探讨10kv配网输电线路无功优化补偿

关钟瑾

摘要：电力系统的无功潮流合理分布的，不仅保证了电力系统为电力用户提供优质的电能，而且还直接确保了电网自身的运行安全性与经济性。但是如果无功电源的容量不足，则系统运行电压就难以保证。同时因为电网容量增加必定会对电网的无功要求提出更高的标准。另外，网络功率因数与电压降低也将使电气设备不能够充分利用，使网络传输能力降低，进而使增加损耗。所以，解决配电网络无功补偿这一问题，对电网安全性与降损节能有非常重要的意义。

关键词：10KV；输电线路；无功补偿

一 无功补偿的基本原理

无功功率：它是交流电网系统的根本特征。当电网提供具有感抗负载的时候，则必须供给两种功率：有功功率与无功功率。其中有功功率是把电能转换其他形式能量，如热能，机械能，光能等；无功功率则是应用在电路内电场和磁场，并在带有感抗的设备中建立及维持磁场。例如，电能转换为机械能时，使电动机中具有一定的旋转磁场来驱动转子转动；传送电能时则是在变压器中建立交变磁场。因此，无功功率有着非常大的作用，只是因为在交变磁场中，一个完整周期中吸收和释放的能量相抵消，结果是能量没有消耗，这种功率称为感性无功功率，然而如果在一个周期内上半周充电与下半周放电的功率相等，则称为容性无功功率。

二. 配电系统的无功补偿方案

合理地选择无功补偿点以及确定补偿容量，能有效维持系统电压水平，提高系统电压的稳定性，从而避免了大量无功远距离传输，降低了有功电网损耗，减少了发电费用。但是长期以来由于我国的配电网无功缺乏，尤其造成的有功电网损耗相当大，所以无功功率补偿是在降损的措施中投资较少且回报高方案。一般配电网的无功补偿方式有：变电站集中补偿方式、配电变低压集中补偿方式、配电线路补偿方式以及用户终端分散补偿方式。

2.1 变电站集中补偿方式

对于输电网的无功平衡，一般变电站进行集中补偿，其装置包括静止补偿器、同步调相机、并联电容器等，目的是改善输电网功率因数、提高终端变电所电压以及补偿主变无功损耗。这些补偿装置是连接在变电站10kV母线上，来补偿负荷的无功功率。所以管理容易、维护方便，然而这种补偿方式不能有效地降低10kV配电网的损耗。

为了实现变电站电压/无功的综合控制，一般采用的是并联电容器组与有载调压抽头协调调节，常用的有效方法是九区图法 [1]。然而大量实践证明实，投切地太频繁就会影响电容器的开关与分接头的使用寿命，并使运行维护工作量增大，所以要在实际应用中限制抽头的调节以及电容器组的操作次数。如果采用电力电子的开关则会增加控制成本且开关自身的功率损耗也较大，所以变电站高压电压/无功控制技术还要进一步的研究和改善。

由于变电站无功补偿可提高高压电网的功率因数并维持变电所母线的电压以及平衡系统无功，因此要根據负荷增长来设计、安排好变电站的无功补偿容量，在保证运行中电压合格与无功补偿最好的效果情况下，要尽可能减少电容器组的投切开关的操作次数。

2.2 配电变低压集中补偿方式

目前应用最普遍补偿方法是配电变集中低压补偿方式。鉴于用户日负荷变化大，要采用微机控制、跟踪负荷波动来分组投切电容器，其总补偿容量在几十到几千不等。主要是为了提高用户功率因数，从而实现无功在线平衡，降低配电网损耗、提高用户电压质量。

此种补偿方式优点是：补偿之后功率因数高、降损效果好。然而由于配电变压器的数量较多、安装地点较分散，所以补偿工程投资大，运行维护的工作量大，因而要求厂家要生产低成本高质量的装置。

电容器与接触器使用寿命较短主要是采用的接触器投切电容器的冲击电流大，可以采用晶闸管投切电容器来解决这一问题，但就会导致装置存晶闸管的功率损耗增大，需要安装散热器和风扇来散热和通风，但是散热器会使装置体积增大，风扇则要影响装置可靠性。

为了解决上述问题，研究人员开发、研制了机电一体开关无功补偿装置[2]，装置结合固定补偿和分组补偿，使装置生产成本降低；装置实现了分相补偿，解决了三相不平衡系统的问题。其中机电的开关控制使装置具有晶闸管开关和接触器无功率损耗的优点。

2.3 配电线路补偿方式

由于很多公用的变压器无低压补偿装置，再加上变压器要消耗很多是的无功功率，导致变电站和发电厂承担很大的无功缺额，大量无功沿线路传输时使配电网损耗居高不下，在这种情况下一般采用配电线路无功补偿，文献[3、4]报道了配电线路的无功补偿必要性及方法。

线路补偿市直通过在线路的杆塔上设置电容器来实现无功补偿。鉴于线路补偿离变电站较远，因而易出现控制成本高、保护难配置、维护工作量大、安装环境苛刻等问题。所以，补偿容量不宜太大，如果太大就会造成配电线路轻载的时候的出现过电压与过补偿现象，另外由于杆上的空间有限，过多电容器若同一个杆塔架设，不仅不安全，还不利于电容器的散热；补偿点也不宜太多，控制方式也应从简，通常不用分组投切控制；接线应简单，最好是每相只设置一台电容器装置，使整套补偿设备的故障率降低；同时保护也要从简，一般采用氧化锌避雷器与熔断器为过电压和过电流保护。

线路补偿主要提供的是线路及公用变压器所需的无功，其工程问题的关键为选择补偿地点及补偿容量，文献[4]报道了补偿地点及容量的实用的优化算法。线路补偿的优点主要有管理和维护方便、投资小、回收快，主要用于负荷重、功率因数低的长线路。

