无功补偿在10kV线路中的应用

 前言

我国城乡10kV配电线路广泛采用大树干、多分支的单向辐射型供电方式。这些线路的特点是：负荷率低，负荷季节性波动大，配电变压器的平均负荷率低，供电半径长，无功消耗多，功率因数低线路损耗大，末端电压质量差。由于是人工操作，有可能造成无功功率的欠补和过补。欠补偿会影响电能质量增加损耗，而过补偿即无功倒送会危及系统运行的稳定性和安全性。为防止过补偿通常装设容量较小，从而长期处于欠补状态。因此说整组补偿的精度低。另外，用电负荷经常变动的工矿企业，以及对无功需求不断变化的其它场合，均需要有自动调节装置来实现动态电压控制和无功补偿。在10KV配电线路上进行分散补偿具有投资小，回收快，补偿效率较高，便于管理和维护等优点，能显著改善电力线路的运行性能、降低电能损耗、提高供电网络的电压质量，适合于功率因数较低且负荷较重的长配电线路。

一、无功补偿的相关理论问题探讨

作为目前电网运行中极为关键的一部分，无功补偿为电网在当前时期的稳定运行发挥了不可替代的作用，它是无功功率补偿的简称，即对于电网运行中产生的无功功率的一种具体功率补偿，通过合理的补偿装置的使用来补偿这种无功的功率因数，可以使配电网自身运行环境得到有效的改善及优化，其运行中的各种损耗也能够得到有效的控制。本文下面就从对这种无功补偿做一下理论探讨：

首先，对无功补偿中的无功功率做一下分析。电网在具体的运行中，必定会产生有功的功率以及无功的功率这样两种功率，而有功的功率能够将电能转化为诸如热能、光能、机械能等其他各种形式的能力，从而维持用电设备进行正常的运行;无功的功率则不需要消耗电能，而是利用电路内部存在的磁场以及电场来进行工作，为电气设备的正常运行提供其所需要的电功率，这种电功率则是维护磁场的主要支撑。无功功率是电网运行中不可避免的一种产物，而且它也是多数电器(如变压器、电机、输电线、荧光灯、电抗器等)进行运行的基础保障，它不是无用的，相反具有非常重要的存在价值。但是，这种功率的存在也确实具有某种不利的影响，必须进行无功补偿。

其次，就无功功率所具有的不利影响来讲，一方面，无功功率在满足各电器运行对于磁场需求的过程中，通过不断地传输无功的功率，必将导致这些变压器、电机等对于电能的持续的损耗，从而导致系统运行得不到赢得的经济效益。而且，无功功率的存在必定会占据有功功率的位置，使电器输出的有功功率减少，电能转化能力就会降低。同时，无功功率还会加大变压器以及相关线路的电压降，使电网中的电压处于不稳定的状态。另一方面，无功功率和有功功率共同组成视在功率，这种视在功率又与电流存在着正比例关系，无功功率在有功功率维持不变的状态下增加，就会使视在功率加大，从而引发电流的加大，最终使得变压器、发电机、导线等各设备不得不增加容量。

第三，就无功功率的补偿而言，它主要就是为了避免无功功率影响电网正常运行而采取的一种补偿措施。一方面，工作人员通过提升系统的负载功率因数、降低用电设备及线路的负荷与容量，能够使各种设备在降低功率的消耗量的基础上达到对于自身工作效率的提升。另一方面，减少无功功率能够使电网的电压值趋于稳定、电力损耗不断降低、电能质量得以提高，最终使整个电力系统实现了对于各种干扰运行的因素的有效抵抗，提升系统运行的稳定性能。

二、高压配电网对于无功补偿的具体应用分析

无功补偿在维持电网运行所需要的足够无功功率之外，能够通过将多余部分的无功功率去除，从而达到对于电网运行环境的优化，目前我国正在大力地推动无功补偿在全面合理的规划及布局基础上的分散补偿的实施，力求推动整个电网的就地平衡。本文下面就针对无功补偿在高压电网中的应用进行一下分析：

