第七節(jié) 電力網(wǎng)供電區(qū)無功優(yōu)化

一、無功電壓優(yōu)化運行的基本原則

地區(qū)電網(wǎng)無功電壓優(yōu)化運行是指利用地區(qū)調(diào)度自動化的手段，即利用遙測、遙信、遙控、通調(diào)四大功能，對地區(qū)調(diào)度中心的220kV以下變電所的無功、電壓和網(wǎng)損進行綜合性處理。無功電壓優(yōu)化運行的基本原則如下：

（1）以地區(qū)電力網(wǎng)網(wǎng)損最小最佳為目標，以電力網(wǎng)各接點的電壓合格為約束條件。（2）集中控制變壓器有載分接開關擋位調(diào)節(jié)和變電所無功補償設備的投切，以此來達

到全網(wǎng)無功就地平衡，全面改善和提高電網(wǎng)的電壓質(zhì)量，降低電能損耗的目的。

為此，對于那些以變電所高壓集中補償和10kV線路補償為主，固定補償居多數(shù)的地區(qū)，雖然功率因數(shù)得以改善，但降損節(jié)能效果不明顯，有必要調(diào)整到以降低線損為中心目標，根據(jù)電網(wǎng)特點，調(diào)整無功補償結(jié)構(gòu)，提高電網(wǎng)經(jīng)濟運行水平。

二、無功電壓優(yōu)化運行的調(diào)控方法

（一）調(diào)控流程

地區(qū)電網(wǎng)無功電壓優(yōu)化運行的調(diào)控流程框圖見圖271。

從圖271可知，地區(qū)電網(wǎng)無功電壓優(yōu)化運行首先從地區(qū)調(diào)度自動化系統(tǒng)采集母線電壓、無功功率信息數(shù)據(jù)，分別送給電壓計算分析模塊和無功功率計算分析模塊，然后把電壓、無功計算分析的信息送到綜合處理模塊作出判斷，形成變壓器分接開關擋位調(diào)節(jié)指令和變電所無功補償設備投切指令，交地區(qū)調(diào)度運行中心的控制系統(tǒng)執(zhí)行，這樣，依次循環(huán)以達到無功電壓優(yōu)化運行的目的。

圖271 某地區(qū)電網(wǎng)無功電壓優(yōu)化運行調(diào)控流程框圖

（二）調(diào)控方法

地區(qū)電網(wǎng)無功電壓優(yōu)化運行示意圖見圖272。

從圖272可知，地區(qū)電網(wǎng)無功電壓優(yōu)化運行調(diào)控方法如下。

1.調(diào)整母線電壓

（1）同級或下級變電所10kV母線電壓同時超上限或超下限，則調(diào)上一級變電所主變壓器分接開關擋位，如1、2、3變電所10kV母線電壓同時超上限或超下限，則調(diào)3變電所主變壓器分

接開關擋位；1、2、3、4、5、6變電所10kV母

線電壓同時超上限或超下限，則調(diào)7變電所主變壓器分接開關擋位。

（2）單個變電所10kV母線電壓超上限或超下限，則調(diào)本變電所主變壓器分接開關擋位。

2.調(diào)節(jié)無功補償容量

（1）若5變電所流過D點的無功功率和加上主變壓器勵磁功率大于無功補償容量50%（具體數(shù)值可另行設定），同時7變電所B點的無功功率不會向220kV電網(wǎng)倒送時，5變電所無功補償設備可以投入運行。

圖272 地區(qū)電網(wǎng)無功電壓

優(yōu)化運行示意圖

（2）1、2、3變電所無功補償設備投運條件與5變電所一樣，只要3變電所A點無功功率不發(fā)生向110kV電網(wǎng)倒送，無功補償設備可以投入運行。

3.綜合控制主變壓器分接開關擋位和無功補償容量

（1）10kV母線電壓超上限時，先調(diào)低主變壓器分接開關擋位；母線電壓仍超上限，再切除無功補償容量。

（2）10kV母線電壓超下限時，先投入無功補償容量，電壓仍超下限時，再調(diào)升主變壓器分接開關擋位。

三、地區(qū)電網(wǎng)無功電壓優(yōu)化運行的基本功能1.全網(wǎng)調(diào)整母線電壓

在無功功率合理流動情況下，當某變電所10kV母線電壓偏離合格范圍時，能自動分析同電源、同電壓等級變電所和上級變電所（電源）電壓情況，判斷是調(diào)節(jié)本變電所分接開關擋位還是調(diào)節(jié)上級變電所（電源）主變壓器分接開關擋位，避免多個變電所、多臺變壓器同時調(diào)節(jié)分接開關的現(xiàn)象。

