1 引言
由于無功補(bǔ)償對電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)運行具有重要作用，因此無功補(bǔ)償是電力部門和用戶共同關(guān)注的問題。合理選擇無功補(bǔ)償方案和補(bǔ)償容量，能有效提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，保證電網(wǎng)的電壓質(zhì)量，提高發(fā)輸電設(shè)備的利用率，降低有功網(wǎng)損和減少發(fā)電費用。
我國配電網(wǎng)的規(guī)模巨大，因此配電網(wǎng)無功補(bǔ)償對降損節(jié)能，改善電壓質(zhì)量意義重大。本文結(jié)合當(dāng)前人們關(guān)注的電網(wǎng)無功補(bǔ)償問題，重點分析、比較了配電網(wǎng)常用無功補(bǔ)償方案特點，并通過對無功補(bǔ)償應(yīng)用技術(shù)的分析，提出了配電網(wǎng)無功補(bǔ)償工程應(yīng)注意問題和相關(guān)建議。
2 配電網(wǎng)無功補(bǔ)償方案比較
配電網(wǎng)無功補(bǔ)償方案有變電站集中補(bǔ)償、配電變低壓補(bǔ)償、配電線路固定補(bǔ)償和用電設(shè)備分散補(bǔ)償。四種方案示意圖見圖1所示。
2.1變電站集中補(bǔ)償
變電站集中補(bǔ)償裝置包括并聯(lián)電容器、同步調(diào)相機(jī)、靜止補(bǔ)償器等，主要目的是平衡輸電網(wǎng)的無功功率，改善輸電網(wǎng)的功率因數(shù)，提高系統(tǒng)終端變電所的母線電壓，補(bǔ)償變電站主變壓器和高壓輸電線路的無功損耗。這些補(bǔ)償裝置一般集中接在變電站10kV母線上，因此具有管理容易、維護(hù)方便等優(yōu)點，但這種補(bǔ)償方案對10kV配電網(wǎng)的降損不起作用。
圖 1 配電網(wǎng)常見無功補(bǔ)償方式示意圖
為實現(xiàn)變電站的電壓/無功綜合控制，通常采用并聯(lián)電容器組和有載調(diào)壓抽頭協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)。協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)控制算法國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行過大量研究，九區(qū)圖法是一種常用的有效方法[1>。但大量的實際應(yīng)用表明，投切過于頻繁會影響電容器開關(guān)和分接頭的使用壽命，增大運行維護(hù)工作量，通常在實際中要限制抽頭調(diào)節(jié)和電容器組操作次數(shù)。采用電力電子開關(guān)控制成本比較高、開關(guān)自身功率損耗也很大，因此變電站高壓電壓/無功控制技術(shù)仍有待進(jìn)一步改善和研究。
鑒于變電站無功補(bǔ)償對提高高壓電網(wǎng)功率因數(shù)，維持變電所母線電壓和平衡系統(tǒng)無功有重要作用，因此應(yīng)根據(jù)負(fù)荷的增長安排、設(shè)計好變電站的無功補(bǔ)償容量，運行中在保證電壓合格和無功補(bǔ)償效果最好的情況下，盡可能使電容器組投切開關(guān)的操作次數(shù)為最少。
2.2 配電變低壓補(bǔ)償
配電變低壓補(bǔ)償是目前應(yīng)用最普遍的補(bǔ)償方法。由于用戶的日負(fù)荷變化大，通常采用微機(jī)控制、跟蹤負(fù)荷波動分組投切電容器補(bǔ)償，總補(bǔ)償容量在幾十至幾百千乏不等。目的是提高專用變用戶功率因數(shù)，實現(xiàn)無功的就地平衡，降低配電網(wǎng)損耗和改善用戶電壓質(zhì)量。
配變低壓無功補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點是補(bǔ)償后功率因數(shù)高、降損節(jié)能效果好。但由于配電變壓器的數(shù)量多、安裝地點分散，因此補(bǔ)償工程的投資較大，運行維護(hù)工作量大，也因此要求廠家要盡可能降低裝置的成本，提高裝置的可靠性。
采用接觸器投切電容器的沖擊電流大，影響電容器和接觸器的使用壽命；用晶閘管投切電容器能解決接觸器投切電容器存在的問題，但明顯缺點是裝置存晶閘管功率損耗，需要安裝風(fēng)扇和散熱器來通風(fēng)與散熱，而散熱器會增大裝置的體積，風(fēng)扇則影響裝置的可靠性。
