低壓無功自動補償裝置的選擇與分析

 低壓無功自動補償裝置的選擇與分析

　　摘要： 本文介紹了在低壓配電網(wǎng)中無功自動補償裝置的選擇與應用，著重分析了無功自動補償裝置在配電線路上的補償方案，并對使用無功自動補償裝置的效益進行了深入的分析。

　　關(guān)鍵詞：低壓無功自動補償裝置,選擇與應用,效益分析

　　0、前言

　　電力系統(tǒng)的無功補償和優(yōu)化是電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟運行研究的一個重要組成部分。通過對電力系統(tǒng)無功電源的合理配置和對無功負荷的最佳補償，不僅可以維持電壓水平和提高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，而且可以降低有功損耗和無功網(wǎng)損，使電力系統(tǒng)能夠經(jīng)濟運行。

　　在河源市市區(qū)的中壓及以下電網(wǎng)綜合線損中，公變臺區(qū)的低壓網(wǎng)損耗占有很大的比重，可占總線損的50～70%。我市的低壓網(wǎng)絡(luò)損耗情況為：新整改或全新臺區(qū)一般為3～6%，中等情況的臺區(qū)一般為6～11%，差的或極差的臺區(qū)為10～20%，以下就以低壓損耗為6～11%的中等情況作為對象，結(jié)合城市低壓配電網(wǎng)的特點，通過理論計算及分析，尋求電容器最佳安裝位置，充分發(fā)揮無功補償可以減少線變損損失，提高電網(wǎng)輸送能力以及改善用戶電壓質(zhì)量的效益。

　　1、城市公變的低壓網(wǎng)無功補償原理分析。

　　無功補償基本原則：越靠近供電末端，經(jīng)濟效果越好，這是因為越靠近供電末端補償，補償點以上減少無功電流造成的線損級數(shù)越多和電氣距離越長，減少線損的總量也就越多。

　　目前我市一般公變無功補償方式為配變電源端裝設(shè)補償裝置，也是一種公變臺區(qū)的“集中”式補償方式。“集中”式補償其最大的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，維護方便，相對造價低，但是其產(chǎn)生補償效果只能惠及中壓及以上電網(wǎng)和設(shè)備，對公變的低壓網(wǎng)損耗起不到作用，要讓無功補償能降低低壓網(wǎng)損耗，必須將無功補償向用戶端延伸，這就需要分散性的無功補償。

　　根據(jù)線損理論：

　　△P=I2R

　　I=P/(U.Cosφ)

　　△P=P2R/(U.Cosφ)2

　　功率因數(shù)Cosφ從0.7提高到1.0時線損率可降低:

　　1-△P1/△P0=1-I12.R/I02.R=1-(P2.R/ U.Cosφ)2)/ P2.R/ U.Cosφ)2)

　　=1-Cos2φ0/ Cos2φ1=1-0.72/1.02=50%

　　U…系統(tǒng)電壓

　　P…系統(tǒng)輸送功率;

　　R…線路電阻;

　　Cosφ0、Cosφ1…補償前后的功率因數(shù)

　　△P0、△P1…補償前后的損失功率

　　I0、I1…補償前后的負荷電流

　　對中等情況的低壓網(wǎng)臺區(qū)原損耗6～11%來說，它的一半則是3～5.5%!當然這是理想狀態(tài)，真要做到還是不容易的，而低壓網(wǎng)功率因數(shù)從0.7提高到0.9是有可能做到的，而線損率按以上同樣計算可降低39.5%，也就是6～11%的39.5%，即2.4～4.3%，比如一個年供售電量在10億kWh，公變電量3億kWh(30%計)的中等營業(yè)區(qū)來說，那將是：(2.4～4.3%)*3億kWh=(720～1290)萬kWh的年降損量，降損效果極為顯著，經(jīng)濟效益明顯。

