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0.4kV低压网的无功补偿方式及研究现状综述

作者：兆复安点击： 次发布时间：2021-09-22
引言补偿柜
        随着人们生活水平的提高和家用电器的普及，低压用户，特别是住宅用户的用电量大幅增长，住宅设计推荐用电容量已达40VA/㎡。低压电网出现多处过负荷现象，与此同时功率因数也在进一步降低。然而，由于厂矿单位、住宅小区、商店等配电线路更新改造速度相对滞后，导致线路末端电压远低于允许范围，洗衣机、空调器等非照明负荷难以正常工作，并对电器设备造成巨大危害。同时，由于新增电气负荷大量采用电动机、压缩机等旋转设备和电力电子装置，对无功功率需求很大，因而导致低压线路损耗显著增大，整个低压电网的功率因数很低，配电变压器低压侧的综合功率因数约在0.65－0.70之间。
       低压电网消耗的无功功率主要靠上级电网远距离输送，由于大量的无功功率在电网中流动，造成线损、电压降增大，降低了电能质量、电网的经济效益和配电变压器的供电能力。此外，低压电网的用户面广而量大。因此，在目前情况下，为低压电网加装适量的无功补偿电容器是非常必要的。它可以补偿低压配电线路本身的无功损耗及广大用户用电设备的部分无功需要，使无功尽可能就地达到平衡，减少无功在电网中的流动，这对降低线损、改善电压质量和提高供电能力是十分有利的。
一、低压电网的无功补偿方式
1.1 线路补偿
      线路补偿即将户外并联电容器安装在架空线路上，以提高电网功率因数，达到降损升压的目的。这种补偿主要应用在10kV等级电网中，在0.4kV电网中应用和研究较少。由于配电线路上安装的并联电容器远离变电站，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， 线路补偿必须结合以下实际工程要求来进行:
（1） 补偿点宜少。虽然多点补偿的降损效果比单点补偿的效果好，但是多点补偿的安装费用和维护费都随补偿点的增加而正比增大。所以，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。线路补偿不设分组投切，分组投切要设互感器，这要增大投资，增大维护费用，并影响电容器的使用寿命。
（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过电压和过补偿现象。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。
（4） 接线宜简单。最好是每相只配置一台电容器装置，以降低整套补偿设备的故障率。
（5） 保护方式也要简化。分别用熔丝和氧化锌避雷器分别作为过流保护和过电压保护。
（6） 防止电容器安装后产生谐振现象。
        显然， 线路补偿主要是针对0.4 kV 配电线路上沿线的用户负荷所需无功功率进行补偿， 文献[3]提出了确定这种补偿方式的最优地点和容量的算法。因这种补偿方式具有投资小、回收快、补偿效率较高、便于管理和维护等优点，适合于功率因数较低且负荷较重的长距离配电线路，但是因负荷经常波动， 而该补偿方式又是长期固定补偿，适应能力较差，主要是补偿了无功基荷，在线路重载情况下，补偿度一般是不能达到0.95 。
 
