变电设计中的无功补偿分析

山西龙泓电力工程咨询有限公司济南分公司 石绪东 赵宗营

1 无功补偿的基本概念

无功补偿也称为无功功率补偿。电力系统中存在电压波动较大的现象，有时会引起相当严重的谐波现象。在电力系统中，无功补偿的存在可以增加变电站的功率，减少输电线路的故障概率，从而有效提高能源效率，改善电力能源使用环境。无功补偿是电力系统基础设施中不可或缺的重要设备。变电站运行期间应合理使用无功补偿，从而有效降低线路功率损耗，同时补偿电源中的无功功率，对质量和功率稳定性的增加也起着重要作用。在电力系统工作过程中使用正确的无功功率补偿器，可轻松使电力系统发挥最大效率[1]。

2 进行无功补偿的重要性

异步电动机和变压器是电力系统中广泛使用的设备。对于输电线路来说，大部分都是感性负载，因此需要保证这些部件在运行过程中被提供无功功率。电气设备包括发电机、同步发电机、静电电容器和静电补偿器。

一般情况下，无功功率是在不利用电能的情况下产生的，但在网络中传输无功功率时，电压降和有功功率损耗率是不可避免的。如果电力公司直接供应用户正常用电所需的电力，承载电力的用电设备和输电线路将产生更多的电力，造成更多的能源损失，这是不科学和不经济的。电气设备的设计和安装应使发射器内的功率较低，以最大功率用于传输和传输。如果能正确设置值，就能看到网格的变化。电耦合的目的是降低电压，减少功率损耗，提高电压质量。更换设备时，根据布线、配电、安全和功率平衡等各种因素，为包括操作、电容和电压在内的设备缺陷和形状做好准备。

3 无功补偿的意义

为了保证电阻性负载和各种谐波源的正常运行，必须耗散一定量的无功功率，所需的无功功率必须来自配电网络中的某处。为长距离传输提供无功是没有意义的，这也是根本不可能。一般采用就地补偿，即无功功率从应消耗的地方送出。目前，我国城市用电规划用电质量不高，不能满足大部分城市用电标准，影响公用事业工程安全。负电压不高的原因有很多，当感应无功功率大时，压降大，端电压低。偿还电费会对能源质量产生重大影响，给个人和居民造成经济损失。因此，有必要降低电压，改善电能质量。目前，我国主要能源消耗数据与发达国家仍有差距，输电线路损耗同样如此，比世界能源企业损耗略高，国家电网在线损率上有望进一步降低。换句话说，无功功率不足和功率分配不良导致功率差异和功率损耗[2]。

4 无功补偿原理

无功功率补偿又称无功功率补偿，在供电系统中起着重要作用。一方面可以提高电网的功率，另一方面可以减少电能的损耗。提高变压器和输电线路输出功率，提高能源效率，改善环境等。因此，无功补偿装置在供电系统中占有不可或缺的重要地位。相反，如果补偿电容器选型不当可能引发电容过电压或过电流运行，增加电容器的使用故障率。

无功功率耗散会增加网络负载，并可能导致网络损耗和系统电压下降。并联电容器可以补偿或平衡电气设备的感性无功功率。在当容性无功功率（QC）等于感性无功功率（QL）时,电网只输送有功功率（P）。根据我国规定，高压用户的电压功率因数应高于0.9；低功率用户功率应高于0.85。无功补偿其实就是减少无功功率的传输。所以，需要想办法就近、就地提高无功功率以满足客户和电力设备的需求[3]。无功补偿的工作方式如图1所示。

图1 无功补偿的工作方式

5 无功补偿的分类

更高功率的系统可以使用更多功率设备，改善人们的生活。无功补偿降低变电站电流，增加变电站的输入功率，以保证输出功率的稳定性和可靠性，因此功率补偿设备是变电站的重要组成部分。保证电压稳定还可以提高电力系统的利用率，人们的社会生活更加方便。无功补偿器使用不当会导致输出电压不稳定，不能满足人们对用电的需求，使用电变得危险，对许多生命造成严重的损害，同时也造成安全问题。电源可分为铁芯、有功功率和无功功率。

一是测得的功率主要值是设备中的电压和电流之差。两者的乘积在计算中通常用符号S 表示。在计算过程中，常以电流与电压相乘得到的功率形式表示。电路中电压和电流的乘积是表观能量值。在电气系统中，常用来补偿电气设备所需无功功率的方法之一是使用并联电容器。并联电容器进行无功补偿的作用是提高功率因数，减少线路耗损，改善系统电压质量，增加输变电设备的输电能力[4]。目前，并联电容器进行无功补偿时，其补偿方式主要有集中补偿、分支补偿和就地补偿三种类型。企业进行无功补偿时，可以根据实际负荷情况，选择一种或多种补偿方式进行补偿，从而使企业的利益最大化。

二是有功功率是指电源在一定时间内在交流电路中顺时针方向产生的功率平均变化和波动，有功功率在当前功率能量传输情况分析中，主要值是负载电阻在运行期间耗散的能量和功率。有功功率是指交流电路在一定周期内瞬间产生的功率的平均值，也可以说是负载消耗的功率。这称为有功功率这种能量状态通常用符号P 表示。

