低压电网中无功补偿技术的探讨

# 技术文库 2013-05-21 16:07 来源：中国电力电子产业网

　　0前言

　　各工业企业用电系统功率因数的高低, 直接影响整个电网的供电质量和发电系统的电能利用率。过低的功率因数,不仅使电力系统内的供电设备容量得不到充分利用,增加电力电网中输电线路上的电能损耗,还会使线路的电压损失增大,有时使得负荷端的电压低于允许值, 严重影响异步电动机及其它用电设备的正常运行, 甚至损坏。电力系统功率因数的高低,已经成为电力系统的一项重要经济指标。因此, 要求电力系统的各级都要根据分级就地平衡的原则,采取措施补偿无功功率,提高功率因数。

　　为了降低无功功率提高功率因数,一般从2方面采取措施:一是提高自然功率因数;二是采用供应无功功率的设备来补偿用电设备所需的无功功率,以提高其功率因数,称为提高功率因数补偿法。补偿方法通常有3种: ( 1)采用同步电机补偿; ( 2)采用同步调相机; (3)采用移相电容器补偿。由于移相电容器是一种投资省、见效快、维护方便的无功电源,低压电网常常选用移相电容器来提高功率因数。它包括固定电容器( FC)补偿和自动投切电容器的动态补偿以及两者混合补偿等方式。

　　1影响功率因数的主要因素

　　功率因数的产生主要是因为交流用电设备在其工作过程中,除消耗有功功率外, 还需要无功功率。当有功功率P一定时,如减少无功功率Q,则功率因数便能够提高。在极端情况下, 当Q = 0时, 则其功率因数为1。因此提高功率因数问题的实质就是减少用电设备的无功功率需要量。

　　1. 1异步电动机和电力变压器是耗用无功功率的主要设备

　　异步电动机的定子与转子间的气隙是决定异步电动机需要较多无功的主要因素。而异步电动机所耗用的无功功率是由其空载时的无功功率和一定负载下无功功率的增加值2部分所组成。所以要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率。变压器消耗无功的主要成份是它的空载无功功率,它和负载率的大小无关。因而,为了改善电力系统和企业的功率因数,变压器不应空载运行或长期处于低负载运行状态。

　　1. 2供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响

　　当供电电压高于额定值的10%时,由于磁路饱和的影响,无功功率将增长得很快, 据有关资料统计,当供电电压为额定值的110%时,一般工厂的无功将增加35%左右[ 1 ]。当供电电压低于额定值时,无功功率也相应减少,从而使它们的功率因数有所提高。但供电电压降低会影响电气设备的正常工作。所以,应当采取措施使电力系统的供电电压尽可能保持稳定。

　　1. 3电网频率的波动也会对异步电机和变压器的磁化无功功率造成一定的影响

　　当供电电网频率降低时,异步电机和变压器的励磁电流将大为增加,引起系统的无功功率损耗增加,导致功率因数降低。

　　2低压电网无功补偿中的技术问题

　　2. 1无功补偿的合理配置原则

　　从电力网无功功率消耗的基本状况可以看出,各级网络和输配电设备都要消耗一定数量的无功功率,尤以低压配电网所占比重最大。为了最大限度地减少无功功率的传输损耗,提高输配电设备的效率,无功补偿设备的配置应按以下原则合理布局:

　　(1)总体平衡与局部平衡相结合,以局部为主。

　　(2)电力部门补偿与用户补偿相结合。

　　在低压配电网络中,用户消耗的无功功率约占50%—60%,其余的无功功率消耗在配电网中[ 2 ] ,因此,为了减少无功功率在网络中的输送,要尽可能地实现就地补偿、就地平衡,所以必须由电力部门和用户共同进行补偿。

　　(3)分散补偿与集中补偿相结合,以分散为主。

　　分散补偿,指在配电网络中分散的负荷区,如配电线路,配电变压器和用户的用电设备等进行的无功补偿。集中补偿, 是在变电所集中装设较大容量的补偿电容器,主要是补偿主变压器本身的无功损耗,以及减少变电所以上输电线路的无功电力,从而降低供电网络的无功损耗,但不能降低配电网络的无功损耗。

