浅谈供配电网无功补偿节能技术
摘要：电力是能源消耗领域中一种重要的资源，减少电能在传输过程中的能量损耗是电网节能降耗的一个重要方面。电力系统中无功的分层平衡，有利于减少输电路径上无功的流动，降低电网传输损耗。节能是我国的一项重要经济政策,低压电网的节能措施是多种多样的,无功功率自动补偿装置对电网进行无功功率补偿是降低线损,节约电能,改善电网电压质量最经济最普遍的方法之一。通过比较, 重点介绍一种新型低压无功动态补偿装置，其各项技术性能，都优于传统的补偿装置。
关键词：无功补偿；功率因数；配电网；节能
引言
我国现阶段发展中，能源的需求量大，消耗量也大，尤其是电能，所以进行有效的节约，也就显得更为重要。随着经济的发展，各产业和民用用电量大幅增加的用电负荷中，整流和变频设备所占的比例增加，无功负荷电流和谐波电流不仅增大供电系统损耗，谐波电流还可能引起通信系统和计算机系统故障。随着国民经济的高速发展和人民生活水平的提高，人们对电力的需求日益增长，同时对供电的可靠性和供电质量提出了更高的要求。由于负荷的不断增加，以及电源的大幅增加，不但改变了电力系统的网络结构，也改变了系统的电源分布，造成系统的无功分布不尽合理，甚至可能造成局部地区无功功率严重不足，电压水平普遍较低的情况。随着系统结构日趋复杂，当系统受到较大干扰时，就可能在电压稳定薄弱环节导致电压崩溃。解决上述问题的技术措施是加装补偿电容，从而减少系统损耗，提高电能质量。
1 无功补偿的原则
无功补偿，就其概念而言早为人所知，它就是借助于无功补偿设备提供必要的无功功率，以提高系统的功率因数，降低能耗，改善电网电压质量。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照“分级补偿，就地平衡”的原则，合理布局。原则如下：
（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。
（3）分散补偿与集中补偿相结合，以分散为主。
（4）降损与调压相结合，以降损为主。
电力系统无功潮流分布是否合理，不仅关系到电力系统向电力用户提供电能质量的优劣，而且还直接影响电网自身运行的安全性和经济性。这在与用户直接相关的配电网中显得同样的重要。若无功电源容量不足，系统运行电压将难以保证。由于电网容量的增加，对电网无功功率要求也与日增加，此外，网络的功率因素和电压的降低将使电气设备得不到充分利用，降低了网络传输能力，并引起损耗增加。因此，解决好配电网络无功补偿的问题，对电网的安全性和降损节能有着重要的意义。
2 提高功率因数的意义
功率因数反映了电源输出的视存功率被有效利用的程度，我们希望的是功率 因数越大越好。这样电路中的无功功率可以降到最小，视在功率将大部分用来供给有功功率，从而提高电能输送的功率。提高功率因数的意义如下： （1）改善设备的利用率 在一定的电压和电流下，功率因数越大，设备输出的有功功率越大。因此，改善功率因数是充分发挥设备潜力，提高设备的利用率的有效方法。 （2）减少线路有功损耗 补偿前后线路传送的有功功率变小 由于cosφ提高，补偿后的电压U2稍大于补偿前的电压U1，可近似认为U2≈U1。 从而导出I1COSφ1=I2COSφ2。即I1/I2= COSφ2/ COSφ1, 这样线损 P减少的百分数为：ΔP%= (1-I22/I12)×100%=（1- COS2φ1/ COS2φ2）× 100% 当功率因数从0.70～0.85提高到0.95时，可求得有功损耗将降低20％～45％。 （3）减小电压损失 （4）提高电网的传输能力
3 影响功率因数的主要因素
