阐述低压配电系统无功补偿的分析

邹永兴

摘要：本文就低压配电系统中常见的无功功率补偿进行介绍，主要包括：无功补偿的原理、延革、目的、具体要求和如何有效实现无功功率补偿等进行了分析。

关键词：低压配电系统；发电厂；输电

中图分类号：TM642+.2

一、工程案例

在审核一个工程项目结算时碰到这样的事项：原设计两台1250KVA配电变压器，设计计算各台变压器电力负荷为876千瓦，设计自然功率因数为0.8,无功补偿后要求达到0.95,各配置两台270千乏电力电容器无功补偿柜；应供电部门的要求，需要将每台增加30千乏，改为补偿容量每台300千乏，办理了现场变更签证，要将已经按照设计图纸订货、进入现场的电容器补偿柜进行现场改装。

二、无功补偿问题的提出

（一）电力系统组成：

1．发电厂：通过燃烧煤炭、石油的热能或水能、核能等为发电机提供动能，从而产生电能。

2．输电线路：各种电压等级的输电线路负责电能的输送。

3．变电所：承担各种电压等级线路控制、电压的变换和分配电能。

4．配电线路和电力用户：配电线路（现在一般是110KV以下电压）是变电所至电力用户的线路，经过降压、再分配到达电力用户。

电能的产生、传输、分配和使用几乎是同时进行的，因为目前电能仍然不能大量存储。所以保证可靠地持续供电、良好的电能质量和经济运行便是对电力系统基本要求。

（二）无功功率负荷和无功功率损耗

在各种用电设备中，除电热设备和白炽灯等纯阻性负荷只消耗有功功率、为数不多的同步电动机可发出一部分无功功率外，大多数都要消耗无功功率。用电负荷的自然功率因数都是滞后的，其值约为0.6～0.9（其中较大的数值对应于采用了大容量同步电动机的场合）。

1．变压器的无功功率损耗

变压器中的无功功率损耗分为两部分：励磁支路损耗和绕组漏抗损耗。其中，励磁支路损耗的百分值等于空载电流的百分值，约为1％～2％；绕组漏抗损耗，在变压器满载时，基本上等于短路电压的百分值，约为10％左右。

（1）对于一台变压器或一级变压的网络而言，变压器的无功功率损耗满载时约为它额定容量的百分之十几。

（2）对于多级电压网络，变压器中的无功功率损耗就相当大。以一个五级变压的网络（电厂10/220千伏升压→网络220/110、110/35、35/10、10/0.4→用户）为例，典型计算的结果如下表：

变压器损耗情况 变压器负载情况

所有变压器都满载 所有变压器都半载

变压器励磁支路损耗 7% 7%

变压器绕组漏抗损耗 50% 12.5%

变压器总损耗 57% 19.5%

变压器损耗／变压器负荷 57/100 19.5/100

由此可见,系统中变压器的无功功率损耗占相当大的比例，较有功损耗大得多。

2．异步电动机无功功率损耗

中小型异步电动机普遍用于拖动各种机械的动力设备，约将全国发电总量的40%转化为机械能，Y系列（IP23）电动机的平均功率因数为0.845，Y系列(IP44)的平均功率因数为0.851。中国电监会2008年4月22日发布2007年度电力监管报告，2007年全国发电量达到32559亿千瓦时。如果按此口径计算，异步电动机耗有功电量达13023.6亿千瓦时,消耗无功电量8193.6亿千乏时（按照功率因数0.85计）。由这部分无功功率负荷电流引起的网络线损和变损的数额也是相当惊人的。

三、无功补偿的目的及具体要求

（一）无功补偿的目的。

视在功率S、有功功率P和无功功率Q三者之间符合直角三角形的关系，为：

S=P+jQ，S2＝P2＋Q2，功率因数cosφ＝P/S。

发电厂的发电机只有在额定电压、电流、功率因数下运行时，视在功率才能达到额定值，其容量才能有效利用。只有通过进行无功功率补偿，使系统各个节点实现无功功率的基本平衡，即尽量使Q值达到合理数值，提高功率因数，减少无功功率在电力网上的流动，才能使电力系统电压稳定、损耗减少；提高发电、供电设备（发电机、线路、变压器）的利用率；提高用户用电设备（变压器、线路、开关）的利用率等等，这就是无功补偿的目的。

