10kV配电无功补偿技术与经济效益探讨

国网浙江省电力有限公司乐清市供电公司 王海林

随着国民经济发展水平的提升，居民生产生活对电能供应质量提出更高要求。无功功率与有功功率均是输配电网中的重要组成部分，而无功功率更是保证整个电力系统正常运行的基础与前提。对于10kV配电线路来说，运行期间功率因数降低会导致能耗增加、供电质量下降的问题，因此应及时通过无功补偿技术实现无功就地平衡，进而减少线路长距离运输中的电能损耗，为电力系统运行提质增效提供保障。

1 10kV配电网中无功补偿的技术原理与应用价值

1.1 技术原理

一般来说，配电线路输出功率主要由有功功率和无功功率组成，其中有功功率是指设备正常运行中直接耗损的部分电能，可实现对热能、光能、机械能的转化；而无功功率是将电能转化为另一种形式的能，为电气设备作功提供条件。在纯电阻性负载状态下，交流电电能实现向热能的转化，因不做功而产生无功功率；而在实际负载中往往是混合性负载，使得电流通过时存在部分不做功电能，为提高电能利用率，需要针对这部分无功功率无功补偿。无功补偿技术的主要功能是稳定配电系统功率因数在正常范围内，从而尽可能减少变压设备以及输电线路的电能损耗，提高配电系统运行质量[1]。

就实际情况来看，只有采用合理有效的无功补偿技术才能降低电能耗损、保障供配电质量；反之则会引发电压波动、谐波增大等问题。而且，无功功率平衡、无功电源分布及传输等都会对电力系统损耗及其经济性造成影响。

1.2 应用价值

无功补偿技术是10kV配电系统无功功率失衡维护的主要技术手段，在配电网出现电压异常情况时，可及时修复，有效减少电力运行自然线损，保证供电稳定性。当前，还应针对10kV配电无功补偿工作展开进一步完善，同时明确其应用价值。

一是提高电能使用效率。10kV配电网运行期间，电力输送线路会受到环境因素影响，电力热能转换受限，在无功补偿技术作用下可有效降低电流通行运行数值，实现电容器整合，起到减少电力运行损耗、提高电力运行效率的作用。

二是减少电力线路损耗。线路有功功率损耗计算公式可表示为：Px=R（P2+Q2）/U，式中Px表示的是线路有功功率损耗；R表示的是线路电阻，单位Ω；P表示的是线路输送有功功率，单位kW；Q表示的是线路输送无功功率，单位kW；U表示的是线路额定电压，单位kV。可以看出，减少无功功率输送可有效降低功率损耗。

三是提高电网输送能力。视在功率和有功功率的关系式为：P=Scosφ，式中可以看出，在视在功率一定的条件下，功率因数会随着输送有功增加而增大。

四是减少电压损失。用电过程中受到电流或电压不稳定影响会导致用电成本增加，同时造成潜在的用电危险。采用10kV配电系统无功补偿技术后，实现电容器并联并减少无功功率，根本上减少了电压损失，节约用电成本。而且还可以通过电压功率调频优化电力系统，提升供电稳定性[2]。

2 10kV配电无功补偿的设置原则

在对10kV配电线路设置无功补偿时，应对补偿为止、补偿容量以及补偿点数量进行确定。本文以某10kV配电线路为例，对10kV配电无功补偿的设置原则加以分析。

2.1 补偿位置的确定

安装无功补偿装置时应遵循无功就地平衡原则，最大限度上减少主干线电流传输。10kV线路电容器组安装位置的计算公式可表示为：Li=2i×（2n+1）L，式中：L表示线路长度；n表示电容器组数；Li表示第i组电容器安装位置与线路首端的距离，i=1,2,…,n。

2.2 补偿容量的确定

确定10kV配电线路电容器组容量应遵循尽可能降低线损的原则，通常来说，配电线路中有n补偿点，那么第i个补偿电力电容器补偿容量计算公式可表示为：Qi=2iQ×（2n+1），式中：Q表示线路首端总无功功率；n表示电容器组数；Qi表示第组电容器安装位置与线路首端的距离，i=1,2,…,n。

2.3 补偿点数量的确定

对于10kV配电线路来说，第i个补偿点网损降低率计算公式可表示为：η=[1-1×（2i+1）2]×100%，结合本式来看，在10kV线路中网损降低率会随着补偿点数量增加而变大，同时补偿效益也在逐渐提高。当补偿点数量到达4时，网损降低率增加幅度开始趋于平缓，因此10kV配电线路补偿点一般不超过4个。结合当前的电力工程实践情况来看，10kV线路补偿电容器装置一般安装于户外电杆也不设置自动投切装置，因此采取的是固定补偿模式，通过线路流动最小无功负荷完成电容器容量补偿，规避无功倒送情况的出现[3]。在此期间，应进行最小无功负荷值测算，进而得出线路明确的无功补偿容量。根据上述内容，可得出10kV配电线路无功补偿装置、补偿容量及补偿点数量的关系，具体关系见表1。

表1 10kV配电线路无功补偿位置、补偿容量及补偿点数量的关系

表中L表示的是线路总长度，Q表示的是线路最小负荷无功功率。根据表1数据来看，10kV配电线路上电容器数量越多，网损下降越显著，因此对线路运行造成更大影响，需要增加维护投入；而随着电容器组数的增加，单位补偿容量对应的网损降低率呈减少趋势，因此对于一般的10kV配电线路来说，电容器可安装1～2组。

