配电网无功补偿解决方案

配电网的无功优化补偿的重要性一、无功补偿的意义当电网传输功率时，电流将在线路、变压器阻抗上产生电压损耗△U。无功功率的变化，将引起电压降的变动，通过安装无功补偿设备，就地平衡无功功率，限制无功功率在电网中传输，相应地减少了线路的电压损耗，提高了电网的电压质量。过去无功负荷主要在工业企业，所以只对大型工业企业在实行两部制电价的同时，实施功率因数奖惩办法，而对其他用户都没有功率因数考核。对工业企业的功率因数奖励办法长期以来没有修改，缺乏研究分析。工业用户对无功就地补偿缺乏积极性，致使功率因数偏低，发电、输电和配电设施不能获得充分利用，线路损失增加。居民生活和楼宇用电在五、六十年代仅仅是指照明用电，而且照明灯具基本上都是白炽灯，功率因数接近1。由于居民生活和楼宇的用电量很小，可以不考虑功率因数奖惩。但自改革开放以来，在照明用电上推广荧光灯和节能灯，这些灯具的自然功率因数仅0.6左右；特别严重的是家用电器迅速普及，绝大多数家用电器的功率因数一般在0.7左右；只有电热水器属于电阻负荷，功率因数比较高。节能灯虽然可以节约有功电力和电量，但节能灯消耗了大量无功电力和无功电量，在推广节能灯时，只讲节约有功，不讲多消耗无功，不采取补偿措施是不妥当的。由于居民生活和楼宇用电中大量使用家用器，用电量的比重急剧增长，仅居民生活用电占总用电量的比重已经达到12%，如果包括商业、宾馆、写字楼等楼宇用电，估计用电比重可达30%左右。这么大的用电量的功率因数严重偏低，对电力部门的经济发供电的影响是很大的。我国目前农村居民的家用电器的普及率还不高，随着农村电气化水平的提高，居民生活和楼宇的用电量还会有很大提高。世界上工业发达国家居民生活用电的比重可达30%—40%，加上楼宇用电可以超过50%，我国也必将朝着这个方向发展。居民生活用电的无功问题同样是供电企业的重要任务。无功功率补偿的基本原理是：把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，当容性负荷释放能量时，感性负荷吸收能量；而感性负荷释放能量时，容性负荷却在吸收能量，能量在两种负荷之间互相交换。这样，感性负荷所吸收的无功功率可由容性负荷输出的无功功率中得到补偿。无功补偿的主要作用有以下几点：（1）补偿无功功率，提高功率因数。系统中大部分为感性负载，为使其正常运行，必须供应它们建立磁场所需的能量，这就出现了电源与负载之间的能量交换，表现为电源要向负载供应无功功率，如对感性负载并联容性设备，让它们之间就地进行一部分能量交换，便能减少电源与负载之间的能量交换，即减少电源供应的无功功率，从而提高了功率因数。（2）提高设备出力由于有功功率P=Scosφ，当设备的视在功率S一定时，如果功率因数cosφ提高，上式中的P也随之增大，电气设备的有功出力也就提高了。（3）降低功率损耗和电能损失在三相交流电路中，功率损耗ΔP的计算公式如下：222)(cos3URPp由上式可见，当功率因数提高后，将使功率损失大大下降，因而降低了线路和变压器的电能损失。（4）改善电压质量在线路中电压损失ΔU的计算式如下：UQXPRul由上式可见，当线路中的无功功率Q减少以后，电压损失△U也就减少了。二、配电网无功补偿的现状配电网建设在20世纪60～90年代较多，广泛采用大树干、多分支、单项辐射型供电方式。这些电力线路的运行特点是：供电半径长，负荷率低，无功消耗多，功率因数低，线路的损失高，末端电压质量差。在经过近几年大规模的建设和改造，电网的健康水平有了明显提高的同时，也安装了一些的无功补偿装置。这些装置大都采用自动投切，但往往由于电容器配置不合理，电容器分组少，单台容量太大，经常是投一级达不到要求的功率因数，再投一级又会因超过功率因数定值而投不上，达不到提高功率因数的目的。