2.全網(wǎng)調(diào)節(jié)無功補償容量

在母線電壓合格范圍內(nèi)，能自動實現(xiàn)無功功率合理流動，充分利用無功補償容量和提高地區(qū)受電功率因數(shù)。

3.降低全網(wǎng)電能損耗

在母線電壓合格范圍內(nèi)，高峰負荷時能自動實現(xiàn)母線電壓偏上限運行，減少負載損耗；低谷負荷時能自動實現(xiàn)母線電壓偏下限運行，減少主變壓器空載損耗。

4.防止無功補償設備振蕩投切

通過無功補償設備投切引起的電壓變化計算，能自動防止無功補償設備振蕩投切，保證設備可靠、安全運行。

5.其他

具有語言報警、操作命令存檔和自動生成年、月運行報表等功能。四、供電區(qū)無功優(yōu)化實施原則

無功優(yōu)化總的原則是從低壓到高壓，以低壓補償為主、高壓補償為輔，實現(xiàn)無功就地平衡。低壓補償通常采用隨電動機補償、隨配電變壓器補償及集中補償三種方式。高壓補償采用變電站集中補償和線路分散補償。

1.制定科學、合理、實用的無功優(yōu)化方案

在實施優(yōu)化工程之前，應掌握該供電區(qū)網(wǎng)絡參數(shù)，核實供電區(qū)配電網(wǎng)絡圖。繪制連續(xù)12個月及月典型負荷代表日的無功負荷典型圖，并對供電區(qū)的無功負荷季節(jié)變化特性進行分析。確認供電區(qū)內(nèi)各配電變壓器的型號及額定容量，弄清7.5kW及以上電動機功臺數(shù)、型號、容量、轉(zhuǎn)數(shù)、各臺電動機的年運行小時數(shù)及所帶負荷性質(zhì)。根據(jù)無功優(yōu)化原則，制定科學、有效的無功優(yōu)化方案。

2.電動機補償容量及適用條件

確定電動機的無功補償容量時，應注意防止電動機退出運行時產(chǎn)生自激過電壓，即補償容量應小于電動機的空載無功。一般僅對7.5kW以上電動機進行補償。

對于排灌的電動機，補償容量可適當加大，宜采用大于電動機的空載無功，但要小于額定無功負荷。

若電動機年運行小時數(shù)大于800h，選用隨機補償較其他補償方式更經(jīng)濟。用戶的補償投資可在兩年內(nèi)全部收回，且補償無功負荷效果最佳。

3.配電變壓器補償容量的選擇

配電變壓器負載率在負荷低谷時接近空載。配電變壓器在輕載或空載時的無功負荷主要是變壓器的空載勵磁無功。因此，配電變壓器無功補償容量不宜超過配電變壓器空載無功，反之，在配電變壓器接近空載運行時，可能造成過補償，易產(chǎn)生鐵磁諧振。

4.高壓補償容量及投切方式

高壓集中補償電容器組作為無功補償?shù)恼{(diào)解容量裝設在變電所，控制調(diào)節(jié)方式靈活，進行維護方便且以戶外安裝方式為好。采用星形接線，配有單臺保護熔絲。

高壓分散補償電容器組用于補償10kV線路中的無功負荷。補償容量及位置應根據(jù)無功潮流計算，考慮到設置每處補償點的附屬設備及安裝施工費，每處補償容量應在

90kvar以上，不小于60kvar。

采取低壓補償和高壓集中補償后，如基本上達到無功優(yōu)化條件的要求，可不設高壓分散補償。

5.季節(jié)性負荷無功補償問題

對于排灌負荷、沿海地區(qū)海產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)等周期性的季節(jié)負荷，如該部分負荷電量占供電區(qū)年供電量中較大比例時（20%以上），應采取相應的季節(jié)性補償措施，使季節(jié)性無功負荷得到合理補償。不足20%的，可適當加以補償。

