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摘 要：基于无功功率及其对电力系统可能造成的影响，在介绍无功补偿原理、作用和必要性的基础上，提出一种无功补偿技术，为配变无功补偿技术水平的不断提高提供参考借鉴。
关键词：配电变压器;无功补偿
中图分类号：TM421 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2019）03-0091-02
实践表明，无功功率会对电力系统正常运行造成很大影响，使电压降低、线损增加，设备无法使用。因此，需要配网无功补偿，尤其是配变无功补偿，在认识到无功补偿原理和作用及重要性的基础上，采取有效的补偿措施。
1 无功功率及其对电力系统造成的影响
对于传统意义上的无功功率，主要是对负荷和电源之间存在的能量交换进行的度量。而在科技快速发展趋势下，很多非储能元件开始吸收无功，其原因为器件具有非线性。在电力系统中，无功消耗包含以下两个方面：①线路消耗一定无功;②负荷消耗一定無功。对电能进行输送时，必须吸收无功，对于高压配网，为保证输送容量，并使系统处于稳定状态，通常要补偿无功，比如对线路实施串联补偿，对关键节点实施并联补偿。被负荷直接吸收的负载，也就是由感性负载或非线性负荷直接消耗的无功，比如生产生活过程中经常用到的变流设备，启动与使用过程中均会吸收无功，导致电网的电压产生波动或畸变[1]。
研究表明，感性负载会使功率因素明显降低，使电力系统受到不良影响，包括：发电及输变电设备自身输电能力均大幅降低，不仅影响正常运行效率，而且还会增加成本;使输电损耗明显增大，系统运行效益受到很大影响;电压损耗提高，导致电压产生波动或闪变。
2 无功补偿主要作用分析
在不同的用电设备当中，仅白炽灯与部分发热的设备不消耗无功，数量很少的同步电动机能产生无功，但绝大多数设备均需消耗无功。对此，各级用户都在滞后功率因素条件下运行，没有得到补偿时，功率因素在0.6～0.9范围内。对于变压器和电动机等负荷，很多都是感性负载，运行时要提供足够无功功率。将补偿装置设在电网中后，能增加感性电抗器实际消耗的无功，使电网直接向感性负载及线路提供的无功减少，因减少的这部分无功会在电网中持续流动，所以能降低由无功输送产生的损耗，此即为无功补偿。实践表明，无功补偿能有效改善功率因数，效果显著且经济合理。
在电力系统运行中，无功补偿至关重要，确定合适的补偿点，既能维持电压的水平，还能提高系统实际运行可靠性，并且还具备防止无功远距传递的功能，最终实现减少线损和保证系统安全稳定运行的目标。
无功补偿主要具有下列几点作用：①改善功率因数，保证设备实际利用率，减小设备需要达到的容量，避免线路或设备产生较大损耗，有效节约电能;②保证电网和受电端实际电压的稳定性，使电能质量符合预期要求。另外，将补偿装置设在长距离输电线路当中，能改善线路运行稳定性，增强输电能力;③当三相负载无法达到平衡时，采用补偿装置，能辅助三相负载达到并保持平衡;④能有效增加线路、变压器及发电器实际备用量;⑤降低配变容量，节省成本。
无功补偿的目的是使电网实现无功平衡，保证从电源产生的无功功率和无功负荷及损耗保持平衡。如果无功功率较低，则无功平衡则是通过电压下降或电压调节来实现的。若系统中有十分充足的无功电源，可以满足在电压水平相对较高时达到无功平衡的基本需求，则系统的运行将具备很高电压水平;相反，若无功不足，则系统运行电压水平必然很低。基于此，在实际工作中必须做到无功平衡，同时按照这一要求采用合适的补偿装置。在电力系统当中，电机是典型的无功电源，此外还包括动态补偿装置和静电电容器[2]。
