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【摘要】无功补偿被广泛应用于各电压等级电网中,它的合理应用是电力企业提高经济和社会效益的一项重要课题。本文根据工作实践，就配网低压无功补偿的基本原理、无功的经济补偿、补偿方式及无功补偿装置的安装进行了研究和阐述.
【关键词】配网；低压；无功；补偿
无功补偿作为保持电力系统无功功率平衡、降低网损、提高供电质量的一种重要措施，被广泛应用于各电压等级电网中。合理选择无功补偿，能够提高电压稳定性，避免大量无功的远距离传输，从而降低有功网损，减少发电费用，提高设备利用率，并不断提高电力企业的经济和社会效益。
一、无功补偿概述
电网中的电力负荷如电动机、变压器等，在运行过程中需向这些设备提供相应的无功功率。在电网中安装并联电容器等无功补偿设备以后，可以提供感性电抗所消耗的无功功率，减少了电网电源向感性负荷提供、由线路输送的无功功率，由于减少了无功功率在电网中的流动，因此可以降低线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗，这就是无功补偿。
之所以要进行无功补偿，是由于负载多数是感性的，其功率因数低于1，电感越大，功率因数越低，而发电机的功率因数较高，单靠发电机的无功输出不能平衡负荷的无功需求。同时，长距离输送无功功率是不经济的，也是不允许的。这便需要补偿无功，俗称无功补偿。如果不补偿，满载时电压水平便大幅度下降（无功不足）。相反，低载时无功又过剩，引起电压升高，电压将随负载变化而剧烈变化。电压过低电机发热甚至无法启动，电压过高电气设备寿命急剧降低。另外，因功率因数太低用户要多付电费，因此不论从经济上还是从电能指标性能上讲，都必须对低功率因数线路进行补偿。
二、无功补偿的基本原理
无论是工业负荷还是民用负荷，大多数均为感性。所有电感负载均需要补偿大量的无功功率，提供这些无功功率有两条途径：一是输电系统提供；二是补偿电容器提供。如果由输电系统提供，则设计输电系统时，既要考虑有功功率，也要考虑无功功率。由输电系统传输无功功率，将造成输电线路及变压器损耗的增加，降低系统的经济效益。而由补偿电容器就地提供无功功率，就可以避免由输电系统传输无功功率，从而降低无功损耗，提高系统的传输功率。
三、无功的经济补偿
对于电力系统而言，在高压侧或低压侧均可进行补偿。但是，如果在低压侧进行补偿，既可减少变压器、输电线路等的损耗，又可提高变压器、输电线路的利用率及提高负载端的端电压，所以补偿电容器的安装越靠近负载端，对用户而言越可获取较大的经济效益。由上图可见，装设补偿电容器后，改善了负荷侧的功率因数，用电负荷所需的无功功率，由电容器直接提供，可以降低电网的总电流
因为在低压侧装设了电容器补偿无功电流，即无功电流由电容器提供，所以在进行电网设计时，只考虑有功电流即可，大大节省变压器及输电线路的投资。对于已有的电网，也能够提高电网的出力。
1.减少输电线路及变压器的损耗
Pn=3I2·R
=3I2p·R 3I2q·R
式中Pn--有功功率损失
R--每项输电线路的电阻(含输电线路及变压器)
输电线路电阻R=KL/A
式中K--电阻系数
A--导线截面积
L--导线长度，m
变压器电阻R=YkU2/Sn
式中Yk--变压器短路阻抗，Ω
U--系统电压，V
Sn--变压器额定容量，kVA
2.增加变压器及输电线路的利用率
所增加的利用率为：
(P2-P1)/P1=[(cos1-cos2)-1]×100%
式中cosφ1--改善前的功率因数
cosφ2--改善后的功率因数
3.提高系统的端电压减少系统的电压降
du(%)=Qc/Sn×Xk(%)
式中du(%)--电压提高百分比
Qc--补偿电容器的容量，kvar
Sn--变压器容量，kVA
Xk(%)--变压器阻抗百分比
四、无功补偿方式
理论上而言，无功补偿最好的方式是在哪里需要的无功，就在哪里补偿，整个系统将没有无功电流的流动。但在实际电网当中这是不可能做到的。因为无论是变压器、输电线路还是各种负载，均会需要无功。所以实际电网当中就补偿装置的安装位置而言有如下几种补偿方式：①在变电所母线集中安装并联电容器组；②在高低压配电线路中分散安装并联电容器组；③在配电变压器低压侧和用户车间配电屏安装并联补偿电容器；④在单台电动机处安装并联电容器等。