圖2 機(jī)電一體開關(guān)無功補(bǔ)償裝置接線圖
為解決這些問題，筆者組織開發(fā)、研制了機(jī)電一體開關(guān)無功補(bǔ)償裝置[2>，機(jī)電開關(guān)補(bǔ)償裝置典型接線如圖2所示。裝置采用固定補(bǔ)償與分組補(bǔ)償結(jié)合，以降低裝置的生產(chǎn)成本；裝置能實現(xiàn)分相補(bǔ)償，以滿足三相不平衡系統(tǒng)的需要。機(jī)電開關(guān)控制使裝置既有晶閘管開關(guān)的優(yōu)點，又具有接觸器無功率損耗的優(yōu)點。幾千臺裝置的現(xiàn)場運行、試驗表明，機(jī)電開關(guān)補(bǔ)償裝置體積小、可靠性高，能滿足戶外環(huán)境、長期工作需要。機(jī)電開關(guān)的原理與技術(shù)詳見文獻(xiàn)[2>。
低壓補(bǔ)償裝置安裝地點分散、數(shù)量大，運行維護(hù)是補(bǔ)償工程需要重點考慮的問題；另外，配電系統(tǒng)負(fù)荷情況復(fù)雜，系統(tǒng)可能存在諧波、三相不平衡，以及防止出現(xiàn)過補(bǔ)償?shù)葐栴}，這些工程中應(yīng)注意的問題后面詳細(xì)介紹。
2.3 配電線路固定補(bǔ)償
大量配電變壓器要消耗無功，很多公用變壓器沒有安裝低壓補(bǔ)償裝置，造成的很大無功缺額需要變電站或發(fā)電廠承擔(dān)，大量的無功沿線傳輸使得配電網(wǎng)的網(wǎng)損居高難下，這種情況下可考慮配電線路無功補(bǔ)償，文獻(xiàn)[3>[4>提出了配電線路無功補(bǔ)償?shù)谋匾院头椒ā?/FONT>
線路補(bǔ)償既通過在線路桿塔上安裝電容器實現(xiàn)無功補(bǔ)償。由于線路補(bǔ)償遠(yuǎn)離變電站，因此存在保護(hù)難配置、控制成本高、維護(hù)工作量大、受安裝環(huán)境限制等問題。因此，線路補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償點不宜過多；控制方式應(yīng)從簡，一般不采用分組投切控制；補(bǔ)償容量也不宜過大，避免出現(xiàn)過補(bǔ)償現(xiàn)象；保護(hù)也要從簡，可采用熔斷器和避雷器作為過電流和過電壓保護(hù)。
線路補(bǔ)償主要提供線路和公用變壓器需要的無功，工程問題關(guān)鍵是選擇補(bǔ)償?shù)攸c和補(bǔ)償容量，文獻(xiàn)[4>給出了補(bǔ)償?shù)攸c和容量的實用優(yōu)化算法。線路補(bǔ)償具有投資小、回收快、便于管理和維護(hù)等優(yōu)點，適用于功率因數(shù)低、負(fù)荷重的長線路。線路補(bǔ)償一般采用固定補(bǔ)償，因此存在適應(yīng)能力差，重載情況下補(bǔ)償度不足等問題。自動投切線路補(bǔ)償仍是需研究的課題。
2.4 用電設(shè)備隨機(jī)補(bǔ)償
在10kV以下電網(wǎng)的無功消耗總量中，變壓器消耗占30％左右，低壓用電設(shè)備消耗占65％以上。由此可見，在低壓用電設(shè)備上實施無功補(bǔ)償十分必要。從理論計算和實踐中證明，低壓設(shè)備無功補(bǔ)償?shù)慕?jīng)濟(jì)效果最佳，綜合性能最強(qiáng)，是值得推廣的一種節(jié)能措施。
感應(yīng)電動機(jī)是消耗無功最多的低壓用電設(shè)備，故對于油田抽油機(jī)、礦山提升機(jī)、港口卸船機(jī)等廠礦企業(yè)的較大容量電動機(jī)，應(yīng)該實施就地?zé)o功補(bǔ)償，即隨機(jī)補(bǔ)償。與前三種補(bǔ)償方式相比，隨機(jī)補(bǔ)償更能體現(xiàn)以下優(yōu)點[5>：
1）線損率可減少20%；
2）改善電壓質(zhì)量，減小電壓損失，進(jìn)而改善用電設(shè)備啟動和運行條件；
3）釋放系統(tǒng)能量，提高線路供電能力。
由于隨機(jī)補(bǔ)償?shù)耐顿Y大，確定補(bǔ)償容量需要進(jìn)行計算，以及管理體制、重視不夠和應(yīng)用不方便等原因，目前隨機(jī)補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用情況和效果都不理想。因此，對隨機(jī)補(bǔ)償需加強(qiáng)宣傳力度，增強(qiáng)節(jié)能意識，同時應(yīng)針對不同用電設(shè)備的特點和需要，開發(fā)研制體積小、造價低、易安裝、免維護(hù)的智能型用電設(shè)備無功補(bǔ)償裝置。