如今，我国经济飞速发展，这有赖于电力系统逐步扩大，同时产业与经济的发展对系统运行稳定性和可靠性也提出了越来越高的要求。对电网的运行环境进行改善，保证功率因素，降低损耗，是一项综合性工作。电力负荷当中，多数为感性负载，其投入运行后，不仅消耗有功功率，而且还会吸收无功。通过对相关资料的研究分析可知，无功可以达到有功总量1.3倍左右。无功主要由电厂产生，会降低受电端功率因数，造成损耗增加、电压下降、设备无法良好利用等后果。如果系统严重缺少无功，则会进入崩溃状态。事实上，无功功率的增加实际上就是视在功率明显增加，此时对系统是有一定影响的，比如元件容量明显增加，费用提高;电流的升高会增加设备及线路损耗等。因此，通过发电机来增加无功，然后由线路进行传递的做法是不可行的，也是很难实现的。最好的做法就是采用补偿装置，或引入新型无功补偿技术。
3 配电变压器无功补偿
针对无功消耗问题，从配电变压器角度讲，需要采用一体化的动态无功补偿技术，即DT-STATCOM，它把无功补偿与配电变压器充分集成到一起，并对配电变压器各侧实际信息进行充分利用，从而对高电压和低电压之间交汇处的电能质量和无功功率进行补偿控制。
调查发现，在当前很多配网中使用的传统变电站，其容量利用率都很低，通常情况下，其负载率只有0.5～0.6（公用箱式）。对此，该技术最大限度利用富余容量来实现无功补偿。该系统基本结构如图1所示。由图1可以看出，只需将常规连接抽头安装在高压侧使这一补偿单位借助抽头对负载和变压器进行综合补偿。
由抽头不断向系统提供补偿功率，使配变功率分布发生明显变化。基于此，应以配变容量及负载率水平为依据，对补偿单位实际输出进行严格控制，确保在最大限度利用剩余容量基础上，防止绕组过载。比如某采用“Y”型联结方式的变压器，其绕组基本结构如图2所示[3]。 从图2可以看出，完成对抽头的设置以后，配变新形成的结构与三绕组自耦十分相似，抽头可把整个高压绕组分成两部分，即串联与公共的绕组。从自耦变压器特性与规律看，这两个绕组实际通过容量完全相等。基于此，在补偿过程中如果公共绕组实际传递的功率小于原绕组，则可以有效防止变压器过载[4]。
将配变额定容量设为Sr，平均负载率设为β，自耦绕组的变比设为WAO/Wc=k12，其中，WAO表示高压侧绕组总匝数，公共绕组对应的视在功率可采用以下公式计算：
Sc=■βSr（1）
则富余功率可表示为：
Se=■=■■（2）
如果系統仅为负载传递有功功率，则补偿单位能利用所有富余容量进行无功功率的传输，此时，对于无功容量，其标幺值可表示为：
S■■■=■（3）
在配网中，通常要求配变端口有不小于0.9的功率因数。将负载的功率因数设为cos？准，则根据相同基准对负载需要的标幺值进行计算：
ΔQ*=β■-0.48cos？准（4）
当负载率与绕组变比有所不同时，该技术能补偿的具体范围会出现明显变化，实际标幺值都在10%以上，符合相关技术规范与标准。如果负载率为0.65，且功率因数减小到0.6，则需要的无功功率明显增加，但对应的标幺值依然在30%以内。因在居民区中采用的箱变，其典型负载率普遍为0.3，对应约10%的标幺值。基于此，采用这项补偿技术，能满足箱变和负载产生的无功消耗要求[5]。
4 结束语
综上所述，虽然目前的配变无功补偿技术得到很大进步，但在线损率与节电的分析方面还较为落后，同时也没有可行的改进方法。对此，对配网及配变进行深入的节电分析和无功优化研究，是保证配网及配变安全、稳定且经济运行，并创造良好经济效益的关键所在，有着十分广阔的应用及发展前景。
参考文献
[1]张 起，朱连勇，王 军.基于配电变压器无功补偿技术的研究[J].东北电力技术，2017，38（11）：35～39.
[2]陈晓春，王曜飞，宋亚夫.配电变压器无功补偿容量分析系统研究[J].重庆科技学院学报（自然科学版），2017，19（1）：112～117.
[3]李广宇，周和平.10kV配电变压器低压侧无功补偿方式探讨[J].电器与能效管理技术，2014（6）：50～53.
[4]林育锦.配电变压器低压侧无功补偿方式及优化探讨[J].机电技术，2015（2）：58～59.
[5]张惠娟，韩 叶，申 晨.配电变压器励磁电流无功补偿研究与应用[J].电工技术学报，2015（s1）：428～433.