1)配电网的自动跟踪补偿

目前，高压配电网的管理人员主要利用固定及可变阻抗型，这样两种自动补偿的装置来进行无功补偿，其中固定阻抗型的补偿装置，比如分组电容器等，具有比较高的装置性能，能够达到对于系统电压无功补偿的自动控制需求的满足，且较为经济、操作简单，目前受到了诸多高压配电网管理人员的青睐。而可变阻抗型的自动补偿装置，如STATCOM以及SVC等，具有非常高的补偿精度与极快的补偿响应速度，但是它的造价比较高，除了电力系统外的一般电力用户都不太使用这种补偿装置。再以滤波器这种无功补偿的装置来讲，它通过允许有用的信号通过，而尽可能衰减无用信号，能够达到对于有用功率的极大的提升。

2)配电网的无功分散补偿

当前时期，高压配电网的应用在经济发展的推动下逐渐增加，各种电力用户对于无功功率的控制要求也逐渐加大，配电网管理人员在用户的末端对电网实施无功补偿，必定能够达到补偿工作的事半功倍，使补偿工作实现最高的综合性能以及最佳的经济效益。利用这种无功分散补偿的方式又成为分组补偿，利用分散进行补偿，主要是借助于将电容器组装设在具有较低的功率因数的终端配电网高压或者是低压的母线位置等，从而使无功功率因数得以调整，最终达到对于功率因数的校正和调整。这种补偿方式关键是用来对电压进行调整，使电压质量得以改善，避免电压的损失，从而为系统运行提高其供电能力。但是，这种方式的应用需要以配电变压器的低压侧所具备的最大无功需求作为基础来调整容量，而不同变电器的低压侧又具有不同的负荷波动状况，这就会导致某些大容量的电容器在低负荷状态处于被闲置的状况。

三、10kV线路无功补偿系统设计

1.补偿点及补偿容量的确定

为求出在满足运行约束条件下的最优无功补偿容量及位置，本文以年支出费用最小为目标函数，以潮流方程约束为等式约束，以负荷电压、补偿容量等运行限量为不等式约束。年支出费用包括补偿设备的年运行维护费、投资的回收、补偿电容的有功损耗和补偿后10kV网线损而支付的能损费用。总的有功损耗由两部分组成:(1)因有功电流的流动产生，(2)由无功电流的流动产生。通过在线路上安装补偿电容器，能够减小无功电流，从而减小无功电流的流动引起的有功损耗。对网络中除电源节点外的所有节点实施此算法，按照每个节点补偿最佳容量后降低的有功线损，由大到小排列，即可得候选的补偿节点。此系统利用遗传算法对得到候选的补偿节点来求解补偿节点及补偿容量 ，补偿点只能选在节点处。而这些节点有可能不是最佳补偿点，为此系统提出基于非节点的补偿算法，即利用遗传算法并行寻优的特点，在每个补偿节点的上接和下接支路中，按电线杆的位置，增加相应节点(称为非节点)，以节点与非节点的电气距离作为控制变量集，再利用遗传算法求出最佳补偿位置及补偿容量。通过算例分析显示在不增加无功补偿设备费用的前提下，这种“非节点”补偿方式能进一步提高电压水平及降低线损。

2.补偿位置确定

无功补偿装置安装地点的选择应符合无功就地平衡的原则，尽可能减少主干线上的无功电流为目标。不同电容器组最佳装设位置的计算公式如下：Li=(2i/2n+1)L式中，L为线路长度，n为电容器组数，Li为第i组电容器的安装位置，i=1……n通过测算，根据实践中经验，一条线路安装一台无功补偿柜一般安装在线路负荷三分之二处。通过合理配置无功补偿容量，选择电容器最佳装设地点，能改善电压质量，还能降低线路损耗。一般地说，配电线路上电力电容器安装组数越多，降损效果越明显，但相应地增加了运行维护的工作量，同时也增加了补偿设备的投资成本上升。因此，一般在负荷分布相对均匀的线路上，安装1组电容器比较好，最多不超过2组。由于杆上安装的并联电容器远离变电所，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的过电压和过补偿现象;另外杆上空间有限，太多的电容器同杆架设，既不安全，也不利于电容器散热，线路分散补偿电容器组容量应控制在150kV及以下;

(4)接线宜简单。最好是每相只采用一台电容器装置，以降低整套补偿设备的故障率;

(5)保护方式也要简化。主要采用跌落熔断器和氧化锌避雷器分别作为过流和过电压保护，其熔断器的额定电流按电容器组额定电流的1.43～1.55倍选取;150kVar以上时应采用柱上断路器或负荷开关自动控制。

