
　　损耗以及输电线路输送容量较大时电网的无功缺额。容性无功补偿装置容量应按
　　照主变压器容量的10％～20％配置，或经过计算后确定。
　　四、变电站补偿设备容量应满足的条件
　　1．变电站主变压器功率因数要求
　　在高峰负荷时，其主变压器功率因数应达到一定数值(如220kV 变压器的功
　　率因数达到0.95～1.35，110kV 变压器达到0.9～1.0)。
　　2．电力用户的功率因数应达到下列规定
　　(1)高压供电的工业用户和高压供电装有带负荷调压装置的电力用户，功率
　　因数为0.95 以上。
　　(2)其他100kVA(kW)及以上10kV 供电电力用户，功率因数为0.95 以上。
　　(3)其他电力用户，其功率因数宜达到0.90 以上。
　　五、 结束语
　　无功补偿对提高功率因数、改善电压质量、降损节能、提高供电设备的出力都有很好的作用。只要依靠科技进步，加大资金投入，优化无功补偿配置，实现无功的动态平衡是完全可能的。

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