10kV配电系统谐波治理和无功补偿优化设计

梁子健

【摘要】电力系统的快速发展需要优质的电能质量做保证，电子技术发展的同时，也带来了谐波污染等低功率配电线路问题。因此电力系统要保证电能质量，必须对电力系统中的重要手段----无功补偿和谐波治理进行系统性地研究，制定出有效措施和优化设计，并通过实践付诸实施，研究出更好的策略，以推进电力系统配电网的升级改造。

【关键词】配电系统 谐波治理 无功补偿优化设计

电力系统具备稳定的储备和有功、无功容量，才能维持系统良性运行，在额定电压和频率之间向用户提供电能。随着电力系统不断扩大规模，用电设备的增加给配电侧电能质量带来很多问题，如10KV配电线路由于使用年限过长而导致的线损情况、配套变电站由于从建设到运行后，数量逐渐变少的问题，部分线路的输送距离超出配电线路的最大负荷容量的问题，线路的末端电压增加的问题等。对于10KV配电网电能质量，改善配电网的谐波问题、进行无功补偿设计优化已经成为迫在眉睫的课题。

一、无功补偿的工作原理

阻感性负载是电力系统的重要组成，多见于厂房中的变压器、电抗器、民用设施中的电冰箱、空调等，这些电器设备的等效电路如图所示：

图（a）中，电流iRL 表示流经R-L串联电路的电流；，电流ic表示流经并联电容补偿器的电流。i表示电路的总电流，端口电压为u，从补偿的结果看，电压并联电容补偿功率分为欠补偿和过补偿两类。

过补偿带来的负面效应包括电容器损耗增加、线损，调节好电容器的电容补偿量就能避免补偿现象的发生。

二、无功补偿的方法

就地补偿比较适合低压配电网及设备，通过改善供电功率因数和电压质量来提高用电设备的工作质量。例如将电容器组装在电动机等设备附近，进行补偿装置的方式在配电网中目前是被一致认可并且广泛使用的。

第一，将电容器分开安装在配电木线上，由于其功率因数比较低，可以减少线损，提高终端变电所的供电质量，对低压母线等的补偿是比较有效的。

第二，将电容器组装在六至十KV母线上，以获得较高的功率因数。这种集中补偿能够保持较为平衡的无功功率。该方法可以补偿较大宽度的调节尺度和补偿容量，并且同样可以减少线损和提高功率因数。

第三，在对10KV 配电网进行无功补偿时，首先应该根据电网的实际情况来进行无功补偿方式的选择，要综合考虑无功补偿的特性、技术等。无功补偿装置对重要配电网的无功补偿方式可采用干式自愈型并联电容器，这种无功优化配置的原则，是最大程度地减小无功功率传输，特别是避免远距离传输[1]。

三、谐波的危害

谐波电流对电路的损耗是随着些波频率的高低而变化的，当波频率较高时，就会引发线损的程度加大，给电网和用电设备带来损伤甚至是事故。谐波的分布电容放大，会导致谐波电流加大，还会引发电缆的老化，增加电网的负荷；谐波还会导致电网的电压基波超过正常限值导致电晕损耗。

四、谐波治理对策

受端治理是谐波治理对策之一，常用的治理方法包括：?将谐波源从电网规划设计开始设计为较大容量的供电点或者电网供电。?利用滤波器改变电容器的串联电抗器，或者限定电容器某些支路，放大组织谐波等。?对谐波感应灵敏的设备加强保护，通过增强设备的抗谐波干扰能力改善设备性能，保证谐波环境下设备依然能正常工作。

主动治理是从谐波自身治理入手，在源头上将谐波降低或者阻止其产生。主要治理方法包括：?改变变流装置，增加变流装置的相数或者脉冲数、多脉整流或准多脉整流技术，例如如换流变压器等。?对谐波装置过于集中的地方进行分散或者交替处理，改变谐波源的配置。?将多个变流器进行联合处理，利用多个方波的叠加来消除频率较低的谐波。④利用三次倍数的谐波或者谢波源，将电流增加的矩形波形上，利用谐波的叠加注入降低给定的部分谐波。⑤采用脉宽调制技术来调整较高频率的谐波，使波形接近正弦波。⑥采用高功率因数变流器等，减少谐波的产生，降低变流器功率因数。

被动治理的方法是使用外加滤波器阻碍电力系统的谐波流入负载端，以达到阻碍谐波的产生的目的，主要的治理方法包括：?采用谐波附近的滤波器来吸收谐波电流，同时运用无功功率补偿的方式来进行补充处理。?采用并联或者串联型APF的有源滤波器来达到补偿和隔离谐波的目的。?采用混合型有缘滤波器可以形成低阻抗支路来阻抗分流回路，减小谐波电流流向电网。

五、实例分析

以某电力公司10KV线路为例，该配电网线路长度14公里，主要工业负荷为洗煤厂、石料厂等。该配电线路中导线型号为LGJ-70，没有安装无功补偿装置。该电力公司10KV配电网存在的问题包括：?线路长、负荷重；?线路末端电压低、昼夜变化大；?线损严重，谐波严重，公路因数偏低；④电容损伤严重。在对该10KV侧电压谐波等进行测量后，得出的结论是：侧电压谐波畸变率超过国际标准限值，电压偏差过大，谐波较大。

谐波治理和无功补偿优化设计方案：针对上述问题，有三种备选方案可供选择。一是采用电压器调节电压的方法；二是安装串联电容器调整电压；三是采用滤波器来调增无功电压。对该10KV 配电线路进行实地考察和综合分析后，结合线路上谐波源众多、容量大、谐波叠加情况较重等情况，决定采用滤波补偿装置的方式比较适合。通过滤波装置可以改善线路的电压波动，尤其是针对其昼夜电压变化大的情况，能够有效地取出电网谐波。同时改善电压质量，降低线损，补偿无功，提高线路功率因数。

滤波器装置的保护方式包括速断、过流、过电压保护等[2]。该10KV线路1号安装点设置在距离电源点的14公里处，2号安装点设置在距离电源点8公里处，1号安装点设备投入运行后，补偿的无功电流为114A，提高的电压为0.54KV，2号安装点设备投入运行后，补偿的无功电流为67A，提高的电压为0.2KV.两套设备使得末端电压的总体高数为0.74KV，有效地改善了末端电压较低的问题。

1号安装点在进行无功补偿后功率因数为0.95，每度电大约0.5元，按照线路公里14公里计算，每年节能损耗74万元。2号安装点功率因数在补偿后为0.96，按照线路8公里计算，每度电0.5元，每年节约电能24万元。两套无功补偿装置在节能方面可以节省98万元，大大提高了经济效益。

结语：

10KV 配电网的无功补偿和谐波治理设计及方法有很多，需要根据具体的配电网的情况，在无功补偿原理、方法，谐波问题造成的问题以及处理对策进行详细的测量、研究和讨论方可定论。本文所举10KV配电网线路的无功补偿和谐波处理的优化设计方案的实施和效果，在实际运行后证明了该方案下的无功补偿和谐波治理方案，对于提高该配电网的电能质量、电力系统经济效益方面，都具有很高的应用价值。

【参考文献】

[1]张超.变电站谐波治理及无功补偿的应用[J].城市建设理论研究，2014，（14）.

[2]林新.变电站谐波治理及无功补偿的应用[J].云南电力技术，2013，41（3）：9-11.