3.无功补偿技术要求

①泄漏比距：≥24mm/kV。②额定电压：10.5kV，最高工作电压：12kV。③接线型式：单星型，中性点不接地。④所有连接：铜排或铜绞线(铜编织线)，引出端子铜材。⑤电容器组带自放电电阻：电容器组的剩余电压在5分钟之内由工作电压降至50V以下，10分钟之内放电完毕。⑥箱体：不锈钢。⑦铁构件：镀锌。⑧投切开关：高压真空接触器。⑨线路用电流互感器：LZKW-10型开启式。⑩电容器保护：过流、过流速断、过电压、欠电压、零序、电容器放电时间禁合。测量精度:电压电流±0.5%。控制功能:功率因数控制电容器投切。统计功能：日最高最低电压、电流、功率因数，电容器投切前后运行数据，运行电容器运行时间。远程通信和抄表：RS485接口，实现当前运行数据下载、整定值下载修改上传、遥控投切、统计记录下载。本期采用近距离射频无线通讯方式。数据管理软件：具有较完善的设备管理和通讯、分析、打印功能。包括：运行数据下载:线路电压、线路电流、线路无功、线路功率因数、三相电容器电流、电容器累计动作次数、电容器投入时间、系统时间;整定值或运行参数下载上传;遥控投切;电容器投切前后运行数据下载;日最高最低电压、电流、功率因数数值及出现时间下载。

4.10kV线路无功补偿实例

我们现以1条10kV农排线路为例，分别从线路现状、线路分析、设备选型，节能分析等方面来说明一下补偿效果：该条10kV线路平均负荷为1270千瓦，最高负荷2600千瓦，最低负荷300千瓦，该线路的自然功率因数cosφ1为0.75，线路上装设的固定电容器补偿容量为180千乏。

该线路是35kV变电站出线的一条10kV配电线路。该线路全长33.93公里，线路供电半径9.4公里，主干线路导线为LGJ-70，其余为LGJ-50、LGJ-35，其中以LGJ-35居多。主要以范围内农业排灌、大米加工、蔬菜冷储用电和居民生活用电为主，夏秋季负荷较重，且昼夜及农灌期间负荷变化大，虽经更换导线增加导线截面，安装分散式固定无功补偿，线损率有了一些降低，但线损的绝对值仍很大，2011年底该条线路的线损率为10.56%。

为了进一步降低线损，提高供电质量，公司采用户外高压无功自动补偿装置。户外高压无功自动补偿装置用在10kV线路上，是无功分散补偿的一种，由于采用了编码自动投切的方式，可以根据负荷的变化自动投切电容器，将线路的无功潮流降到较小的程度，经过分析计算，将其安装在适当位置，可使线路损耗明显降低，用较少的投资，收到可观的经济效益。安装该装置后，线路末端电压有所提高。是一般固定无功补偿不可替代的产品。

1)该装置主要特点：

⑴根据线路无功变化自动检测、分析计算、控制电容器的投切，当系统停电后再次送电设备自动检测并进入控制状态;

⑵采用电压无功综合控制，比功率因数控制更科学更准确(有些线路无功很小但功率因数却很低，如果采用功率因数控制就会投电容器造成过补，也可能出现末端电压“翘辫子”或电网谐振等危害)。

⑶ 率先在国内实现了分级、多级编码投切，使得高压线路的无功补偿更为精确;

⑷可通过无线通讯模块、GPRS和CDMA等通讯方式实现近程控制或遥测遥调(便于运行管理和数据采集)。

2)结构和工作原理

装置结构主要由电容器、控制器、真空接触器、电压互感器和电流互感器、滤波装置、户外跌落式熔断器六部分组成。控制器根据电压互感器和电流互感器的实时数据进行处理和判断，控制电容器的投切。真空接触器接收和执行来自控制器的指令，完成电容器的投切动作。户外跌落式熔断器对装置进行短路保护，一旦装置有短路故障，跌落式熔断器立刻跳开，防止对装置和线路造成损害。

为了切实了解户外高压无功自动补偿装置的功能和使用方法，我们与供电局的技术人员进行了技术交流，并针对该线路的实际负荷情况制定技术方案，同时现场实际勘察，针对此线路较长，分支负荷较大，负载的自然功率因数较低的情况，确定采用两点集中补偿。

