試論無功補償必要性及補償技術方案比較

1 無功補償的必要性

　　“無功”是相對于“有功”而言，人們對“有功”較容易理解，而要深刻認識“無功”卻并不是輕而易舉之事，無功功率對供電系統和負荷的運行十分重要，電力系統網絡元件阻抗呈感性，電感元件中，儲存能量W=1/2LI2，當系統電流增大時，電能轉化為磁能，形成磁場，電感元件從電源取用能量，當系統電流減小時，磁場能量減小，磁能轉化為電能，即向電源返還能量，隨交流電周期性地改變，電感元件與電源之間進行能量交換，這種交換的部分功率，稱之為“無功功率”，大多數網絡元件消耗無功功率，大多數負載也需要消耗無功功率。

　　在工業和生活用電負載中，阻感負載占有很大的比例，如異步電動機、變壓器、熒光燈等都是典型的阻感負載。他們必須吸收無攻功率才能正常工作，這是由其本身的性質所決定的。電力電子裝置等非線性裝置也要消耗無攻功率，特別是各種機控裝置，不但消耗大量的無功功率，而且也會產生大量的諧波電流，諧波源也要消耗無功功率。

　　綜上所述：阻感負載以及大量的諧波源要正常工作，必須消耗一定的無功功率。它們所需要的無功功率必須從網絡中某個地方獲得，顯然這些如果都要由發電機提供并經過遠距離傳遞是不合理的，通常也是不可能的，合理的方法應是在需要消耗無功功率的地方產生無功功率，這就是所謂的無功補償。

　　目前我國城市電網的電壓質量不高，有相當數量的城網電壓沒有達到部頒標準，嚴重影響電器工作的安全。電壓質量不高的原因是多方面的，因為電能在生產、傳輸、分配、消耗的過程中，要產生電壓降落△U=（PR+QX）/U，如果感性無功功率很大，故電壓降落大，所以末端電壓偏低，嚴重影響電能質量，對社會和居民都將帶來經濟損失，故進行無功補償，減少電壓降落，提高電能質量。

　　同理電能在傳輸過程中，要產生有功功率和無功功率的損耗：

　　在電力負荷中，異步電動機和中小容量變壓器占有很大比重，它們消耗的無功功率約占全國無功負荷的80～90%，同時架空線路也消耗一定的無功電能。目前全國主要能耗指標與發達國家相比還有一定差距，輸電線損率比國際先進電力公司高2%到2.5%，全國電網綜合線損率還需要進一步降低。2010年，全國電網綜合線損率6.53%，2011年實現6.52%，比“十一五”確定的7%的目標值低0.48個百分點。2012年，國家電網完成售電量32539億千瓦時，營業收入18855億元，利潤650.7億元。如果按2012年全國線損率6.62%估算，損失電能2154億度，按照最便宜的北京市第一檔階梯電價0.48元/度估算，線損的金額為1033.9億元。 由此可見線損率降低即使是0.1%，也是十億元人民幣的凈利潤，大量電能白白地消耗在全國各級電網中，不但不能創造財富，而且造成環境污染，故降低線損迫在眉睫，

　　總之，無功電源不足（過剩）和分配不合理是造成電壓質量低和能量損耗大的根本原因。

　　2 無功補償的形式

　　無功補償的形式有：集中補償、分散補償、個別補償。目前效果最好最經濟的補償方式是個別補償，即為就地補償。無功補償應從低壓配電系統向中高壓系統逐級進行補償配置。低壓配電系統負荷較集中，負荷設備容量不同，線路短，分支多。對其中設備容量較大的采用就地補償，容量偏小的采用集中補償。因此補償方式一般應采用集中補償、個別補償相結合的綜合補償方式最為合理，這不僅可取得較好的節電效果，而且投資合理，方便控制與維修。

　　低壓無功補償的目標實際是無功的就地補償。通常采用的方法有隨機補償、 隨器補償、 跟蹤補償三種。

　　2.1 隨機補償

　　就是將低壓電容器與電動機并接，并通過控制，保護裝置與電動機同時投切。隨機補償不需頻繁調整補償容量，投資少，占位小，安置維護簡單，事故率低，推薦補償容量為Q=（0.95—0.98）UI，一般地，電動機年運行小時數大于1000，選用隨機補償較其它補償方式更經濟，線損率可減少20%，用戶的投資在1～2年內全部收回，補償電動機無功負荷效果最佳。

　　2.2 隨器補償

　　就是將低壓電容器保險接在配電變壓器二次側，補償配電變壓器空載無功，隨器補償只能補償配電變壓器空載無功功率Q，如果補償容量大于空載無功功率，就會造成過補償，因此推薦補償容量為（0.95—0.98）Q。

　　2.3 跟蹤補償

　　是指以無功補償投切裝置作為控制保護裝置，將低壓電容器組補償在大用戶0.4kV母線上。一般地，用戶負荷有一定的波動性，故推薦選用自動投切方式。跟蹤補償適用于100kVA以上專用配電變壓器。

3 配電網四種補償技術方案比較

　　3.1 變電站集中補償

　　要平衡輸電網的無功功率，可在變電站進行集中補償，補償裝置一般連接在變電站的10kV母線上，主要目的是改善輸電網的功率因數、提高終端變電所的電壓和補償主變的無功損耗，具有管理容易、維護方便等優點。但是這種方案對配電網的降損起不到什么作用，為了實現變電站的電壓控制，通常無功補償裝置（一般是并聯電容器組）結合有載調壓抽頭來調節。通過兩者的協調來進行電壓/無功控制在國內已經積累了豐富的經驗。

　　3.2 隨器補償

　　目前國內較普遍采用的另外一種無功補償方式是在配電變壓器380V側進行隨器補償，補償裝置通常采用微機控制的低壓并聯電容器柜，它是根據用戶負荷水平的波動投入相應數量的電容器進行跟蹤補償。主要目的是提高專用變壓器用戶的功率因數，實現無功功率的就地平衡，對配電網和配電變壓器的降損有一定作用，也保證該用戶的電壓水平。這種補償方式的投資及維護均由變壓器用戶承擔。目前國內各廠家生產的自動補償裝置通常是根據功率因數來進行電容器的自動投切的，也有為了保證用戶電壓水平而以電壓為判據進行控制的。后者對電力系統并不可取，因為線路電壓的波動主要由無功量變化引起，而線路的電壓水平是由系統情況決定的，當線路電壓基準偏高或偏低時，無功的投切量可能與實際需求相差甚遠，可能出現無功過補償或欠補償。 　　

　　3.3 桿上無功補償

　　由于配電網中大量的公用變壓器沒有進行低壓補償，由此造成很大的無功功率缺口需要由變電站或發電廠來填，大量的無功功率沿線傳輸使得配電網網損仍然居高難下，因此可以采用10kV戶外并聯電容器安裝在架空線路的桿塔上（或另行架桿）進行無功補償，以提高配電網功率因數，達到降損升壓的目的。由于桿上安裝的并聯電容器遠離變電站，容易出現保護不易配置、控制成本高、維護工作量大、受安裝環境和空間等客觀條件限制等工程問題。

　　3.4 隨機補償

　　目前在我國城鎮，低壓用戶的用電量大幅增長，企業、廠礦和小區等對無功功率需求都很大，直接對用戶末端進行無功補償，將最恰當地降低電網的損耗和維持網絡的電壓水平。《供電系統設計規范》（GB50052-1995）指出，容量較大，負荷平穩且經常使用的用電設備無功負荷宜單獨就地補償及隨機補償。