（二）无功补偿的具体要求。

采取优化分布无功功率电源，实现无功功率的平衡。

国家在上个世纪80年代，推行了提高电力用户功率因数的政策，在《全国供用电规则》（1983年8月25日水利电力部发布）中作出了明确规定。《全国供用电规则》第26条：无功功率应就地平衡。用户应在提高用电自然功率因数的基础上，设计和装置无功补偿设备，并做到随其负荷和电压变动及时投入或切除。防止无功电力倒送。用户在电网高峰负荷时的功率因数应达到下列规定：

高压供电的用户和高压供电装有带负荷调整电压装置的电力用户，功率因数为0.90以上；

其他100千伏安（千瓦）及以上电力用户和大、中型电力排灌站，功率因数为0.85以上;

趸售和农业用电，功率因数为0.80以上。

部分功率因数（cosφ）及有功／无功（tgφ）与电费调整对照表

表注: “对应调整标准的电费调整率”栏内“+”表示加收电费比率，“－”表示减收电费比率。

四、低压配电系统无功功率及其补偿

（一）尽量提高用电设备的自然功率因数。

在一般的工业企业用电消耗的无功功率中，感应电动机占30%，变压器占20%，线路占10%。因此，为了降低无功功率损耗，提高自然功率因数，通常可以采用的方式有：

1．合理选择拖动电机的容量，使其接近满载运行；

2．对于平均负荷小于40%的电动机，应改换小容量电动机；

3．合理安排和调整生产工艺流程，改善电器设备的运行方式，避免和控制空载运转；

4．正确选择配电变压器容量，提高变压器的负荷率（一般以75%～80%比较合适）。对于负载率小于30%的变压器应予以断开（退出并联运行，由其中一台供电）或更换小容量变压器。

（二）设置电力电容器进行无功功率补偿

1．电力电容器的装设位置

确定电容器装设位置的原则是就近补偿，但是需要综合考虑开关装置、建设投资、控制和管理等因素。电容器具体安装位置：

（1）并联在电动机端子侧。应采用与电动机同时启动与停止的控制方式，要注意当电容器容量较大时，需考虑两个问题，一是防止出现负荷倒送无功和电动机自励磁发电现象；二是避免补偿电容引起谐振过电压。

（2）配电变压器低压母线侧。这种补偿方式应用最广泛，电容器柜并接于低压母线，通过检测变压器出线电流与电压的相位，控制电容器组的投切。现在无功功率自动补偿控制器（或低压功率因数补偿控制器）产品很多，控制比较稳定，技术比较成熟，可实现的功能有：欠流报警并切除步进电容器；过流报警过压报警并切除步进电容器；失压报警；全投入仍低于cosφ设置值报警；错误cosφ值报警；电容器电容量低于额定值70％时报警；温度60℃报警70℃并切除步进电容器；谐波崎变率超过设置值报警并切除步进电容器等等。

（3）配电变压器高压侧。

（三）并联电容器容量和数量的选择计算。

1．测算企业或单位的用电负荷。负荷计算方式有多种，本文不赘述。

2. 计算平均功率因数cosφ＝P÷S＝P÷√P2＋Q2

3.计算需要补偿的电容量QC ，补偿后的平均功率因数为cosφ′，根据功率三角形，则补偿电容量QC为：

QC＝P（tgφ－tgφ′）=P⊿qc

⊿qc＝tgφ－tgφ′，叫做“比补偿容量”或“补偿率”（ 千乏/千瓦）,其值可以从有关设计手册中查得，也可以通过计算求得。

按照前文提到的案例,试计算无功补偿容量QC:

QC＝P（tgφ－tgφ′）

=876×[tan(arccos0.8)-tan(arccos0.95)]

=369（千乏）

但是，设计配置了540千乏，对应的cosφ′为0.99，供电部门经办人再要求增加30千乏，理由不是十分充分，而且是对已经制作完成的配电柜进行现场变更改制，似乎也不够十分妥当。今后应将配电系统方案提前送供电部门审核，避免出现类似问题。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。