6.對100kVA及以上容量配電變壓器用戶的補償方法

考慮到現(xiàn)行的力率調(diào)整電費執(zhí)行辦法，對100kVA及以上容量配電變壓器，如用戶本身未加裝補償設備，供電部門可在用戶計量表前加裝低壓補償裝置，也可在配電變壓器處采取高、低壓補償，就地平衡該部分無功，同時收力率電費。

7.補償設備的選購

選購優(yōu)質(zhì)的無功補償設備。

8.安裝位置、保護接線方式的合理選擇

選擇合理的安裝位置、保護接線方式，保證電容器的正常運行。

在確定安裝地點時，考慮電容器的運行環(huán)境，主要是運行電壓等因素對電容器使用壽命的影響，盡管電容器的工頻穩(wěn)態(tài)過電壓可達到額定電壓的1.1倍，但為了不縮短其使用壽命，應使其在額定電壓下運行。在采用現(xiàn)有的調(diào)壓手段后，電壓仍過高時，應更換補償?shù)攸c。

在保護接線方面，高壓補償電容器和低壓固定補償電容器均應配有單臺保護熔絲。補償電動機的電容器通常與電動機共用一組保護熔絲。熔絲的熔斷電流應按電容器額定電流

的1.5～2倍選取。

五、調(diào)壓補償軟起動裝置

1.概述

當前，特大容量電動機在工業(yè)領域應用愈來愈普遍，電動機的起動容量與所配電網(wǎng)輸出容量的矛盾更加突出，非常有必要進一步減小電動機起動時從電網(wǎng)吸收的容量。通過在現(xiàn)有的軟起動器前并聯(lián)電容的方式，提高起動時的功率因數(shù)，降低無功電流，可進一步減

小感應電動機起動時電網(wǎng)輸出電流，減小電動機起動時電網(wǎng)電壓波動范圍。

由軟起動器和電容構(gòu)成的起動裝置工作時輸出電壓可調(diào)，稱其為調(diào)壓補償軟起動裝置。2.調(diào)壓補償軟起動裝置工作原理

三相異步電動機功率因數(shù)與轉(zhuǎn)速的關系曲線如圖273所示。

在電機起動的過程中，初始功率因數(shù)很低（一般為0.3左右），隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加，轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速ne時，功率因數(shù)達到最大值。所以電動機在起動時感性無功電流很大。如果起動時在起動回路端并聯(lián)電容，由電容提供容性無功電流，就可抵消一部分感性無功電流，使電動機起動時從電網(wǎng)吸取的總電流大大降低。電容隨著起動加速逐步切除。

圖273 功率因數(shù)與轉(zhuǎn)速的關系曲線

圖274

（a）軟起動器接電機前方案；（b）軟起動器接電機后方案

單線原理圖如圖274所示。

等效電路如圖2 7 5（a）。

進一步轉(zhuǎn)化為圖2 7 5（b）。

圖275 調(diào)壓補償起動裝置等效電路圖

原來的軟起動系統(tǒng)中并聯(lián)電容后，忽略Um的少量變化，軟起動器的起動參數(shù)基本不變。因軟起動器和電動機起動時等效為功率因數(shù)角為φ1的負載，起動電流為Iq，設母線

出口電壓Um的相位角為0°，側(cè)Iq滯后Um，0°的角度為φ1。

將Iq分解為兩個分量，即IR和IL。有功分量：IR=Iqcosφ1，無功分量：IL=Iqsinφ1。作出向量圖見圖276。

通過向量圖分析，因容性電流與感性電流方向相反，很明顯起動時由母線輸出的電流I會隨著并聯(lián)補償電容的IC的增加而減小（當IC絕對值小于IL時），也就是說，隨著電容容量的增加而減小。因電動機起動時的功率因數(shù)很低（一般為0.30左右），通過加補償電容很容易將起動時母線電流控制到1.3～2.5倍。達到起動時電網(wǎng)電流小于電動機起動電流的效果，即減小電網(wǎng)壓降，又保證電動機可靠起動。