　　2、無功補償裝置的選擇

　　無功補償?shù)暮侠砼渲脩�按�?ldquo;分級補償，就地平衡”的原則進行配置，而且應滿足以下幾點要求：

　　2.1以分散補償為主。在城市配網(wǎng)中，低壓配電網(wǎng)的無功負荷與無功損耗占全網(wǎng)的70%以上，因此在低壓配電網(wǎng)中進行分散無功補償可以有效地減少電網(wǎng)的無功功率的輸送，降低線損。

　　2.2降損與調(diào)節(jié)器壓相結(jié)合。進行無功補償?shù)哪康氖菫榱诉_到無功電力就地平衡減少網(wǎng)絡(luò)中的無功損耗，以降低線損。與此同時，也可以利用補償裝置，改善電壓質(zhì)量。

　　根據(jù)以上的無功補償配置原則及要求，結(jié)合我市低壓配電網(wǎng)的負荷特點，應選用分相控制的無功補償裝置。

　　相控無功自動補償裝置是針對各相負荷動態(tài)變化的特征而設(shè)計的。它是能過單片計算機作為檢測和智能化控制的部件，可以分別把各相的動行參數(shù)(電壓、有功及無功的功率、功率因數(shù)、負載取用有功及載功功率、已投入補償?shù)臒o功功率及電流滯后時間等)進行存儲和自動控制各相的電容組投切。使各相功率因數(shù)均補償?shù)?.9以上，而不至于出現(xiàn)某相過補償，某相欠補償?shù)默F(xiàn)象，適應于公用低壓配電網(wǎng)的特點。自動裝置控制電容的自動投切，不致產(chǎn)生低負載(如晚上)期間的電壓升高。

　　相控無功自動補償裝置有戶內(nèi)及戶外結(jié)構(gòu)，特別是戶外結(jié)構(gòu)型比較適合低壓配電網(wǎng)以架空線為主的特點，安裝位置的選擇較容易。

　　3、線路上無功負荷的最優(yōu)：補償方案的分析

　　在低壓配電網(wǎng)中安裝無功補償裝置要達到最大效益，必須達到無功補償?shù)淖顑?yōu)補償位置、最佳安裝位置和降損效果。對于城市公用低壓配電網(wǎng)，線路負荷可以近似認為大致是沿主干線均勻分布的，線路的最優(yōu)補償分析如下：

　　3.1、低壓配電線路的理想數(shù)學模型

　　設(shè)一低壓配電線路主干線長為L，導線單位長的電阻為K，補償前線路始端的無功負荷電流為I，并設(shè)定正方向向右。如圖1所示。

　　則線路任意一點的無功電流為i=I-I·X/L，X指該點到線路始端的距離，0≤X≤L;在線路中某一點A進行補償，補償后線路始端無功負荷電流為I1，補償功率的補償電流為I2，補償點距離線路始端為L1，距離末端為L2，如圖2：

　　補償后補償點后AL2段始端的無功電流為I22， L1末端的無功電流為I21，則有以下關(guān)系：

　　I22=I2+I21I=I1+I2

　　I21=I1-I·L1/L

　　各段L1，L2上任意一點的無功電流可表示為：

　　i1=I1-IX1/L(0≤X1≤L1)

　　X1指該點距線路首端的距離;

　　i2=I22-X2/L(0≤X2≤L2)

　　X2指該點距A點的距離。

　　3.2、補償后電能損耗分析

　　電流在線路上引起的損耗即電流在整個線路電阻上的積分，因此，無功電流在L1、L2上的損耗△P1、△P2分別為：

　　分別將以上積分積出并化簡得到：

　　又因為：I1=I-I2 L2=L-L1

　　I22=I2+I21=I2+I1-IL1/L=I(L-L1)/L (3)

　　將(3)式分別代入(1)、(2)式，得到：

　　因此線路上的總損耗△P=△P1+△P2，由(4)+(5)得到：

　　可以看出，上式中△P是I2、L1的函數(shù)，為了求得△P的最小值，我們分別求△P對I2和L1的偏導數(shù)并化簡，由于在函數(shù)取得極值時的偏導數(shù)為0，便得到以下等式：