对于低压配网无功补偿，通常采用负荷侧集中补偿方式，即在低压系统(如变压器的低压侧)利用自动功率因数调整装置，随着负荷的变化，自动地投入或切除电容器的部分或全部容量。
加装无功补偿设备，不仅可使功率消耗减小，功率因数提高，还可以充分挖掘设备输送功率的潜力。
1. 补偿容量的确定
确定无功补偿容量时，应注意两点：一是在轻负荷时要避免过补偿，倒送无功造成功率损耗增加，也是不经济的。二是功率因数越高，每千乏补偿容量减少损耗的作用将变小，通常情况下，考虑到动力类负荷，估计配变的功率因数在0.75左右，设计在满负荷状态下功率因数提高到0.90就是合理补偿。
假设配变容量为S，补偿前有功功率、无功功率和功率因数角分别为P1、Q1、和φ1，补偿后有功功率、无功功率和功率因数角分别为P2、Q2和φ2，Qb为需补偿的容量。
由此可得出应补偿的容量为：
Qb=Q1-Q2
=S×sinφ1-S×sinφ2
=S×(0.661-0.436)
=0.225S
补偿百分比为：η%=Qb/S×100%=22.5%
根据电网的运行经验可以得出，补偿容量一般为变压器额定容量的20%～30%。
2. 补偿方式的选择
补偿方式分为三相共补、分相补偿和混合补偿(即共补加分补)，一般而言当需要补偿的容量超过60kvar时，采用混合补偿是比较合适的，即可照顾到三相之间的不平衡，与分相补偿的效果完全相同，又可以降低成本。
3. 补偿级数的选择
补偿级数(即补偿电容器的分组数量)越多，补偿的精度越高，但随着补偿级数的增加，装置的成本会大幅度提高，而且箱壳的体积也会增大。综合考虑补偿精度、成本、箱体体积等因素，我们建议采用11级非常容量补偿，前9级为等容量以满足基本补偿，后2级为小容量以提高补偿精度。以1台180kvar的补偿装置为例：①前9级为每级18kvar，9×18=162kvar；②后2级为每级9kvar；9×2=18kvar，合计180kvar。
4. 投切控制方式的选择
为了尽可能地减小装置的体积，简化结构，提高装置的可靠性，即将电容器按一定容量比进行分组，通过控制器的软件对这些电容器组进行排列组合投切。
5.控制目标的选择
通常的控制目标为：功率因数、无功功率、无功电流、电压。根据具体情况，以挖掘配变的容量为主要目的，所以电压不应该成为控制目标。以功率因数为检测量，缺点是轻载时容易产生投切振荡，重载时补偿不充分；以无功功率为检测量，则检测量和控制目标量相同，检测精度低。所以应采用无功电流为检测量，无功功率为控制目标。
五、结论与建议
综上所述，本人认为，电力系统选择无功补偿应着重从以下八个方面来考虑：
1.选择低压无功补偿装置应优先考虑科技含量高、技术原理先进、质量可靠、功能完善、便于运行维护与分析的智能型设备。
2.合理选择电容器补偿的安装地点十分重要。应尽量选择在低压台区负荷中心，以取得最优的就地补偿效果，减少无功潮流在配电网络中的长距离传输，达到经济运行的最终目的。
3.根据市郊地区公用配变的容量、负荷与自然功率因数情况，应当合理选择低压无功补偿装置的补偿容量，一般以30～60 kvar为宜。
4.根据现代配电网络的运行管理需要，无功补偿设备也应具有先进的数据采集与储存分析功能，通过高速率采样监测电网各种交流量，并整点记录，便于对电网运行数据进行总结与分析。
5.装置应提供远红外或串行口通讯功能，可实现就地抄表，并提供强大的后台软件对历史运行数据进行分析与计算。
6.为便于现场安装，电流互感器可采用穿过与正线并联导线的安装方式。在软件中根据电流分配关系调整CT变比值，在不开断导线的同时同样能达到判断实际负荷电流目的，或选用成本较高的钳型电流夹式互感器。
7.由于配网负荷普遍存在三相负荷不平衡情况，建议在负荷较大的配变台区安装具有分相投切的无功补偿装置，根据"取平补齐"原则，以共补2～4组、分补1组或2组为宜。
8.为使低压无功补偿收到实效，有效降低配网线损、改善电压质量，在安装实施无功补偿后还要重视监视维护与分析工作，不能"只装不管"，因电容器组的安装只是无功补偿工作的开始。因此，供电部门应考虑制定相应的低压无功补偿设备运行维护制度，明确职责，落实到人，通过定期检查、采集运行数据与分析补偿效果，保证设备的安全可靠运行，并发挥实效。