三是一般情况下，如果线路有电感或电容，接上电源后将优质电能转化为相关能量，并将其储存起来，应用时可以恢复电磁场和力的正常运作。电网中的许多电力设备很多是根据电磁感应原理工作，他们在能量转换过程中建立交变的磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等。电源能量在通过纯电感或纯电容电路时并没有能量消耗，仅在负荷与电源之间往复交换，在三相之间流动，由于这种交换功率不对外做功，电路不消耗功率，仅是电源能量与磁场能量之间的往复转换。因此产生的功率值称为无功功率，通常用符号Q 表示。。

6 变电站设计中的无功补偿

6.1 安装要求

在变电站设计中采用无功补偿装置，变电站设计中的无功补偿配置补偿装置必须考虑的主要因素是装置系统和电网的稳定性。根据这些因素和安装条件，选择合适的电压大小、无功功率平衡、有功功率分配等[5]。并且需要合理选择无功补偿器的安装位置、接线方式、控制和保护方式，并结合安装地点的地理条件选择合适、正确的安装方式。大多数的变电站无功补偿设备都安装在架空线上，必须配备低压避雷器以防止雷击。另外，其相关技术要求穿过门板的二次电缆用绝缘扎带捆扎，以防止绝缘击穿边缘层。导管内的一、二次电缆穿过金属孔时，必须套上胶套，这些措施可以有效防止线路损坏。常见的变电中的无功补偿装置如图2所示。

图2 变电中的无功补偿装置

6.2 设备运行技术要求

线路无功补偿保护功能过电压保护，电网电压超过1.2倍。在切断外壳额定电压时，总时间不得超过60s。也可以通过参数设置进行低压保护。在进行低压保护后，停电后设备控制开关自动切断，每个电容器组在上电期间断开连接。停电后再次自检，通过更换电容，防止电压突然升高。至于线路短路保护，主要是通过快速熔断器进行自动切断。如果相电压低于其额定值的65%，则认为是相电压故障，控制器将断开输出电路。另外，从谐波保护的角度来看，电压或电流的谐波超过电压或电流的谐波失真水平上限时，控制器指示对每个电容器组进行放电，电容器组的周期性投切由无功补偿控制器实现。即先断开第一个开关，使用平均功率，从而延长变电站的使用寿命。建议保险丝的额定电流与电容器的额定电流相匹配，或高于1.5～2倍，足以满足大多数负载要求。如果线路电压不是四百伏配电网，需要保证电容容量能充分放电，实现线路补偿。

6.3 设计原则

变电站电容器无功补偿器是控制电力线路的重要装置，作为电力系统节能的重要组成部分，其重要性已为人们所认识。如何根据变电站设计规范和国家设计标准合理分配和补偿变电站的无功功率，对变电站设计人员来说是一个挑战。补偿电源安装原则，第一，变电站的无功补偿应根据线路参数、差动负荷率和变压器参数进行理论计算。第二，其原则是防止电力倒流，计算值应大于实际值和实际偿付能力。第三，各电容器组的充电值应根据提供应急条件的主变功率确定，随负载情况或主变功率变化而变化。

6.4 设备散热设计

由于无功补偿是在室外进行的，设备散热设计必须满足设备的散热要求。散热通道可设计在箱体顶部，在设计中性线和控制器地线的连接时，两者必须分开。如果负载不平衡，将出现零电位漂移。如果中性线和地线设计成短路，就会影响电表定量的精度。关于接地要求，接地螺丝的尺寸不能小于12mm。并标有清晰的地面标记，允许地面线超过10mm2。线芯为双胶线，外壳为PVC 套，与接地极相连。接地电阻必须小于10Ω。

6.5 变压器低压侧无功补偿

在对变压器低压侧进行无功补偿时，可考虑以下几点。另一方面，配电网无功回流造成能量损失，不经济，应尽量避免。另一方面，随着能源效率的发展，降低成本的效果降低，从而达到效果。考虑到最好的结果，将功率因数增加到0.95更科学也更有必要。因此，在响应配置中，电容充电应设置为变压器电容的0.125倍。

7 无功补偿的发展前景

随着社会经济的快速发展,电力需求不断增长。电力工业化程度的不断提高，电网建设也将更加完善。无功补偿装置在这背景下，将有迎来更大的发展前景。无功功率补偿最初的方式是无功补偿电容器，此方法简单易懂，而且较为方便。随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛。而大多数电力电子装置的功率因数很低，它们所消耗的无功功率在电力系统所输送的电量中占有很大的比例。

8 结语

随着国家经济的发展和电力的不断发展，其本身已经涉及了各个领域之中，然而当前变电设计中的无功补偿对于电力建设有着关键性的意义。为了提高电能的利用率，就必须选择和利用正确的无功补偿方式，通过有效的无功补偿方式来提高对电能的利用率，优化我国电力资源的调度，加强我国电力资源的优化配置，从而尽可能地缓解我国的用电压力。