收稿日期：2018-12-2
作者简介：杨 春（1990-），女，助理工程师，本科，主要从事电气技术管理工作。
韦永生（1992-），男，助理工程师，本科，主要从事电气技术工作。
关键词：配电变压器;无功补偿
中图分类号：TM421 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2019）03-0091-02
实践表明，无功功率会对电力系统正常运行造成很大影响，使电压降低、线损增加，设备无法使用。因此，需要配网无功补偿，尤其是配变无功补偿，在认识到无功补偿原理和作用及重要性的基础上，采取有效的补偿措施。
1 无功功率及其对电力系统造成的影响
对于传统意义上的无功功率，主要是对负荷和电源之间存在的能量交换进行的度量。而在科技快速发展趋势下，很多非储能元件开始吸收无功，其原因为器件具有非线性。在电力系统中，无功消耗包含以下两个方面：①线路消耗一定无功;②负荷消耗一定無功。对电能进行输送时，必须吸收无功，对于高压配网，为保证输送容量，并使系统处于稳定状态，通常要补偿无功，比如对线路实施串联补偿，对关键节点实施并联补偿。被负荷直接吸收的负载，也就是由感性负载或非线性负荷直接消耗的无功，比如生产生活过程中经常用到的变流设备，启动与使用过程中均会吸收无功，导致电网的电压产生波动或畸变[1]。
研究表明，感性负载会使功率因素明显降低，使电力系统受到不良影响，包括：发电及输变电设备自身输电能力均大幅降低，不仅影响正常运行效率，而且还会增加成本;使输电损耗明显增大，系统运行效益受到很大影响;电压损耗提高，导致电压产生波动或闪变。
2 无功补偿主要作用分析
在不同的用电设备当中，仅白炽灯与部分发热的设备不消耗无功，数量很少的同步电动机能产生无功，但绝大多数设备均需消耗无功。对此，各级用户都在滞后功率因素条件下运行，没有得到补偿时，功率因素在0.6～0.9范围内。对于变压器和电动机等负荷，很多都是感性负载，运行时要提供足够无功功率。将补偿装置设在电网中后，能增加感性电抗器实际消耗的无功，使电网直接向感性负载及线路提供的无功减少，因减少的这部分无功会在电网中持续流动，所以能降低由无功输送产生的损耗，此即为无功补偿。实践表明，无功补偿能有效改善功率因数，效果显著且经济合理。
在电力系统运行中，无功补偿至关重要，确定合适的补偿点，既能维持电压的水平，还能提高系统实际运行可靠性，并且还具备防止无功远距传递的功能，最终实现减少线损和保证系统安全稳定运行的目标。
无功补偿主要具有下列几点作用：①改善功率因数，保证设备实际利用率，减小设备需要达到的容量，避免线路或设备产生较大损耗，有效节约电能;②保证电网和受电端实际电压的稳定性，使电能质量符合预期要求。另外，将补偿装置设在长距离输电线路当中，能改善线路运行稳定性，增强输电能力;③当三相负载无法达到平衡时，采用补偿装置，能辅助三相负载达到并保持平衡;④能有效增加线路、变压器及发电器实际备用量;⑤降低配变容量，节省成本。
无功补偿的目的是使电网实现无功平衡，保证从电源产生的无功功率和无功负荷及损耗保持平衡。如果无功功率较低，则无功平衡则是通过电压下降或电压调节来实现的。若系统中有十分充足的无功电源，可以满足在电压水平相对较高时达到无功平衡的基本需求，则系统的运行将具备很高电压水平;相反，若无功不足，则系统运行电压水平必然很低。基于此，在实际工作中必须做到无功平衡，同时按照这一要求采用合适的补偿装置。在电力系统当中，电机是典型的无功电源，此外还包括动态补偿装置和静电电容器[2]。
如今，我国经济飞速发展，这有赖于电力系统逐步扩大，同时产业与经济的发展对系统运行稳定性和可靠性也提出了越来越高的要求。对电网的运行环境进行改善，保证功率因素，降低损耗，是一项综合性工作。电力负荷当中，多数为感性负载，其投入运行后，不仅消耗有功功率，而且还会吸收无功。通过对相关资料的研究分析可知，无功可以达到有功总量1.3倍左右。无功主要由电厂产生，会降低受电端功率因数，造成损耗增加、电压下降、设备无法良好利用等后果。如果系统严重缺少无功，则会进入崩溃状态。事实上，无功功率的增加实际上就是视在功率明显增加，此时对系统是有一定影响的，比如元件容量明显增加，费用提高;电流的升高会增加设备及线路损耗等。因此，通过发电机来增加无功，然后由线路进行传递的做法是不可行的，也是很难实现的。最好的做法就是采用补偿装置，或引入新型无功补偿技术。