　　2. 2就地补偿的优点

　　(1)就地补偿基波无功功率, 滤除谐波无功功率,降低了补偿点到高压公共连接点的供配电损耗,节能效果明显[ 3 ]。

　　(2)就地补偿可以解决高压补偿不能解决的由于负载冲击引起的低压电网的网压波动问题。

　　(3)进行就地补偿后,降低了供配电系统的实际输出容量,从而提高了低压变压器的供电能力,保证了设备运行的可靠性。

　　(4)就地补偿几乎不受背景谐波影响, 保证了补偿装置运行的可靠性和设计的准确性。

　　2. 3补偿方式

　　2. 3. 1低压集中补偿方式

　　目前,国内较普遍采用的一种无功补偿方式,是在配电变压器380 V侧进行集中补偿,在这种方式下,补偿装置通常采用微机控制的低压并联电容器柜,容量在几十至几百千伏不等,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专用变压器用户承担。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,也有为了保证用户电压水平而以电压为判据进行控制。这种补偿方式虽然利于保证用户的电能质量,但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,而线路的电压水平由系统情况决定。当线路电压基准偏高或偏低时,无功功率的投切量可能与实际需求相差甚远,可能出现无功功率补偿过多或补偿不足的情况。

　　2. 3. 2杆上无功补偿方式

　　由于配电网中大量存在的公用变压器没有进行低压补偿,补偿度受到限制。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,配电网网损居高难下。因此可以把10kV户外并联电容器安装在架空线路的杆塔上的方法来进行无功补偿,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。因此,杆上无功功率优化补偿必须结合以下实际工程要求来进行:

　　(1)补偿点宜少。一条配电线路上宜采用单点补偿,不宜采用多点补偿。

　　( 2)控制方式从简。杆上补偿不设分组投切。

　　(3)补偿容量不宜过大。补偿容量太大,将会导致配电线路在轻载时过电压和过补偿现象。杆上空间有限,太多的电容器同杆架设,既不安全,也不利于电容器散热。

　　(4)接线宜简单。最好是每相只配置一台电容器装置,以降低整套补偿设备的故障率。

　　(5)保护方式也要简化。分别用熔丝和氧化锌避雷器分别作为过流保护和过电压保护。

　　( 6)防止电容器安装后产生谐振现象。

　　2. 3. 3用户终端分散补偿方式

　　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。GB50052—1995《供电系统设计规范》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。这样,对于企业和厂矿中的电动机,应该进行就地无功补偿,即随机补偿。针对小区用户终端,由于用户负荷小,波动大,地点分散,无人管理,应该开发一种新型低压终端无功补偿装置,并能满足智能型控制、免维护、体积小、易安装、功能完善、造价较低等的要求。

　　2. 4补偿容量的确定

　　补偿容量计算:现有功率因数为cos<1 ,要求提高后功率因数为cos<2 ,则

　　Qc = Pa v ( tgφ1 - tgφ2 ) =αPca ( tgφ1 - tgφ2 )

　　式中: Pc a ———最大有功计算负荷, kW;

　　α———平均有功负荷系数;

　　tgφ1、tgφ2 ———补偿前、后均权功率因数角的正切值。

　　在计算补偿电力电容器的容量和个数时,应考虑到实际运行电压可能与额定电压不同,电容器能补偿的实际容量将低于额定容量,此时需要对额定容量进行修正。电容器铭牌上的额定容量是在额定电压时的无功容量, 如果电容器实际运行电压不等于额定电压,应按下式进行换算:

　　2. 5补偿级数的选择

　　补偿级数(即补偿电容器的分组数量)越多,补偿的精度越高,但随着补偿级数的增加,装置的成本会大幅度提高,而且箱壳的体积也会增大。综合考虑补偿精度、成本、箱体体积等因素,建议采用11级非常容量补偿,前9级为等容量以满足基本补偿,后2级为小容量以提高补偿精度。

　　2. 6投切控制方式的选择

　　目前可分为三相共补和三相分补2种。三相共补是根据三相总的无功需求来投切电容器组,电容器接法为三角形。三相分补则是根据每相各自的无功需求投切电容器组,电容器接法为星形。控制方式包括三相共补的两相控制方式和三相分补的三相控制方式。

　　为了尽可能地减小装置的体积,简化结构,提高装置的可靠性,即将电容器按一定容量比进行分组,通过控制器的软件对这些电容器组进行排列组合投切。