根據(jù)以上常用無功補(bǔ)償方案的分析、討論，我們可歸納、整理出四種補(bǔ)償方案的特點和基本性能如表1所示。
表1 四種無功補(bǔ)償方法的特點比較
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補(bǔ)償方式 |
變電站集中補(bǔ)償 |
配電變低壓補(bǔ)償 |
配電線路固定補(bǔ)償 |
用電設(shè)備隨機(jī)補(bǔ)償 |
|
補(bǔ)償對象 |
變電站無功需求 |
配電變無功需求 |
配電線路無功基荷 |
用電設(shè)備無功需求 |
|
降損范圍 |
主變壓器及輸電網(wǎng) |
配電變及輸配電網(wǎng) |
配電線路及輸電網(wǎng) |
整個輸配電系統(tǒng)網(wǎng) |
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調(diào)壓效果 |
較好 |
較好 |
較好 |
最好 |
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單位投資 |
較大 |
較大 |
較小 |
較大 |
|
設(shè)備利用率 |
較高 |
較高 |
很高 |
較低 |
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維護(hù)方便性 |
方便 |
較方便 |
方便 |
不方便 |
3 無功補(bǔ)償?shù)恼{(diào)壓作用分析
鑒于配變無功補(bǔ)償是供電企業(yè)和用戶普遍關(guān)注的工作?，F(xiàn)在開始，本文重點對配變無功補(bǔ)償及工程問題進(jìn)行分析和探討。
3.1 典型實例的計算
圖1為某市臺江變電站10kV母線953線路簡化接線。該線路自變電站端開始一段與956線為同桿雙回線，其中956線較短些，接有18臺配電變壓器；而953線路較長，接有31臺配電變壓器，變壓器總?cè)萘繛?895kVA。
953線路31臺變壓器容量為50~1000kVA大小不等，為計算和分析方便，對實際的31臺變壓器就近進(jìn)行了等值處理。例如，節(jié)點8處是一個較大的用戶，接有3臺1000kVA的變壓器；而節(jié)點3處1695kVA是6臺變壓器的總?cè)萘?，其它?jié)點情況與節(jié)點3相同。
圖1各段線路下數(shù)字為導(dǎo)線公里長度，主干線路導(dǎo)線型號為LGJ—120。根據(jù)圖1各節(jié)點變壓器的總?cè)萘?，假設(shè)變壓器在經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)Kf=0.65（相當(dāng)較大負(fù)荷情況）狀態(tài)下工作，取功率因數(shù)為cosφ=0.85，可計算節(jié)點變壓器和各段線路的有功負(fù)荷；再假設(shè)變電站母線電壓分別為10.5kV和11.4kV，運用負(fù)荷矩法可分別計算不同情況下線路的各節(jié)點電壓。依此方法計算的幾種結(jié)果如表2所示。
表2 不同情況線路節(jié)點電壓的計算結(jié)果
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方案 序號 |
功率 因數(shù) |
線路節(jié)點電壓值（kV） | |||||||
|
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 | ||
|
1 |
0.85 |
10.5 |
10.083 |
9.781 |
9.497 |
9.297 |
9.142 |
9.063 |
9.081 |
|
2 |
0.95 |
10.5 |
10.130 |
9.842 |
9.589 |
9.395 |
9.257 |
9.187 |
9.203 |
|
3 |
0.85 |
11.4 |
10.983 |
10.699 |
10.400 |
10.183 |
10.027 |
9.948 |
9.966 |
|
4 |
0.95 |
11.4 |
11.033 |
10.742 |
10.489 |
10.295 |
10.157 |
10.086 |
10.103 |