（1）大量的电感性设备，如异步电动机、感应电炉、交流电焊机等设备是无功功率的主要消耗者。 （2）变压器消耗的无功功率一般约为其额定容量的10％～15％，它的空载无功功率约为满载时的1/3。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。 （3）供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大影响。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，当供电电压低于额定值时，无功功率也相应减少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。
4 无功补偿的分类
无功自动补偿按性质分为三相电容自动补偿和分相电容自动补偿。
（1）三相电容自动补偿适用于三相负载平衡的供配电系统。因三相回路平衡，回路中无功电流相同，所以在补偿时，调节无功功率参数的信号取自三相中的任意一相，根据检测结果，三相同时投切可保证三相电压的质量。
（2）在民用建筑中大量使用单相负荷，容易造成三相负载的严重不平衡，尤其是住宅楼在运行中三相不平衡更为严重。这种情况下用传统的三相无功补偿方式，不但不节能，反而浪费资源，难以对系统的无功补偿进行有效补偿，补偿过程中所产生的过、欠补偿等弊端更是对整个电网的正常运行带来了严重的危害。对于三相不平衡及单相配电系统要采用分相电容自动补偿，其原理是调节无功功率参数的信号取自三相中的每一相，根据每相感性负载的大小和功率因数的高低进行相应的补偿，对其它相不产生相互影响，故不会产生欠补偿和过补偿的情况。
以上介绍了影响功率因数的主要因素和提高功率因数的意义，并论述了无功补偿的补偿原则及分类，使读者对无功补偿有所认识，下面重点介绍一种新型无功补偿装置：SVS型无功补偿装置，并将其和普通无功补偿装置进行比较。 普通无功补偿装置和新型无功补偿装置（SVS）比较：
（1）投切器件：普通无功补偿装置通过中间继电器(或固态继电器)接通接触器、控制补偿电容器投入或切除，投切电容不能保证在零电位瞬间，容易引起很大的浪涌电流和电压，进而引起电气伤害，成为供电故障的主要原因；新型无功补偿装置采用进口芯片可控硅，电容采用零电位瞬间投切，无尖峰脉冲电流干扰电网，保证系统安全供电，这在有敏感电子设备的场合非常重要。
（2）滤波回路：新型无功补偿装置带有RC吸收回路，能滤除高次谐波，实现无投切振荡，无补偿呆区，该产品适用于谐波污染严重的三相电网中无功功率的分散或集中补偿。
（3）补偿方式：普通无功补偿装置对三相不对称负荷或单相负荷明显的场所,也只能实行三相等量补偿; 新型无功补偿装置可根据实际需要自动投入等量或不等量电容，实现三相对称或不对称补偿功能。
（4）响应时间：普通无功补偿装置机电开关投切的反应时间很慢，接通一组需要10－30s的时间，完成全部补偿需要几分钟的时间；新型无功补偿装置对于50Hz电网，在每个周期内使用快速傅立叶算法，自动响应时间不超过20ms。
（5）投切时间：普通无功补偿装置在投入或切除一步之间需要很长的时间，因此补偿系统的特性受到影响；新型无功补偿装置当负载变化需要投切不止一个组数时，可以同时精确控制相应组数。
（6）补偿精度：普通无功补偿装置由于电容组合配置精度不高，且跟踪不迅速，会造成超前或滞后等补偿不精确的现象；新型无功补偿装置由于每级电容按照2n－1 倍数（1≤n≤4）等容递增配置，可实现瞬时随机组合投切，并可实现三相不对称同时分别补偿，平均功率因数均为0.9～0.99。
（7）运行性能：普通无功补偿装置接触器投切系统的控制器通常情况下需要拨码开关，小的显示让它非常困难地检查系统的特性，没有附加的远程控制和通信，保护功能落后；新型无功补偿装置采用先进的微电脑控制器，检测及跟踪投切自动控制完成，无须人工干预，使用大的LCD显示屏，提供非常方便的使用特性，可实现远程控制及报告系统和电网的情况。具有严格的抗干扰能力，对过压、缺相、欠压及输出端短路等线路故障均具有保护功能。