1.2 终端补偿
       无功就地补偿位于低压配电线路末端的负载处，直接提供负载所需要的无功功率，进而减小低压网的无功流量，降低线损和线路电压降。目前，在我国城镇，低压用户的用电量大幅增长，企业、厂矿和小区等对无功功率需求都很大，直接对用户末端进行无功补偿，将最恰当地降低电网的损耗和维持网络的电压水平。GB 50052 —1995《供电系统设计规范》指出，容量较大、负荷平稳且经常使用的用电设备，无功负荷宜单独就地补偿。这样，对于企业和厂矿中的电动机，应该进行就地无功补偿，即随机补偿；针对小区用户终端，由于用户负荷小，波动大，地点分散，无人管理，应该开发一种新型低压终端无功补偿装置，并能满足智能型控制、免维护、体积小、易安装、功能完善、造价较低等的要求。有资料表明，11 kW 的异步电动机在一定条件下，进行单机无功补偿是经济合理的。按典型的8 层2 户型住宅单元计算，设备容量约为200 kW ，计算容量达到40 kW 以上，典型功率因数为0.7。因此，单独设立无功补偿装置不仅满足设计规范，而且具有较高的投入产出比。
      用户就地补偿方式的优点：
（1） 减少线损率可达20 %。
（2） 减小电压损耗，改善电压质量，进而改善用电设备启动和运行条件。
（3） 释放系统能量，提高线路供电能力。
     缺点是低压无功补偿通常按配电变压器低压侧最大无功功率需求来确定安装容量，而各配电变压器低压负荷波动的不同时性造成大量电容器在较轻载时闲置，设备利用率不高。
1.2.1 补偿位置的确定
       确定补偿位置是进行无功补偿的首要环节，是无功优化的重要内容。低压线路补偿， 在一般小区，其安装位置通常只有三个，即: 装设于住宅楼总配电箱进线处、楼梯单元配电箱进线处或住户配电箱进线处。由于大多数单户负荷在6kW 以下，且无功需求波动大，投入时间短，投切频繁。因此，线路补偿位置，根据线路终端总容量的大小，一般分别选用前两个补偿点。当用户无功负荷特别突出时，可单独设补偿控制盒。具体位置可通过投入/产出比确定。
1.2.2 低压线路无功补偿特殊性分析
      研究发现，线路无功补偿具有明显的特殊性。首先，线路末端负荷波动幅度大，基荷所占比重较小。在不同季节，工作日和节假日以及一天的不同时段，负荷幅值有很大变化；其次，负荷容量较小，地点分散，补偿的经济功率因数与集中补偿不同；第三，就地补偿一般没有预留安装位置，没有专人管理，并且通常需要分相控制。补偿设备一般随设备的运行而投入，随设备的停运而切除，其检测、分析与控制相对简单。因此，开发就地终端 补偿装置具有重要意义。基于以上分析，就地无功补偿装置应具有以下特点:
（1） 控制保护功能齐全完善，智能化程度高，免维护或少维护。
（2） 体积小，重量轻，适于墙内嵌入暗装或墙上挂装。
（3） 造价低，多功能。该装置应具有丰富的功能，如可靠度、电压质量、频率偏移等电能质量检测， 且性能价格比高。低压补偿
二、电容器补偿容量的计算
功率因数（即COSφ），它是有功功率与视在功率的比值，也就是COSφ=P/S的值越高，用电设备的利用率就越充分、合理、经济。说明电力用户的功率因数越高越好，但不能把功率因数提高到1，一般应提高到0.9－0.98为宜。因为当功率因数接近1时，提高功率因数所需补偿的电容器设备的投资越大。
补偿无功功率容量计算：
   QC  = an  Pjs（tgφ1-tgφ2）                                                  (1)
式中，QC ，所需装设电力电容器组的总容量，kVAr； Pjs，有功计算负荷，kW；tgφ1，补偿前自然平均功率因数角的正切值；tgφ2，补偿后功率因数角的正切值；an ，年平均有功功率负荷系数，一般取0.7－0.75。
其中，电力电容器选择按电压和容量选择：
   电容器额定电压 ≧ 电网实际工作电压
   整个电容器组的实际工作容量 ≧ 计算补偿容量
 
三、最优补偿容量的确定
    在这里，我们用无功经济当量和无功补偿当量来探讨电力电容器的合理补偿容量的大小。电网运行中的功率关系和有功损耗计算：
补偿公式             (kVA)                                              （2）
补偿公式      (kW)                                               （3）
当电网采取无功补偿后的功率关系和有功损耗为：
补偿公式     (kVA)                                                （4）
补偿公式(kW)                                                 （5）
式中，P，电网的有功功率，kW；Q1，补偿前电网的无功功率，kVAr；QC ，补偿容量，kVAr；S1、S2，补偿前后电网的视在功率，kVA；△P1、△P2，补偿前后电网的有功损耗，kW；R，电网的电阻，Ω；U，电网的额定电压，kV。
投入补偿容量QC后，电网的有功损耗由△P1降为△P2，减少量为：
补偿公式   (kW)                                   （6）
 
3.1无功经济当量的计算
      无功经济当量是指在电网某处，每增加或减少1kVAr无功功率所造成的有功功率损耗的增加量或减少量。据此，电网在采取无功补偿前和无功补偿后的无功经济当量分别为：    
补偿公式                                                      （7）
补偿公式                                           （8）
式中，c1，补偿前无功经济当量，kW/kVAr；c2，补偿后无功经济当量，kW/kVAr。
由上式可知某点的无功经济当量与该点的无功功率、电网电阻成正比，且随着补偿容量QC 的增加而降低，也就是说补偿效益随补偿容量的增加而降低，在实施无功补偿时应注意到这一点。
 