作者简介：徐龙（1966.3--）男，汉，大专学历，多年从事机电专业及管理工作，现任神华新疆能源有限责任公司电力通信公司总工程师
【关键词】配网；低压；无功；补偿
无功补偿作为保持电力系统无功功率平衡、降低网损、提高供电质量的一种重要措施，被广泛应用于各电压等级电网中。合理选择无功补偿，能够提高电压稳定性，避免大量无功的远距离传输，从而降低有功网损，减少发电费用，提高设备利用率，并不断提高电力企业的经济和社会效益。
一、无功补偿概述
电网中的电力负荷如电动机、变压器等，在运行过程中需向这些设备提供相应的无功功率。在电网中安装并联电容器等无功补偿设备以后，可以提供感性电抗所消耗的无功功率，减少了电网电源向感性负荷提供、由线路输送的无功功率，由于减少了无功功率在电网中的流动，因此可以降低线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗，这就是无功补偿。
之所以要进行无功补偿，是由于负载多数是感性的，其功率因数低于1，电感越大，功率因数越低，而发电机的功率因数较高，单靠发电机的无功输出不能平衡负荷的无功需求。同时，长距离输送无功功率是不经济的，也是不允许的。这便需要补偿无功，俗称无功补偿。如果不补偿，满载时电压水平便大幅度下降（无功不足）。相反，低载时无功又过剩，引起电压升高，电压将随负载变化而剧烈变化。电压过低电机发热甚至无法启动，电压过高电气设备寿命急剧降低。另外，因功率因数太低用户要多付电费，因此不论从经济上还是从电能指标性能上讲，都必须对低功率因数线路进行补偿。
二、无功补偿的基本原理
无论是工业负荷还是民用负荷，大多数均为感性。所有电感负载均需要补偿大量的无功功率，提供这些无功功率有两条途径：一是输电系统提供；二是补偿电容器提供。如果由输电系统提供，则设计输电系统时，既要考虑有功功率，也要考虑无功功率。由输电系统传输无功功率，将造成输电线路及变压器损耗的增加，降低系统的经济效益。而由补偿电容器就地提供无功功率，就可以避免由输电系统传输无功功率，从而降低无功损耗，提高系统的传输功率。
三、无功的经济补偿
对于电力系统而言，在高压侧或低压侧均可进行补偿。但是，如果在低压侧进行补偿，既可减少变压器、输电线路等的损耗，又可提高变压器、输电线路的利用率及提高负载端的端电压，所以补偿电容器的安装越靠近负载端，对用户而言越可获取较大的经济效益。由上图可见，装设补偿电容器后，改善了负荷侧的功率因数，用电负荷所需的无功功率，由电容器直接提供，可以降低电网的总电流
因为在低压侧装设了电容器补偿无功电流，即无功电流由电容器提供，所以在进行电网设计时，只考虑有功电流即可，大大节省变压器及输电线路的投资。对于已有的电网，也能够提高电网的出力。
1.减少输电线路及变压器的损耗
Pn=3I2·R
=3I2p·R 3I2q·R
式中Pn--有功功率损失
R--每项输电线路的电阻(含输电线路及变压器)
输电线路电阻R=KL/A
式中K--电阻系数
A--导线截面积
L--导线长度，m
变压器电阻R=YkU2/Sn
式中Yk--变压器短路阻抗，Ω
U--系统电压，V
Sn--变压器额定容量，kVA
2.增加变压器及输电线路的利用率
所增加的利用率为：
(P2-P1)/P1=[(cos1-cos2)-1]×100%
式中cosφ1--改善前的功率因数
cosφ2--改善后的功率因数
3.提高系统的端电压减少系统的电压降
du(%)=Qc/Sn×Xk(%)
式中du(%)--电压提高百分比
Qc--补偿电容器的容量，kvar
Sn--变压器容量，kVA
Xk(%)--变压器阻抗百分比
四、无功补偿方式
理论上而言，无功补偿最好的方式是在哪里需要的无功，就在哪里补偿，整个系统将没有无功电流的流动。但在实际电网当中这是不可能做到的。因为无论是变压器、输电线路还是各种负载，均会需要无功。所以实际电网当中就补偿装置的安装位置而言有如下几种补偿方式：①在变电所母线集中安装并联电容器组；②在高低压配电线路中分散安装并联电容器组；③在配电变压器低压侧和用户车间配电屏安装并联补偿电容器；④在单台电动机处安装并联电容器等。
对于低压配网无功补偿，通常采用负荷侧集中补偿方式，即在低压系统(如变压器的低压侧)利用自动功率因数调整装置，随着负荷的变化，自动地投入或切除电容器的部分或全部容量。