（8）维护性能：普通无功补偿装置接触器寿命有限，需经常更换，接触器通断所引起的浪涌会导致频繁的设备故障和额外的更换。投入的电容器总是从零电位开始，对电网及电容器本身具有相当大的冲击；新型无功补偿装置通过特有的吸收回路，可将回路中的尖峰脉冲吸收，通过特有的充电回路，可将准备投入的电容事先充电而保持一定电位的直流电平，减少对电网的冲击，更好的保护开关模块及电容器，具有很长的使用寿命，从而大大减少现场维护费用。
（9）经济性能：普通无功补偿装置最初成本因为器件的更换和维修而经常改变，当一段时间以后评估接触器开关投切系统，实际的费用和间接的损失将比初始的投资大；新型无功补偿装置初始投资比接触器系统高，但是当考虑到运行和维护传统所需要的费用，整体投资比接触器开关投切的系统低。同时因为补偿因数较高，供电部门可能还会有一定的奖励。
从上述比较中可以看出，新型低压无功动态补偿装置的各项技术性能，都优于传统的补偿装置。且使用寿命长、维护工作量小、长期节能效果好。因此，新型补偿装置是传统低压无功动态补偿装置的更新换代产品。随着社会事业不断的发展，科学技术的不断进步，将会有更多﹑更好的节能新产品问世，更多合理﹑可行的节能措施实行，最终更好的实现低压电网的节能降损，使得企业和社会得到更大的经济效益。
5 配电网无功补偿遇到的问题
随着人们对配电网建设的重视及无功补偿技术的发展，低压侧无功补偿技术在配电系统中也开始普及。从静态补偿到动态补偿，从有触点补偿到无触点补偿，都取得了丰富的经验，但是在实践应用中也暴露出一些问题，必须引起重视。
优化的问题。目前，很多单位选择无功补偿的出发点还放在用户侧，只注意补偿用户的功率因数，而不是立足于降低电力网的损耗。例如，为提高某电力负荷的功率因数，增设1台补偿箱。这对降损有一定好处，但若要实现有效的降损，必须通过计算无功功率潮流，确定各点的最优补偿量和补偿方式，才能使有限的资金发挥最大的效益。这是从电力系统角度考虑问题的方法。
无功功率优化配置的目标是在保证配网电压水平的同时，尽可能降低网损。由于它要对补偿后的运行费用以及相应的安装成本同时达到最小化，计算过程相当复杂。为此，以前的文献中通常采取了许多不切实际的假设，比如固定负荷水平，统一线径，把树状配电网简化成梳状网，这样的结果并不理想。
谐波的问题。电容器本身具备一定的抗谐波能力，但同时也有放大谐波的副作用。谐波含量过大时，会对电容器的寿命产生影响，甚至造成电容器的过早损坏，由于电容器对谐波的放大作用，将使系统的谐波干扰更严重；另外，动态无功补偿柜的控制环节容易受谐波干扰影响，造成控制失灵，因而做无功补偿时必须考虑谐波治理，在有较大谐波干扰，又需要补偿无功功率的地点，应考虑增加滤波装置。
无功功率倒送的问题。无功功率倒送是电力系统所不允许的现象，因为它会增加线路和变压器的损耗，加重线路的负担。虽然生产厂家都强调自己的设备不会造成无功功率的倒送，但是实际情况并非如此。因为对于接触器控制的补偿柜，补偿量是三相同调的；对于晶闸管控制的补偿柜，虽然三相补偿量可以分调，但是很多生产厂家为了节约成本，往往只选择一相做采样及无功功率分析。于是在三相负荷不平衡的时候，就有可能造成无功功率倒送。至于采用固定电容器补偿方式的用户，则可能在负荷低谷时造成无功功率倒送，这应引起充分考虑。
综上所述，10 kV配电网的无功补偿工作应更多地考虑系统的特点，不应因电压等级低、补偿容量小而忽视补偿设备对系统侧的影响（包括网损）。如果需降损的线路能基于一个完善的补偿方案进行改造，则电力系统的收益将比分散的纯用户行为的补偿方式要大得多。
6 结束语
对配电网进行无功补偿，提高功率因数和搞好无功功率平衡，是一项建设性的降损技术措施。目前，配电网的无功补偿容量一般是根据供电部门要求达到的功率因数来确定的，而不是依据用户用电时实际的节能效益、最佳电能质量、最小支付电费的经济功率因数来确定。如何确定无功补偿设备的合理配置和分布，需寻找技术上和经济上的最优方案。