3.2 无功补偿当量的计算
无功补偿当量是指在电网某处，装设无功补偿容量QC 后，平均每1kVAr补偿容量所造成的有功损耗的减少量。则有
补偿公式，
装设无功补偿容量QC 后，可使电网减少的有功损耗为
 补偿公式。
 
3.3无功经济当量与无功补偿当量的整体计算

 补偿公式 
图1 无功经济当量整体计算
如图1所示，设第n段通过的无功功率为Qn1，第n段的电阻为Rn，那么，在第n段末端补偿前后的无功经济当量和无功补偿当量为
补偿公式                                                                   (9)
补偿公式                                                            (10)
补偿公式                                                               (11)

需要指出，计算cn1、cn2、cn时，电压取值应取其对应段上的额定电压Un，若使用某一基准电压Ud计算时，应将各段的额定电压对基准电压进行折算，即Un=knUd。低压补偿
每段上的cn1、cn2、cn求出后，那么每个节点上的无功经济当量和无功补偿当量等于该节点前无功功率所流经的所有各段cn1、cn2、cn之合，即
补偿公式                                                                         (12)
补偿公式15                                                                        (13)
补偿公式16                                                                         (14)
当电网某处实施无功补偿后，使电网减少的有功损耗为该点之前无功功率所流经的各段有功损耗减少量之和，即
补偿公式17                                                            (15)
四、无功补偿效益分析
4.1无功临界当量
在电网某处实施无功补偿后，可减少电网的有功损耗，从而获得经济效益。而装设无功补偿装置需要投资，这些投资能否在规定的抵偿年限内收回，这就是要讨论的无功补偿效益问题。
实施无功补偿后，每年的电能节约费为：
电能节约费补偿公式18
                  补偿公式19                                                （16）
式中， a，电能单价，元/（kW*h）；θ%，补偿装置年投运率。
考虑年折旧维护费和抵偿年限后，折算到每年的无功补偿装置的计算投资费为
年计算投资费=βQC（1/N+n）                                               （17）
式中，β补偿装置的单位综合投资，元/kvar；N，抵偿年限，年；n，折旧维护率。
令年电能节约费等于年计算投资费，这样，可保证无功补偿装置的投资在规定的抵偿年限内回收，则有高压补偿
补偿公式20                                          （18）
令       补偿公式21
得       补偿公式22                                                              （19）
Ccr称为无功临界当量，它的意义是，当电网某处未补偿前的无功经济当量大于无功临界当量时，在该处实施无功补偿才有经济意义，并能获得一定的经济效益；反之，如补偿前无功经济当量小于或等于无功临界当量（CN1≦Ccr）时，该处无补偿意义，或者说补偿装置的投资不能在规定的年限内收回。
 
4.2临界补偿容量
若电网某处CN1 > Ccr，说明在该处可补偿，但补偿后的无功经济当量将降至CN2，因此，必须以CN2 > Ccr为约束条件。该处补偿补偿后的无功经济当量为：
补偿公式23                                          （20）
用基准电压计算，则有
补偿公式24                                                  （21）
令     CN2 =Ccr、QC=Qccr  
整理后得
补偿公式25                                               （22）
上式的意义是，若电网在某处可补偿，其补偿容量应小于或等于临界补偿容量（QCn≦Qccr），方能获得补偿效益；否则，将不能保证补偿装置的投资在规定的抵偿年限内收回。为避免过补偿造成无功功率倒流，还应补充补偿容量小于该段无功功率为附加约束条件，即QCn≦Qn1。高压补偿
 
五、结束语
通过对低压电网（0.4kV）补偿方式的探讨，可以看到，在具体的电力系统中根据其具体的特点来选择其无功补偿方式，如果就地补偿装置能够达到要求的话，就地补偿是个不错的选择，能够很好的提高功率因数和降低损耗，改善电压的效果最好，只是单位投资较大。线路补偿也有其优势，单位投资小，设备利用率很高，在低压电网的补偿中也会逐步应用起来。

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