试论无功补偿必要性及补偿技术方案比较

试论无功补偿必要性及补偿技术方案比较

1 无功补偿的必要性

　　“无功”是相对于“有功”而言，人们对“有功”较容易理解，而要深刻认识“无功”却并不是轻而易举之事，无功功率对供电系统和负荷的运行十分重要，电力系统网络元件阻抗呈感性，电感元件中，储存能量W=1/2LI2，当系统电流增大时，电能转化为磁能，形成磁场，电感元件从电源取用能量，当系统电流减小时，磁场能量减小，磁能转化为电能，即向电源返还能量，随交流电周期性地改变，电感元件与电源之间进行能量交换，这种交换的部分功率，称之为“无功功率”，大多数网络元件消耗无功功率，大多数负载也需要消耗无功功率。

　　在工业和生活用电负载中，阻感负载占有很大的比例，如异步电动机、变压器、荧光灯等都是典型的阻感负载。他们必须吸收无攻功率才能正常工作，这是由其本身的性质所决定的。电力电子装置等非线性装置也要消耗无攻功率，特别是各种机控装置，不但消耗大量的无功功率，而且也会产生大量的谐波电流，谐波源也要消耗无功功率。

　　综上所述：阻感负载以及大量的谐波源要正常工作，必须消耗一定的无功功率。它们所需要的无功功率必须从网络中某个地方获得，显然这些如果都要由发电机提供并经过远距离传递是不合理的，通常也是不可能的，合理的方法应是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，这就是所谓的无功补偿。

　　目前我国城市电网的电压质量不高，有相当数量的城网电压没有达到部颁标准，严重影响电器工作的安全。电压质量不高的原因是多方面的，因为电能在生产、传输、分配、消耗的过程中，要产生电压降落△U=（PR+QX）/U，如果感性无功功率很大，故电压降落大，所以末端电压偏低，严重影响电能质量，对社会和居民都将带来经济损失，故进行无功补偿，减少电压降落，提高电能质量。

　　同理电能在传输过程中，要产生有功功率和无功功率的损耗：

　　在电力负荷中，异步电动机和中小容量变压器占有很大比重，它们消耗的无功功率约占全国无功负荷的80～90%，同时架空线路也消耗一定的无功电能。目前全国主要能耗指标与发达国家相比还有一定差距，输电线损率比国际先进电力公司高2%到2.5%，全国电网综合线损率还需要进一步降低。2010年，全国电网综合线损率6.53%，2011年实现6.52%，比“十一五”确定的7%的目标值低0.48个百分点。2012年，国家电网完成售电量32539亿千瓦时，营业收入18855亿元，利润650.7亿元。如果按2012年全国线损率6.62%估算，损失电能2154亿度，按照最便宜的北京市第一档阶梯电价0.48元/度估算，线损的金额为1033.9亿元。 由此可见线损率降低即使是0.1%，也是十亿元人民币的净利润，大量电能白白地消耗在全国各级电网中，不但不能创造财富，而且造成环境污染，故降低线损迫在眉睫，

　　总之，无功电源不足（过剩）和分配不合理是造成电压质量低和能量损耗大的根本原因。

　　2 无功补偿的形式

　　无功补偿的形式有：集中补偿、分散补偿、个别补偿。目前效果最好最经济的补偿方式是个别补偿，即为就地补偿。无功补偿应从低压配电系统向中高压系统逐级进行补偿配置。低压配电系统负荷较集中，负荷设备容量不同，线路短，分支多。对其中设备容量较大的采用就地补偿，容量偏小的采用集中补偿。因此补偿方式一般应采用集中补偿、个别补偿相结合的综合补偿方式最为合理，这不仅可取得较好的节电效果，而且投资合理，方便控制与维修。

　　低压无功补偿的目标实际是无功的就地补偿。通常采用的方法有随机补偿、 随器补偿、 跟踪补偿三种。

　　2.1 随机补偿

　　就是将低压电容器与电动机并接，并通过控制，保护装置与电动机同时投切。随机补偿不需频繁调整补偿容量，投资少，占位小，安置维护简单，事故率低，推荐补偿容量为Q=（0.95—0.98）UI，一般地，电动机年运行小时数大于1000，选用随机补偿较其它补偿方式更经济，线损率可减少20%，用户的投资在1～2年内全部收回，补偿电动机无功负荷效果最佳。

　　2.2 随器补偿

　　就是将低压电容器保险接在配电变压器二次侧，补偿配电变压器空载无功，随器补偿只能补偿配电变压器空载无功功率Q，如果补偿容量大于空载无功功率，就会造成过补偿，因此推荐补偿容量为（0.95—0.98）Q。

　　2.3 跟踪补偿

　　是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补偿在大用户0.4kV母线上。一般地，用户负荷有一定的波动性，故推荐选用自动投切方式。跟踪补偿适用于100kVA以上专用配电变压器。

3 配电网四种补偿技术方案比较

　　3.1 变电站集中补偿

　　要平衡输电网的无功功率，可在变电站进行集中补偿，补偿装置一般连接在变电站的10kV母线上，主要目的是改善输电网的功率因数、提高终端变电所的电压和补偿主变的无功损耗，具有管理容易、维护方便等优点。但是这种方案对配电网的降损起不到什么作用，为了实现变电站的电压控制，通常无功补偿装置（一般是并联电容器组）结合有载调压抽头来调节。通过两者的协调来进行电压/无功控制在国内已经积累了丰富的经验。

　　3.2 随器补偿

　　目前国内较普遍采用的另外一种无功补偿方式是在配电变压器380V侧进行随器补偿，补偿装置通常采用微机控制的低压并联电容器柜，它是根据用户负荷水平的波动投入相应数量的电容器进行跟踪补偿。主要目的是提高专用变压器用户的功率因数，实现无功功率的就地平衡，对配电网和配电变压器的降损有一定作用，也保证该用户的电压水平。这种补偿方式的投资及维护均由变压器用户承担。目前国内各厂家生产的自动补偿装置通常是根据功率因数来进行电容器的自动投切的，也有为了保证用户电压水平而以电压为判据进行控制的。后者对电力系统并不可取，因为线路电压的波动主要由无功量变化引起，而线路的电压水平是由系统情况决定的，当线路电压基准偏高或偏低时，无功的投切量可能与实际需求相差甚远，可能出现无功过补偿或欠补偿。 　　

　　3.3 杆上无功补偿

　　由于配电网中大量的公用变压器没有进行低压补偿，由此造成很大的无功功率缺口需要由变电站或发电厂来填，大量的无功功率沿线传输使得配电网网损仍然居高难下，因此可以采用10kV户外并联电容器安装在架空线路的杆塔上（或另行架杆）进行无功补偿，以提高配电网功率因数，达到降损升压的目的。由于杆上安装的并联电容器远离变电站，容易出现保护不易配置、控制成本高、维护工作量大、受安装环境和空间等客观条件限制等工程问题。

　　3.4 随机补偿

　　目前在我国城镇，低压用户的用电量大幅增长，企业、厂矿和小区等对无功功率需求都很大，直接对用户末端进行无功补偿，将最恰当地降低电网的损耗和维持网络的电压水平。《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及随机补偿。