目前，无功补偿均以变电所高压集中补偿和10kV线路补偿为主，固定补偿居多数，虽然功率因数得以改善，但降损节能效果并不明显，重功率因数，轻线损的问题比较突出，两者应当兼顾。因此，应以降低线损为中心目标，根据电网特点调整无功的补偿结构，提高电网的无功经济当量和经济运行水平。电网的无功负荷中线路无功负荷所占比例较小，而配变的无功负荷和用电设备的无功负荷为电网无功负荷的主要组成部分。其中配变的无功负荷基本固定，属于电网无功负荷中的基荷(基本负荷)，用电设备的无功负荷属于电网无功负荷中的峰荷(高峰负荷)。而随着电网节能系列配变的应用，配变的无功负荷所占比重将日益减少，今后电网无功负荷的重点将主要放在低压侧用电设备上，无功补偿的重点亦是。无功补偿的目的是提高电网运行经济性，降低电网的电能损耗，提高供电质量。降低电网的电能损耗要从电网建设和运行管理两方面着手。（1）加强电网结构增加线路回路或增设变压器，采用高效节能变压器。对于由于导线截面小导致电压损耗和线路损耗大的线路，在不能升压的情况下，可以更换截面较大的导线，或加装复导线来增大线路的输送容量，同时达到降低线损的目的。有时还可以架设第二回线路，或对一部分电网进行改造。这种方法是全国电网改造中常采取的措施之一。（2）装设无功补偿设备加装无功补偿设备，在负荷的有功功率保持不变的条件下，提高负荷的功率因数，减少线路和变压器的损耗。（3）提高电网的电压等级如把6kV的电网升压为10kV，把35kV的电网升压为110kV等。这种方法对降低电能损耗比较明显，但投资也明显增加。采用该方法时，应当通过技术经济比较。（4）提高电网运行电压水平在无功功率充足的地方，加装可以升高电网运行电压水平的设备，如调压变压器。因为电力网运行时，线路和变压器等电气设备的绝缘所允许的最高工作电压，一般允许不超过额定电压的10%。电网运行时，应尽量提高运行电压水平，以降低功率损耗。但必须注意，在系统中无功功率供应紧张时，用调整变压器分接头来提高电力网电压的办法，将使负荷的无功功率损耗增加。（5）改变电网的接线方式及时改进线路的迂回、倒送、防止卡脖子等，以最有利的接线方式参加运行。在有条件的地方，可将开式网改为闭式网，在辐射形电力网中，按有功功率损耗最少条件求得的各点把网络分割。（6）变压器的经济运行为了提高供电的可靠性和适应负荷的需要，通常在新建的变电所内安装两台或以上同容量同型号的变压器并联运行。当一台发生故障或检修时，另一台或其余的变压器保持供电。在轻载时，如并联运行的变压器台数不变，则绕组中电阻损耗很小，但铁芯损耗所占比例较大。这时在不使部分变压器过负荷的情况下，可以切除一部分变压器，减少变压器的总损耗。（7）合理安排运行维护与检修例如，在检修期间应尽量减少停电的输电线路条数，如采用线路的分相检修、带电检修、快速检修等，既提高了供电的可靠性，也提高了电网运行的经济性。定期清扫线路、变压器、断路器等的绝缘子和绝缘套管，减少由于带电设备绝缘不良的漏电损耗。电网的经济运行是一项综合的技术管理工作，必须加强领导，调动各方面积极性。无功补偿是电网经济运行、节能降耗的重要措施。三、无功补偿的经济效益1.无功补偿经济当量无功补偿经济当量指投入单位无功补偿容量时有功功率损耗的减少值。线路的有功功率损耗值如下式：322232232L10RUQP10RS10RIPU232232U10RQU10RP=LQLPPP式中：PL—线路有功功率损耗，kW；P—线路传输的有功功率，kW；Q—线路传输的无功功率，kVarU—线路电压，kV；R—线路电阻，；S—线路的视在功率，kVA；PLP—线路传输有功功率产生的损耗，kW；PLQ—线路传输无功功率产生的损耗，kW。