3 配电变压器无功补偿
针对无功消耗问题，从配电变压器角度讲，需要采用一体化的动态无功补偿技术，即DT-STATCOM，它把无功补偿与配电变压器充分集成到一起，并对配电变压器各侧实际信息进行充分利用，从而对高电压和低电压之间交汇处的电能质量和无功功率进行补偿控制。
调查发现，在当前很多配网中使用的传统变电站，其容量利用率都很低，通常情况下，其负载率只有0.5～0.6（公用箱式）。对此，该技术最大限度利用富余容量来实现无功补偿。该系统基本结构如图1所示。由图1可以看出，只需将常规连接抽头安装在高压侧使这一补偿单位借助抽头对负载和变压器进行综合补偿。
由抽头不断向系统提供补偿功率，使配变功率分布发生明显变化。基于此，应以配变容量及负载率水平为依据，对补偿单位实际输出进行严格控制，确保在最大限度利用剩余容量基础上，防止绕组过载。比如某采用“Y”型联结方式的变压器，其绕组基本结构如图2所示[3]。 从图2可以看出，完成对抽头的设置以后，配变新形成的结构与三绕组自耦十分相似，抽头可把整个高压绕组分成两部分，即串联与公共的绕组。从自耦变压器特性与规律看，这两个绕组实际通过容量完全相等。基于此，在补偿过程中如果公共绕组实际传递的功率小于原绕组，则可以有效防止变压器过载[4]。
将配变额定容量设为Sr，平均负载率设为β，自耦绕组的变比设为WAO/Wc=k12，其中，WAO表示高压侧绕组总匝数，公共绕组对应的视在功率可采用以下公式计算：
Sc=■βSr（1）
则富余功率可表示为：
Se=■=■■（2）
如果系統仅为负载传递有功功率，则补偿单位能利用所有富余容量进行无功功率的传输，此时，对于无功容量，其标幺值可表示为：
S■■■=■（3）
在配网中，通常要求配变端口有不小于0.9的功率因数。将负载的功率因数设为cos？准，则根据相同基准对负载需要的标幺值进行计算：
ΔQ*=β■-0.48cos？准（4）
当负载率与绕组变比有所不同时，该技术能补偿的具体范围会出现明显变化，实际标幺值都在10%以上，符合相关技术规范与标准。如果负载率为0.65，且功率因数减小到0.6，则需要的无功功率明显增加，但对应的标幺值依然在30%以内。因在居民区中采用的箱变，其典型负载率普遍为0.3，对应约10%的标幺值。基于此，采用这项补偿技术，能满足箱变和负载产生的无功消耗要求[5]。
4 结束语
综上所述，虽然目前的配变无功补偿技术得到很大进步，但在线损率与节电的分析方面还较为落后，同时也没有可行的改进方法。对此，对配网及配变进行深入的节电分析和无功优化研究，是保证配网及配变安全、稳定且经济运行，并创造良好经济效益的关键所在，有着十分广阔的应用及发展前景。
参考文献
[1]张 起，朱连勇，王 军.基于配电变压器无功补偿技术的研究[J].东北电力技术，2017，38（11）：35～39.
[2]陈晓春，王曜飞，宋亚夫.配电变压器无功补偿容量分析系统研究[J].重庆科技学院学报（自然科学版），2017，19（1）：112～117.
[3]李广宇，周和平.10kV配电变压器低压侧无功补偿方式探讨[J].电器与能效管理技术，2014（6）：50～53.
[4]林育锦.配电变压器低压侧无功补偿方式及优化探讨[J].机电技术，2015（2）：58～59.
[5]张惠娟，韩 叶，申 晨.配电变压器励磁电流无功补偿研究与应用[J].电工技术学报，2015（s1）：428～433.
收稿日期：2018-12-2
作者简介：杨 春（1990-），女，助理工程师，本科，主要从事电气技术管理工作。
韦永生（1992-），男，助理工程师，本科，主要从事电气技术工作。