无功补偿在设计实践中的运用
关键词：无功补偿，功率因数，补偿方式，接触器投切，降损节能，补偿控制器，滤波
引言：电网中的变压器、电机、感应加热器、线圈等感性负载的电流滞后产生的磁场反向能称为无功功率。电力的输送也会产生大量的无功功率，无功功率导致增加电能消耗及用电成本、增大电网功率损耗和引起电网压降、降低输电效率、增加变压器损耗及配电电缆的尺寸，引发瞬变、暂态、波动、畸变、下凹等。
我国配电网的规模巨大，因此配电网无功补偿对降损节能，改善电压质量意义重大。因此无功补偿是电力部门和用户共同关注的问题。合理选择无功补偿方案和补偿容量，能有效提高系统的电压稳定性，保证电网的电压质量，提高发输电设备的利用率，降低有功网损和减少发电费用。
合理的选择补偿装置，可以做到最大限度的减少网络的损耗，使电网质量提高。反之，如选择或使用不当，可能造成供电系统，电压波动，谐波增大等诸多因素。
1、无功功率补偿的作用
1.1改善功率因数及相应地减少电费
根据国家水电部，物价局颁布的“功率因数调整电费办法”规定三种功率因数标准值，相应减少电费：
(1)高压供电的用电单位，功率因数为0.9以上。
(2)低压供电的用电单位，功率因数为0.85以上。
(3)低压供电的农业用户，功率因数为0.8以上。
根据“办法”，补偿后的功率因数以分别不超出0.95、0.94、0.92为宜，因为超过此值，电费并没有减少，相反初次设备增加，是不经济的。
1.2降低系统的能耗
功率因数的提高，能减少线路损耗及变压器的铜耗。
设R为线路电阻，ΔP1为原线路损耗，ΔP2为功率因数提高后线路损耗，则线损减少
ΔP=ΔP1－ΔP2=3R(I12－I22)
比原来损失减少的百分数为
(ΔP/ΔP1)×100％=1－(I2/I1)2•100％
式中，I1=P/(U1cosφ1)，I2=P/(U2cosφ2)补偿后，由于功率因数提高，U2>U1，为分析方便，可认为U2≈U1，则θ=[1－(cosφ1/cosφ2)2]•100％
当功率因数从0.8提高至0.9时，通过上式计算，可求得有功损耗降低21％左右。在输送功率P=UIcosφ不变情况下，cosφ提高，I相对降低，设I1为补偿前变压器的电流，I2为补偿后变压器的电流，铜耗分别为ΔP1，ΔP2；铜耗与电流的平方成正比，即
ΔP1/ΔP2=I22/I12
由于P1=P2，认为U2≈U1时，即I2/I1=cosφ1/cosφ2
可知，功率因数从0.8提高至0.9时，铜耗相当于原来的80％。
1.3减少了线路的压降
由于线路传送电流小了，系统的线路电压损失相应减小，有利于系统电压的稳定(轻载时要防止超前电流使电压上升过高)，有利于大电机起动。
1.4增加了供电功率，减少了用电贴费
对于原有供电设备来讲，同样的有功功率下，cosφ提高，负荷电流减小，同时降低了变压器容量，减少了投资费用，同时也减少了运行后的基本电费。
2无功补偿的装置主要有两种，利用同步电动机补偿和并联电力电容器，在工业与民用设计中，我们经常遇到的是并联电力电容器补偿。当经技术经济比较，确认采用同步电动机作为无功补偿合理时，才可采用同步电动机作为无功补偿装置。
3就地补偿与集中补偿的技术经济分析
配电网无功补偿方案有变电站集中补偿、配电变低压补偿、配电线路固定补偿和用电设备分散补偿。四种方案示意图见图1所示。
3.1变电站集中补偿
变电站集中补偿装置包括并联电容器、同步调相机、静止补偿器等，主要目的是平衡输电网的无功功率，改善输电网的功率因数，提高系统终端变电所的母线电压，补偿变电站主变压器和高压输电线路的无功损耗。这些补偿装置一般集中接在变电站10kV母线上，因此具有管理容易、维护方便等优点。
为实现变电站的电压/无功综合控制，通常采用并联电容器组和有载调压抽头协调调节。鉴于变电站无功补偿对提高高压电网功率因数，维持变电所母线电压和平衡系统无功有重要作用，因此应根据负荷的增长安排、设计好变电站的无功补偿容量，运行中在保证电压合格和无功补偿效果最好的情况下，尽可能使电容器组投切开关的操作次数为最少。
3.2配电线路固定补偿
大量配电变压器要消耗无功，但是很多公用变压器没有安装低压补偿装置，造成的很大无功缺额需要变电站或发电厂承担，大量的无功沿线传输使得配电网的网损居高难下，这种情况下可考虑配电线路无功补偿。
线路补偿一般通过在线路杆塔上安装电容器实现无功补偿。由于线路补偿远离变电站，因此存在保护难配置、控制成本高、维护工作量大、受安装环境限制等问题。因此，线路补偿的补偿点不宜过多；控制方式应从简，一般不采用分组投切控制；补偿容量也不宜过大，避免出现过补偿现象；保护也要从简，可采用熔断器和避雷器作为过电流和过电压保护。
线路补偿主要提供线路和公用变压器需要的无功，工程问题关键是选择补偿地点和补偿容量。线路补偿具有投资小、回收快、便于管理和维护等优点，适用于功率因数低、负荷重的长线路。线路补偿一般采用固定补偿，因此存在适应能力差，重载情况下补偿度不足等问题。自动投切线路补偿仍是需研究的课题。
3.3配电变低压补偿
配电变低压补偿是目前应用最普遍的补偿方法。由于用户的日负荷变化大，通常采用微机控制、跟踪负荷波动分组投切电容器补偿，总补偿容量在几十至几百千乏不等。目的是提高专用变用户功率因数，实现无功的就地平衡，降低配电网损耗和改善用户电压质量。
配电变低压无功补偿的优点是补偿后功率因数高、降损节能效果好。但由于配电变压器的数量多、安装地点分散，因此补偿工程的投资较大，运行维护工作量大，也因此要求厂家要尽可能降低装置的成本，提高装置的可靠性。