2011年6月，该线路户外高压无功自动补偿装置进行了安装调试，调试后即投入运行。 设备投运后，从变电站到线路出口的功率因数明显提高，由 0.75提高到 0.95、线路末端电压升高了200V、线路无功下降了600kVar(该数据为投运时现场读得)，经过半年的试运行，设备运行正常，确实达到了减少线损，提高供电质量的设计目的。

5.节能效益分析

我们知道线损和电流的平方成正比。输电线上的电流越大，线路损失就越大，如果我们在不改变电网输送能力的前提下，提高电网的功率因数，就能够有效的减小输电线上的无功电流，也就能有效减小线损。如果安装点功率因数从cosφ1提升到cosφ2 ，安装点补偿后的电压U2将稍大于补偿前电压U1，为分析问题方便，可认为U2≈U1=U，则当线路上的电流减少为I`。

在10KV线路系统当中，各类非线性电力设备消耗无功功率是比较大，尤其是运行当中的变压器，对无功容量的消耗是比较大的，用户终端的感应电动机也是无功电能消耗的主要单元，如果10kV线路系统的无功消耗过多，无功补偿设备不合理及不准确的时候，对整个线路系统的功率因数均有影响，不能维持线路的高质量输送水平，使得电能消耗较多。在10kV线路电网当中，无功补偿所带来的经济效益是比较高的，并且应该尽量将无功补偿点选在线路终端位置，降低符合无功功率的损耗，并增强功率因数，有效降低线路损耗，这样可取得较为明显的经济效果。

在方案设计和配置时，应充分考虑负荷的变化和分布，一方面首先要做好用户低压侧就地集中补偿，在此基础上再采用多点、多级的高压无功补偿装置，即按线路的无功负荷分布，设置2个或3个以上的高压补偿点，补偿装置采用单级容量较小、步长最短，2级以上的高压无功补偿装置为好。或者通过采用调整电容器受电电压的方式来调整补偿容量(Q=2πfCU2)

通过无功补偿装置的安装可行性分析，无功装置的安装是非常必要的，不仅能有效提高线路的补偿容量，降低线路能量的消耗，还能用较少的资金投入获得较大经济效益，增强了10kV线路运行的可靠安全性。在分析其他线路的时候，也可通过这类计算公式来分析线路的无功补偿情况，并对无功补偿装置的可行性进行分析研究，确定需要补偿的无功装置型号，选择恰当的补偿型号，获得最大的投资效益，增强电力企业综合竞争能力。

6. 管理与维护

无功补偿装置安装后，需要使用笔记本电脑进行现场在线动态管理，调出历史资料，查看装置是否按照设置方式和参数进行自动投切。还要从变电站观察补偿装置投、切时线路上功率因数和电流是否发生了变化，达到预期的效果。如不理想，应该分析原因，调整设置参数，甚至调整定补和自补容量。是为了做好无功管理工作的保障，必须编写详细，责任明确，达到闭环管理。要从补偿装置计划提出开始，到对设备的技术要求、选型定货、验收试验、安装施工、运行管理、维护检修、拆迁移位等每个环节都要落实到相关部门，责任到人。 (1)无功补偿装置的运行情况可以从调度自动化月报表中或变电站运行月报表中反映出来。(2)无功补偿装置是重要电气设备之一，应该结合线路运行每月检查一次。

(3)使用红外线测温仪测量电容器外壳温度(特别是在夏季)，并做好测量记录。

(4)补偿装置主机套管、电容器套管、绝缘子、跌落式熔断器、避雷器及支架等，应结合每年春防、秋防停电时进行清扫检查。

四、结束语

从目前无功补偿技术来看，有一部分技术趋于稳定和成熟，在10kV配电网应用中取得了良好的效果，但仍存在较大的改进空间。因此，这要求我们广大电力工作者具备与时俱进的精神，积极探索配电网无功补偿技术措施与方案，将技术应用于实践当中时，需要具体问题具体分析，使无功补偿技术更加完善，更加成熟，从而有效地实现电网降损节能的目的，促进企业经济效益的提高。

参考文献：

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[6]赵全乐. 线损管理手册 中国电力， 2007.

[7]王孔良. 用电管理. 中国电力， 2007

作者简介

1、汪茂盛，男，长期从事无功电压谐波管理，供职：国网四川省电力公司凉山供电公司

2、曾云，女，长期从事无功电压谐波管理，供职：国网四川省电力公司凉山供电公司

3、李振华，男，长期从事无功电压谐波管理，供职：国网四川省电力公司凉山供电公司