2.4 用户终端分散补偿方式

目前我国城镇的低压用户用电量大幅度增长，小区、厂矿和企业等对无功的需求越来越大，因此最优的降低电网损耗及维持网络电压水平的方案是直接对用户末端进行无功补偿。

《供电系统设计规范》（GB50052-1995）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。因此对于厂矿和企业中电动机宜进行就地无功补偿；对于小区用户终端，由于用户负荷小，地点分散，无人管理，波动大，故应研发一种新型的低压终端无功补偿装置，要具有以下要求：①免维护的智能型控制；②易安装的小体积；③成本低且功能完善。而本补偿方式更能体现以下优点：①线损率可降低20%；②电压损失降低，改善了电压质量及设备的启动和运行条件；③可以释放系统能量，使线路供电能力提高。但是由于用户终端补偿也有一定的缺点，因为一般低压无功补偿要按配电变压器的低压侧的最大无功需求来确定其变压器的安装容量，然而各个配电变压器的低压负荷波动不同时性容易导致大量的电容器在负荷较轻载的时候出现闲置现象，使设备的利用率不能充分利用。

三. 无功补偿存在的问题

由于对配电网建设的重视和以及功补偿技术的迅速发展，低压侧的无功补偿技术逐渐在配电系统中开始普及。虽然经过一段时间的发展，在由有触点补偿到无触点补偿以及由静态补偿到动态补偿等领域都获得了丰富经验，然而在实际的应用中也渐渐暴露出某些问题，必须引起重视。

（1）优化问题。鉴于目前的无功补偿的出发点往往是安装在用户侧，只是单纯地注意补偿用户的功率因数这一指标。但是如果要实现比较有效的降损，必须要由电力系统的角度出发，通过计算出整个网络的无功潮流来确定配电网的补偿方式、补偿地点及最优补偿容量，只有这样才能使有限资金发挥最大的经济效益。无功优化配置的最终目标是在确保配电网电压水平同时还要尽可能地减少损耗。因为它要对补偿后运行费用和相应安装成本要同时达到资金最小化，所以计算过程非常的复杂。

（2）补偿方式问题。现在很多部门的无功补偿的发点还是主要放在用户侧，即只是注意补偿用户的功率因数的问题，而没有立足在降低电网的损上耗。例如为了提高某一个电力负荷功率因数，可以增加1台补偿箱，这虽然可以降低一些损耗，但没有解决实际问题。但是如果要要实现有效降损，就必须通过科学计算无功潮流，来确定各个补偿点的最优补偿方式、补偿量，最大限度的发挥游戏那资金的作用。

（3）测量问题。现今10kV配电网线路上的负荷点一般没有仪表计量，并且工作人员专业技术水平及管理水平良莠不齐，无法保证仪表记录的同时性和准确性，因此对配电网的无功优化计算和潮流计算造成很大的困难。所以要争取带有专用变压器房的用户的支持，让他们能够按照一定的要求进行记录。而且380V的终端用户一般只是安装有功电度表，无法实现功率因数的测量，这也是低压无功补偿不能普及的主要原因所在。

（4）谐波问题。电容器虽然具备一定的谐波能力，但是如果谐波含量过太时就会影响电容器的寿命，甚至导致电容器过早损坏，而且因为电容器对谐波具有放大作用，所以谐波严重的干扰了电力系统。另外，动态无功补偿柜控制环节容易受到谐波干扰，导致控制失灵，因此在具有较大的谐波干扰、需要考虑到补偿无功的方面，同时也应考虑添加一定的滤波装置，但是这一问题往往被忽视，造成某些补偿设备无故地损坏，所以在做进行无功补偿设计的时候必须要考虑谐波治理。

（5）无功倒送问题。电力系统是不允许出现无功倒送的现象，因为它不仅会增加线路与变压器损耗，还会加重线路负担。然而无功补偿的设备生产厂家，虽然都强调了自己的设备不会出现无功倒送，但实际的情况并非如此。只有对于接触器控制补偿柜的补偿量是可以三相同调的，对于晶闸管控制补偿柜，只是做到了三相补偿量分调，但是还有许多厂家为节约资金，只是选择一相采样以及无功分析，所以在三相负荷出现不对称的情况時，就可能导致无功倒送；对于应用固定电容器来进行补偿的用户，在负荷出现低谷时，也可能导致无功倒送。所以在选择补偿方式的时候要考虑到这一点。

（6）电压调节方式无功补偿带来的问题。某些无功补偿设备是根据电压来计算无功投切量，这有利于确保用户电能质量，但是对于电力系统来说却并不可取。虽然由于线路电压波动主要是由无功量的变化引起，但是线路电压水平是根据系统具体情况而定，如果线路电压基准偏低或偏高时，无功投切量可能和实际的需求相差甚远，就会导致无功过补或是欠补。

四. 结论

无功补偿的设备配置要按照“合理布局，全面规划，就地平衡，分级补偿”的原则，应把降低线路的损失和调压相互结合，以降损为主；又要把集中补偿和分散补偿相互结合，以分散补偿为主；同时还要将供电部门补偿和用户补偿相互结合，以就地平衡为主，搞好无功补偿的配置与管理，做好无功优化补偿，从而取得无功补偿最大经济效益。

参考文献

[1]赵登福，司哲，杨靖等，新型变电站电压无功综合控制装置的研制[J]，电网技术，2000；24（6）：14～17

[2]刘连光，林峰，姚宝琪，机电一体开关低压无功补偿装置的开发和应用[J]，电力自动化设备，2003，23（9）：46～48

[3]张勇军，任震，廖美英等，10kV长线路杆上无功优化补偿[J]，中国电力，2000；33（9）：50～52

[4]张勇军，任震，李本河等，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