加装无功补偿设备，不仅可使功率消耗减小，功率因数提高，还可以充分挖掘设备输送功率的潜力。
1. 补偿容量的确定
确定无功补偿容量时，应注意两点：一是在轻负荷时要避免过补偿，倒送无功造成功率损耗增加，也是不经济的。二是功率因数越高，每千乏补偿容量减少损耗的作用将变小，通常情况下，考虑到动力类负荷，估计配变的功率因数在0.75左右，设计在满负荷状态下功率因数提高到0.90就是合理补偿。
假设配变容量为S，补偿前有功功率、无功功率和功率因数角分别为P1、Q1、和φ1，补偿后有功功率、无功功率和功率因数角分别为P2、Q2和φ2，Qb为需补偿的容量。
由此可得出应补偿的容量为：
Qb=Q1-Q2
=S×sinφ1-S×sinφ2
=S×(0.661-0.436)
=0.225S
补偿百分比为：η%=Qb/S×100%=22.5%
根据电网的运行经验可以得出，补偿容量一般为变压器额定容量的20%～30%。
2. 补偿方式的选择
补偿方式分为三相共补、分相补偿和混合补偿(即共补加分补)，一般而言当需要补偿的容量超过60kvar时，采用混合补偿是比较合适的，即可照顾到三相之间的不平衡，与分相补偿的效果完全相同，又可以降低成本。
3. 补偿级数的选择
补偿级数(即补偿电容器的分组数量)越多，补偿的精度越高，但随着补偿级数的增加，装置的成本会大幅度提高，而且箱壳的体积也会增大。综合考虑补偿精度、成本、箱体体积等因素，我们建议采用11级非常容量补偿，前9级为等容量以满足基本补偿，后2级为小容量以提高补偿精度。以1台180kvar的补偿装置为例：①前9级为每级18kvar，9×18=162kvar；②后2级为每级9kvar；9×2=18kvar，合计180kvar。
4. 投切控制方式的选择
为了尽可能地减小装置的体积，简化结构，提高装置的可靠性，即将电容器按一定容量比进行分组，通过控制器的软件对这些电容器组进行排列组合投切。
5.控制目标的选择
通常的控制目标为：功率因数、无功功率、无功电流、电压。根据具体情况，以挖掘配变的容量为主要目的，所以电压不应该成为控制目标。以功率因数为检测量，缺点是轻载时容易产生投切振荡，重载时补偿不充分；以无功功率为检测量，则检测量和控制目标量相同，检测精度低。所以应采用无功电流为检测量，无功功率为控制目标。
五、结论与建议
综上所述，本人认为，电力系统选择无功补偿应着重从以下八个方面来考虑：
1.选择低压无功补偿装置应优先考虑科技含量高、技术原理先进、质量可靠、功能完善、便于运行维护与分析的智能型设备。
2.合理选择电容器补偿的安装地点十分重要。应尽量选择在低压台区负荷中心，以取得最优的就地补偿效果，减少无功潮流在配电网络中的长距离传输，达到经济运行的最终目的。
3.根据市郊地区公用配变的容量、负荷与自然功率因数情况，应当合理选择低压无功补偿装置的补偿容量，一般以30～60 kvar为宜。
4.根据现代配电网络的运行管理需要，无功补偿设备也应具有先进的数据采集与储存分析功能，通过高速率采样监测电网各种交流量，并整点记录，便于对电网运行数据进行总结与分析。
5.装置应提供远红外或串行口通讯功能，可实现就地抄表，并提供强大的后台软件对历史运行数据进行分析与计算。
6.为便于现场安装，电流互感器可采用穿过与正线并联导线的安装方式。在软件中根据电流分配关系调整CT变比值，在不开断导线的同时同样能达到判断实际负荷电流目的，或选用成本较高的钳型电流夹式互感器。
7.由于配网负荷普遍存在三相负荷不平衡情况，建议在负荷较大的配变台区安装具有分相投切的无功补偿装置，根据"取平补齐"原则，以共补2～4组、分补1组或2组为宜。
8.为使低压无功补偿收到实效，有效降低配网线损、改善电压质量，在安装实施无功补偿后还要重视监视维护与分析工作，不能"只装不管"，因电容器组的安装只是无功补偿工作的开始。因此，供电部门应考虑制定相应的低压无功补偿设备运行维护制度，明确职责，落实到人，通过定期检查、采集运行数据与分析补偿效果，保证设备的安全可靠运行，并发挥实效。
作者简介：徐龙（1966.3--）男，汉，大专学历，多年从事机电专业及管理工作，现任神华新疆能源有限责任公司电力通信公司总工程师