　　△P對I2求導得到：

　　△P對L1求導得到：

　　將(8)式化簡后得到：

　　I2=2I(L-L1)/L (9)

　　將(9)式代入(7)式得到：

　　L1=2L/3，所以L2=L/3I2=2I/3 (10)

　　3.3、理想狀態(tài)電壓損失校驗

　　根據(jù)以上確定的結(jié)果，在配電線路中，補償以前由無功電流引起的線路電壓損失為：

　　△U=KLI/2

　　補償以后，L21為負值，即方向向左，線路中出現(xiàn)了兩個電壓較低點，第一個為L1的中點，第二個為線路的末端。

　　由無功電流引起的線路中點對首端的電壓降落為：

　　因為I21的表達式-I1，所以，A點對L1中點的無功電壓降落為KIL/18，因此A點對線路首端的無功電壓降落為0。線路末端對A點的電壓降落：

　　因此，補償后線路上由無功電流引起的電壓降落最大的點有兩個，分別為線路的末端和1/3處，電壓降落為KIL/18。

　　3.4、補償方案的確定

　　由以上分析得知，城市公用低壓配電線路的補償位置應在配電線路距首端2/3處，補償?shù)娜萘繎獮闊o功負荷的2/3。此時的線路有功功率損耗達到最小值。在確定具體某一條配電線路的補償時，應充分調(diào)查該線路的平均無功負荷和最小無功負荷，這些數(shù)據(jù)可以從運行日志中獲得。當線路的最小無功負荷小于平均無功負荷的2/3時，考慮到無功不應倒送，可固定安裝的補償裝置，但應按最小無功負荷確定補償容量。當線路中有較大無功負荷點時，除應考慮與線路始端的距離外，也應考慮大的無功負荷點。選擇電容器時應考慮電容器的過電壓能力，耐受短路放電能力、涌流，以及運行環(huán)境和電容器的有功損耗等因素。

　　4、效益分析

　　提高低壓配電網(wǎng)的功率因數(shù)，可以減少低壓線路配變壓器以及中壓配電網(wǎng)輸送的無功功率，可以提高配電系統(tǒng)的供電能力。也可以減少配電變壓器以及線路的損耗，減少配電線損。

　　4.1提高低壓配電網(wǎng)功率因數(shù)可以充分發(fā)揮配電變壓器的潛力。

　　設(shè)配電變壓器額定容量為 ，補償前功率因數(shù)為 ，負荷率為 ，假設(shè)投入相控無功補償裝置后，功率因數(shù)提高到 ，則變壓器輸送容量 為：

　　4.2在低壓配電線路上安裝相控無功補償裝置，即可以減少低壓配電線路的損耗，還可以減少配電變壓器的繞組損耗。

　　年可減少的低壓配電線路損耗及變損電量可按如下計算：

　　(1)低壓配電線路的年減少損耗電量可根據(jù)下列公式計算：

　　式中：

　　S—計算負荷：

　　、 —補償前后的功率因數(shù);

　　—補償前全年線路電能損耗與傳輸電能的比值(一般取0.05-0.1)

　　—線路負載的年最大損耗小時數(shù)。

　　2變壓器年減少的變損電量可根據(jù)下列公式計算：

　　式中： —變繞組的短路損耗

　　另外，在低壓配電網(wǎng)上安裝補償裝置后，無功負荷進行了就地平衡，減少了中壓配電網(wǎng)輸送的無功負荷，提高了中壓配電網(wǎng)的功率因數(shù)，也可以減少中壓配電網(wǎng)的線路損耗。

　　因此，在城網(wǎng)低壓配電網(wǎng)中安裝相控無功補償裝置，是可以達到提高網(wǎng)絡(luò)供電能力及大幅度降低損耗的明顯效益。

　　5、結(jié)束語

　　通過以上的分析探討，在城網(wǎng)低壓配電網(wǎng)中合理選用和安裝無功補償裝置，是提高城網(wǎng)供電能力、降低城網(wǎng)線損率以及改善用戶供電電壓質(zhì)量行之有效的途徑。

　　參考文獻：

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