3.2 計算結(jié)果分析
表2中變電站母線電壓10.5kV為負(fù)荷高峰期正常逆調(diào)壓的要求電壓；11.4kV是為保證和滿足線路末端用戶（節(jié)點8和節(jié)點9）母線電壓在額定范圍內(nèi)，變電站母線應(yīng)達(dá)到的電壓，也是實際系統(tǒng)中經(jīng)常需要的運行電壓。計算結(jié)果為功率因數(shù)為0.85和0.95兩種情況電壓，目的在于分析配變無功補(bǔ)償對電壓的影響。
按國標(biāo)（GB 12325-90）電能質(zhì)量——供電電壓允許偏差中的規(guī)定：10kV及以下三相供電電壓允許偏差為額定電壓的±7%。因此，從表2計算結(jié)果可以看出：
1）該線路依靠正常的分接頭逆調(diào)壓，功率因數(shù)cosφ=0.85時，節(jié)點6到節(jié)點9電壓超標(biāo)；功率因數(shù)cosφ=0.95時，節(jié)點7到節(jié)點9電壓超標(biāo)。因此，僅靠變壓器分接頭逆調(diào)壓，不能滿足線路末端用戶的電壓質(zhì)量要求。
2）表2中的cosφ值為各節(jié)點變壓器的功率因數(shù)。因此在配變低壓補(bǔ)償無功功率，提高變壓器功率因數(shù)，對該線路電壓有調(diào)節(jié)作用，但只能部分地解決電壓問題；但從調(diào)壓和降損兩方面考慮，無功補(bǔ)償是應(yīng)普遍采用的技術(shù)。
3）變電站電壓提高到11.4kV能滿足末端用戶電壓要求，但變電站母線電壓屬嚴(yán)重超標(biāo)。會造成變電站10kV電容器和部分低壓電容器的保護(hù)超過1.1UN的定值，使無功補(bǔ)償裝置退出運行（實際情況），這將使電網(wǎng)損耗明顯增大。
3.3 原因和解決措施
造成圖1系統(tǒng)電壓問題的主要原因是導(dǎo)線截面小、供電半徑大。例如，在線路4.5km范圍內(nèi)（5節(jié)點之前），電壓不會超標(biāo)。因此，對更換導(dǎo)線或插入新變電站是解決該線路電壓問題的根本措施。但由于街區(qū)位置和條件限制，插入變電站改造需要的投資非常大，因此該線路必須尋求其它的解決辦法。
文獻(xiàn)[6>提出的有載調(diào)壓變壓器是解決該線路電壓問題的有效手段。但配電變的負(fù)荷波動大、變化頻繁，機(jī)械式分接頭難適應(yīng)和滿足電網(wǎng)的調(diào)壓需要。文獻(xiàn)[6>提出的晶閘管串聯(lián)調(diào)壓方法是一個很好的解決思路，希望這種變壓器能盡快得到推廣和應(yīng)用。但該方案需要更換的變壓器數(shù)量多，工程改造投資會很大。
表3 采用TVR調(diào)壓線路節(jié)點電壓的計算結(jié)果
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方案 序號 |
功率 因數(shù) |
線路節(jié)點電壓值（kV） | |||||||
|
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 | ||
|
5 |
0.85 |
10.5 |
10.083 |
9.781 |
9.497 |
9.797 |
9.642 |
9.563 |
9.581 |
|
6 |
0.85 |
10.25 |
9.833 |
9.531 |
9.257 |
9.529 |
9.374 |
9.297 |
9.313 |
|
7 |
0.95 |
10.5 |
10.13 |
9.842 |
9.589 |
9.895 |
9.757 |
9.687 |
9.703 |
|
8 |
0.95 |
10.25 |
9.880 |
9.592 |
9.339 |
9.646 |
9.507 |
9.437 |
9.453 |
在圖1節(jié)點6位置安裝一臺晶閘管電壓調(diào)節(jié)器（TVR）[7>，是解決該線路電壓問題的更有效措施。TVR可使節(jié)電6電壓在方案1和方案2基礎(chǔ)上調(diào)高500V，有TVR調(diào)壓的各節(jié)點電壓計算結(jié)果如表3所示。TVR方案優(yōu)點是一臺設(shè)備解決全線路的電壓問題，經(jīng)濟(jì)性是顯而易見的。
以上實例說明，低壓無功補(bǔ)償具有調(diào)節(jié)、改善10kV電網(wǎng)電壓的作用；但不能解決像圖1這種長線路存在的電壓問題。
（轉(zhuǎn)載）