综合来看，10kV配电无功补偿的设置原则集中在以下几方面：一是对于负荷较重的10kV配电线路来说，可在距支线首端2/3处安装电容器，确保补偿容量为无功负荷平均值的2/3；二是还可在干线距首端2/3处安装电容器，补偿容量为整体线路剩余无功负荷的2/3；三是在对10kV配电线路实施无功补偿技术时，应以负荷较重及长度较长的线路为重点，若干线长度在10km以上可对其配电线路进行补偿；而对于铁损≥70%的线路则不宜安装电容器，避免增加线损[4]。

3 10kV配电无功补偿的计算优化

10kV配电线路运行期间，受到结构复杂、功率因素低、负荷分布不均等因素的影响，造成较大的线路损耗，为保证供配电质量，减少不必要的经济投入，需要对无功补偿技术进行计算优化。

3.1 补偿前线路功率因数

补偿前线路功率因数计算应根据代表性月份实际情况，根据10kV配电线路有功电量和无功电量得出各个线路的功率因数，其计算公式可表示为：，式中：λ1表示线路补偿前线路功率因数；AY表示线路有功电量，单位kWh；AW表示线路无功电量，单位kWh。

3.2 最小、最大有功功率

通常情况下，变电站10kV出线不会配置功率表，因此可根据最小电流、最大电流、母线电压以及功率因数进行线路最小、最大有功功率计算，公式表示为：、，式中：Px及Pd分别表示线路最小和最大有功功率，单位kW；Ix及Id表示线路最小、最大电流，单位A；U表示10kV母线电压，单位kV；cosφ1表示线路补偿前功率因数。

3.3 线路补偿容量

线路最小补偿容量。须根据最小负荷以及补偿前后功率因数进行计算，将其作为定补，避免10kV线路运行至最低负荷时存在补偿倒送情况而导致线损升高，其公式可表示为：，式中：Qx表示线路最小补偿容量，单位kVar；cosφ1及cosφ2表示线路补偿前后功率因数；线路最大补偿容量。需根据最大负荷以及补偿前后功率因数进行计算，其公式可表示为：，式中：Qd表示线路最大补偿容量，单位kVar；cosφ1及cosφ2表示线路补偿前后功率因数。

4 10kV配电无功补偿的经济效益分析

4.1 提高设备供电能力

在满足有功负荷相同条件时，通过无功补偿技术可以起到降低变压器在功率的作用，根据视在功率与有功功率关系式P=Scosφ得出，在实施无功补偿技术后，可实现cosφ1向cosφ2的转变，进而得出：ΔS=S1-S2=P（1/cosφ1-cosφ2）。在满足功率相同条件时，通过无功补偿技术可以起到提高变压器有功输出的作用，在落实无功补偿技术后，P1、P2为补偿前后的有功功率，进而得出：P1=S×cosφ1、P2=S×cosφ2，由于cosφ2≥cosφ1，供电设备在相同容量状态下就可以输出更多有功功率。

与此同时，在变压器额定条件下，变压器有功输送能力会随着功率因数降低而降低，因此除了要考虑负载有功功率以外还要更多关注到功率因数，避免出现变压器超载的情况。随着无功补偿技术的应用，可以显著起到增加有功功率、减少无功功率的作用，电力系统无功负荷也会随着无功补偿而降低，保证供电设备可以达到额定出力要求。

4.2 降低线路电力损耗

实施无功补偿技术后，电力系统网络损耗减少值可以表示为：ΔP=ΔP1-ΔP2=3（I21-I22）R，式中：ΔP1、ΔP2表示补偿前后的线路损耗；I1、I2表示补偿前后通过电力线路的电流；R表示电力电路电阻。相较于补偿前，补偿后有功损耗减少值可表示为：θ=（ΔP/ΔP1）×100%。根据上述分析可以得出，受到无功补偿技术的影响，通过电力线路电流会一定程度上减少，电力系统网络损耗也会降低，为便于计算，视为U2≈U1，得出：η=（1-cosφ1/cosφ2）×100%。

根据上式得出，例如功率因数为0.7，经过无功补偿后提升至0.95，那么电力线路有功功率损耗相较于补偿前可减少46.8%，电力线路电压损失可减少27.2%。结合电力设计规程来看，应保证电力线路电压损耗在5%以内，进而可以得出线路允许电压损失最大值为5%×（1+27.2%）=6.4%，即线路有功损耗会在6.4%以内。由此可见，在无功功率补偿技术作用下，电力线路损耗将明显减少，节能效果显著提升，而且随着功率因数提高，线路减少的损耗通常会在线路运行总功率的2.9%以内。

4.3 减少用户电费支出

无功补偿技术的应用还可直接减少用户电费支出，达到降低生产成本的目的。针对10kV配电线路进行无功补偿后，一方面可以提高功率因数，用户可以根据功率因数调整而获得供电部门奖励；另一方面，在提高功率因数后，电网传输因无功功率造成的有功损耗显著降低，进而减少电费支出，给用户带来直接的经济效益。

综上所述，无功补偿技术是10kV配电线路运行过程中重要的补偿方式，在优化补偿效果、提高设备利用率等方面具有明显优势。本项目运行期间，充分发挥无功补偿技术成效，在安装无功补偿装置期间应对补偿位置、补偿容量以及补偿点数量加以确定，并对具体的技术应用进行计算优化。结合本项目实施情况来看，该技术在提高设备供电能力、降低线路电力损耗、减少用户电费支出等方面也起到明显作用，因此具有较强的经济性、安全性与合理性。