六、調(diào)壓補償軟起動裝置工程設計

圖276 調(diào)壓補償軟

工程設計時無確認電容柜數(shù)量，一般情況起動時補償電容的數(shù)量可初步按電動機容量的50%左右選配，每面電容補償柜可安

起動裝置向量圖

裝1000kvar～3000kvar容量的電容（電容柜尺寸：寬1100mm×深1600mm×高

2650mm，此尺寸只適用起動補償電容柜，如果要求兼應用于運行，尺寸將要加寬），據(jù)此，就可確定選用幾面電容柜。具體電容容量由軟起動廠家根據(jù)電機容量及電網(wǎng)負載綜合情況最后確定。

因為大型電動機所用的電纜很大，需要考慮在開關柜內(nèi)的接線方便，所以在系統(tǒng)設計時有時要考慮增加接線柜。

因為增加了電容，設計時要注意差動互感器的安裝位置，保證前后電流互感器的電流是電動機的電流。

調(diào)壓補償軟起動裝置由開關柜，補償柜，軟起動柜組成，根據(jù)不同的接線方式有多種方案，圖277和圖278為兩種常用方案的一次接線圖。

圖277 軟起動器接電機前端方案

圖278 軟起動器接電機星點方案

七、工程達標要求及效益測算

無功優(yōu)化工程可用七項技術經(jīng)濟指標來進行考核。（1）功率因數(shù)達到標準要求且不過補。

（2）無功補償度達到標準要求。

（3）高、低壓補償容量比例。對不同負荷類型的供電區(qū)進行抽測，結(jié)果表明，對于農(nóng)網(wǎng)來說，高、低壓補償容量比應在1∶2.2～1∶4的范圍內(nèi)。

（4）電容器投運率。對于農(nóng)網(wǎng)來說，高壓電容器達90%，低壓電容器不少

于60%。

（5）10kV網(wǎng)損率至少下降0.5%。

（6）0.4kV網(wǎng)平均每千乏電容器年節(jié)電20kW·h。

（7）工程投資一般應在三年內(nèi)收回。八、配電網(wǎng)無功優(yōu)化補償

電網(wǎng)的線損主要是線路損耗與變壓器損耗，所以配電網(wǎng)的降損節(jié)能，也就是對電網(wǎng)中所有的電力線路和變壓器進行優(yōu)化。無功優(yōu)化的目的是通過調(diào)整無功潮流的分布降低網(wǎng)絡的有功功率損耗，并保持最好的電壓水平。無功優(yōu)化補償，一般有變電所無功負荷的最優(yōu)補償、配電線路最優(yōu)補償以及配電變壓器低壓側(cè)最優(yōu)補償，而配電變壓器低壓側(cè)最優(yōu)補償是配電網(wǎng)無功優(yōu)化的重點之一。

配電變壓器一般實行隨器補償，是將低壓補償電容器直接安裝在配電變壓器低壓側(cè)，與配電變壓器同投同切，用以補償配電變壓器自身勵磁無功功率損耗和感性用電設備的無功功率損耗。采用傳統(tǒng)的無載配電變壓器結(jié)合低壓側(cè)并聯(lián)電容器裝置，在實際運行中因配電變壓器不能自動調(diào)擋，出口端電壓一般在110%～115%之間，并聯(lián)的電容器裝置受出口端電壓影響電容投運率較低，配電網(wǎng)中大量的感性負荷得不到補償，用電高峰時壓降達30～40V，直接影響著電力企業(yè)供電質(zhì)量及經(jīng)濟效益。

解決這一問題，可采用有載配電變壓器自動調(diào)壓和合理的無功自動補償，能保證配電網(wǎng)供電電壓質(zhì)量，改善功率因數(shù)，達到無功就地平衡的目的，提高電力系統(tǒng)的供電能力，使配電網(wǎng)系統(tǒng)在經(jīng)濟合理、穩(wěn)定安全的狀態(tài)下運行。