装设并联电容器无功补偿装置后，使传输的无功功率减少Qb时，则有功功率损耗为：232b232U10R)Q(QU10RPPL因此减少的有功功率损耗为：232bbLLLU10R)QQQ(2PPP=23bbU10R)QQ(2Q按无功补偿经济当量的定义，则23b23bLbU10RQU10QR2QPc=)QQ(2QP)QQ(2QU10RQbLQb232=)QQ(2cby式中：QPcLQy为单位无功功率通过线路电阻引起的有功损耗值；2．改善电压质量没有无功补偿装置时，线路电压降（简化计算）为U1：UQXPRU1式中：P、Q分别为负荷有功和无功功率；R、X分别为线路等值电阻和电抗；U为线路额定电压。安装无功补偿装置Qc后，线路电压降为U2：UX)Q-(QPRUc2显然U2U1，一般情况下，因XR，QXPR，因此安装无功补偿装置Qc后，引起母线的稳态电压升高为：U=U1－U2=UxQc若补偿装置连接处母线三相短路容量为SK，则K2SUX，代入上式得：U=KCSQU或KCSQUU式中：U—投入并联电容器装置的电压升高值，kV；U—并联电容器装置未投入时的母线电压，kV；Qc—并联电容器装置容量，MVar；SK—并联电容器装置连接处母线三相短路容量，MVA。由上式可见，Qc愈大，SK愈小，U愈大，即升压效果越显著，而与负荷的有功功率，无功功率关系不大。因此越接近线路末端，系统短路容量SK愈小的场合，安装并联电容器装置的效果愈显著。统计资料表明，用电电压升高1%，可平均增产0.5%；电网电压升高1%，可使送变电设备容量增加1.5%，降低线损2%；发电机电压升高1%，可挖掘电源输出1%。3．降低线损线损是电网经济运行的一项重要指标。线损与通过线路总电流的平方成正比，设送电线路输送的有功功率P为定值，功率因数为cos1时，流过线路的总电流为I1，线路电压为U，等值电阻为R，则此时线损为：R)U3cosP3(RI3P21211L=RcosUP1222装设并联电容器装置后，功率因数提高为cos2，则线损为：R)U3cosP3(RI3P22222L=RcosUP2222线损降低值为：)cos1cos1R(UPPPP2212222L1LL设KP=)cos1cos1(2212。KP称为线损降低功率系数或节能功率系数，则上式为：P22LKRUPP线损降低的比例为：12P122P221LLcosKcosRP1KRUPPP122212cos)cos1cos1(功率因数降低与功率损耗增加的百分数之间的关系如表1。表1功率因数从1降低到左列数值0.950.90.850.80.750.70.65电网元件中有功损耗增加百分数△%1123385678104136功率因数提高对降低有功功率损耗的影响见表2。表2功率因数由右列数值提高到0.60.650.70.750.80.850.90.950.960.970.980.991可变有功功率损耗降低的百分数102029384628199.77.8642由上式及表1、表2可见，补偿后功率因数cos2越高，线损降低功率系数越大，节能效果愈好，补偿容量越大，对减小有功损耗的作用变小，这说明并非补偿容量越大越经济。补偿容量到底投入多少，功率因数到底提高到什么程度最有利，需通过技术经济比较来确定。功率因数由右列数值提高到0.850.90.910.920.930.940.950.960.970.980.991可变有功功率损耗降低的百分数27.71917.115.313.511.69.77.86424．释放发供电设备容量安装并联电容器装置后，若有功功率P1不变，功率因数由cos1提高到cos2，相应的视在功率由S1减小到S2，即释放容量21SSS，因此可减少系统输变电设备容量，或者提高系统的输送能力，节约建设投资。2121cosPcosPSSS=)2cos11cos1P(=)cos1cos1(cosS2111=)coscos1(S211输变电设备容量减小的百分数为：%100SS1)coscos1(21=%100coscoscos212每千乏无功补偿容量可释放的输变电设备容量为：)tgP(tg)cos1cos1P(QS2121c