1.自動調(diào)壓補償控制原理

在實際運行中，使用無功自動補償裝置進行就地補償，可以在實現(xiàn)減少線損的同時，對電壓質(zhì)量起到一定的改善作用。但是，實踐證明由于公用配變負荷變化大，帶來電壓波動也大，往往單純依靠無功補償并不能很好地解決電壓質(zhì)量問題，因此采取以無功和電壓作為二元的控制變量，以“九區(qū)圖”作為基本的控制算法，進行自動跟蹤補償和自動調(diào)壓相配合的措施，可實現(xiàn)進一步改善電能質(zhì)量的目的。

為了使電壓U與無功Q達到所需的值，通過改變有載配電變壓器分接開關擋位和投切電容器組來改變配電系統(tǒng)的U和Q。有載配電變壓器分接頭擋位的變化不僅對U有影響，而且對Q也有一定影響，同樣，電容器組投切對Q影響的同時，也對U有一定的影響。

2.提高功率因數(shù)和設備的供電能力

在電網(wǎng)運行中，由于大量非線性負載的運行，除要消耗有功功率外，還要消耗一定的

無功功率。負荷電流在通過線路、變壓器時將會產(chǎn)生電能損耗。由電能損耗公式可知，當線路或變壓器輸送的有功功率和電壓不變時，線損與功率因數(shù)的平方成反比。功率因數(shù)越低電網(wǎng)所需無功就越多，線損也就越大。因此，在受電端安裝無功補償裝置，可減少負荷的無功功率損耗，提高功率因數(shù)，提高電氣設備的有功出力。

3.降低電網(wǎng)中的功率損耗和電能損失

當有功功率P為定值時，負荷電流與cosφ成反比，安裝無功補償裝置后，功率因數(shù)提高，使線路中的電流減小，從而使功率損耗降低。降低電網(wǎng)中的功率損耗是安裝無功補償設備的主要目的。配變低壓側(cè)補償無功功率，可以提高變壓器功率因數(shù)，并對該線路電壓有調(diào)節(jié)作用，同時采用有載調(diào)壓變壓器是解決該線路電壓問題的有效手段。

九、農(nóng)網(wǎng)無功補償

1.農(nóng)網(wǎng)現(xiàn)階段無功補償存在的問題

（1）因新增電容器與電網(wǎng)發(fā)展不同步，致使無功缺口很大，僅以某省而論，省農(nóng)村電網(wǎng)無功補償度只有0.3。從裝機容量的角度來看，與網(wǎng)局的0.5及部頒的0.7要求差距較大。變電所10kV母線平均補償率為0.85。

（2）電容器的配置不合理。在高壓方面安裝電容器，補低壓方面的無功負荷，不符合“分級補償，就地平衡”的原則。這種“重力率，輕降損”的補償方法對電網(wǎng)本身不但沒有起到應有的降損效果，而且增加了技術和裝備方面的困難。

2.農(nóng)網(wǎng)無功補償需做的工作

（1）農(nóng)網(wǎng)無功負荷分布情況，將重點確定為電動機和配電變壓器，可使無功負荷基本上得以就地平衡。

（2）無功經(jīng)濟當量的測算，假定變電站一次側(cè)為無功經(jīng)濟當量的零值點，按公式進行測算各種補償方式的無功經(jīng)濟當量得知：其中隨電動機補償?shù)臒o功經(jīng)濟當量值最高，其次是隨配電變壓器補償和低壓集中補償，說明補償點選在電網(wǎng)末端最好。

（3）工程投資分析。按照電網(wǎng)無功補償?shù)湫腿萘繙y算：變電所集中補償高壓電容器600kvar，高壓線路補償每處90kvar，低壓補償自動投切柜容量200kvar。各種補償方式單位容量綜合投資，其中低壓補償電動機和配電變壓器的單位綜合投資最低。因此，低壓補償方式投資少、降損效果顯著，且可實現(xiàn)無功就地平衡。因此，現(xiàn)階段對于農(nóng)網(wǎng)來說，無功補償應遵循以下原則：以供電區(qū)為單位，對其無功負荷進行系統(tǒng)分析，并從電網(wǎng)的末端入手，以補償?shù)蛪弘妱訖C和配電變壓器的無功負荷為主，輔之以變電所高壓集中補償和線路分散補償，即實現(xiàn)供電區(qū)的無功優(yōu)化。