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无功补偿方案比较及元器件的选择
张凤兰，刘连光
华北电力大学
北京市昌平区 102206
摘要：无功补偿对电网的安全、优质、经济运行具有重要作用。合理选择无功补偿方案和补偿技术意义重大。本文重点分析、比较了配电网常用无功补偿方案的特点，并结合电网谐波污染严重的现状就无功补偿器件的选择方面提出了几点注意事项。
关键词：配电网，无功补偿，补偿方案，谐波污染
1、引言
解决电力供应紧张的问题，除了加快电厂建设以外，采用合理的无功补偿不失为一条有效的途径。做好无功补偿工作，不但可起到扩大现有输变电设备供电能力、改善电能质量、降低线路损耗、缓解供电能力不足的作用，而且还能取得良好的经济效益，延长供用电设备的使用寿命、降低用户的电费支出等。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。
2、配电网无功补偿方案比较
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。
2.1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，但这种补偿方案对10kV配电网的降损不起作用。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。
2.2
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。目的是提高低压变用户功率因数，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。另外，配电系统负荷情况复杂，系统存在谐波、三相不平衡，以及防止出现过补偿等问题。
2.3
配电线路固定补偿
大量配电变压器要消耗无功，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。线路补偿既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。除此还存在保护难配置、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。
2.4
用电设备随机补偿
在10kV以下电网的无功消耗总量中，变压器消耗占30％左右，低压用电设备消耗占65％以上。由此可见，在低压用电设备上实施无功补偿十分必要。从理论计算和实践中证明，低压设备无功补偿的经济效果最佳，综合性能最强，是值得推广的一种节能措施。其实早在1981年中华人民共和国国务院节能指令第二号第13条就明确指出：“既要满足全区或地区电网总的无功电力平衡，又要满足分所分线路的无功电力平衡；要集中补偿与分散补偿相结合，以分散为主；降损与调压相结合，以降损为主；做到供电部门与用户同步补偿。”
感应电动机是消耗无功最多的低压用电设备，故对于油田抽油机、矿山提升机、港口卸船机等厂矿企业的较大容量电动机，应该实施就地无功补偿，即随机补偿。与前三种补偿方式相比，随机补偿更能体现以下优点：
1）线损率可减少20%；
2）改善电压质量，减小电压损失，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。
3、谐波对无功补偿设备的影响
随着各种新型电子装置（主要是非线性负载）的安装使用，在大量消耗无功的同时还会产生大量的谐波，对公用电网造成严重的污染。谐波这一电网的公害已经引起相关部门越来越多的关注：根据GB/T14549-1993《电能质量
公用电网谐波》的要求必须对各种非线形负载注入电网的谐波电压和谐波电流加以限制。当负载产生谐波或者供电系统中存在谐波且超标时，需要设置滤波无功补偿装置；在一些特殊场合，虽然谐波未超过标准规定，但已经影响系统的正常工作时，也需要设置滤波无功补偿装置。所以，当电网中存在谐波时不适宜用电容器单体进行无功补偿。电容器比其他电气设备更容易受谐波影响和损坏，谐波对电容器的影响有以下几种：
1）
引起电容器工作电压的升高
当电容器接入电网后，电容器两端的电压中含有高次谐波时，其有效值为：
U =
自愈式金属化并联电容器是用金属化聚丙烯薄膜进行绕卷而制成的,
它的绝缘介质聚丙烯薄膜与其它品种的电容器一样,
会逐渐老化,
其老化的速度与施加电压、使用温度等条件有关。一般认为,
电压升高10%
, 寿命降低一半。具体可用下式表示:
 =
其中： 为额定电压； 为额定电压下电容器的使用寿命；U为实际的工作电压；为过电压下电容器的使用寿命； 为常数，一般取7～9。
谐波引起电容器工作电压升高，进而会降低电容器的使用寿命。
2）
导致电容器过电流和过负荷
由于电容器的阻抗和频率成反比，从而在高次谐波下，通过电容器的谐波电流有效值为：
 =
h C ,可得电容器工作电流的有效值为：
I = =
C
3）
电容器的介质损耗增加
在谐波情况下，电容器的介质损耗可用下式计算：P
=
C tg
当频率增加时，损耗也会增加。电容器的介质损耗增加会引起电容器发热，导致热击穿，严重影响电容器的寿命。
4）
谐振引起谐波放大
由于电容器的阻抗与频率成反比，系统中感性负载的阻抗与频率成正比，在谐波频率下两者可能会发生串联谐振和并联谐振造成谐波放大。其谐振频率随补偿容量的增加而减小，而谐波放大的危险性也就越高。谐振频率可由下式得到：
f =
f *
其中 为系统的短路容量；Q为补偿的无功容量。
所以，为了使电容器安全的进行无功补偿，最好应用串联电抗器的无功补偿装置。
4、无功补偿元件的选取
在存在谐波的情况下做无功补偿时，一定要用串联电抗器的补偿装置，使其在基波频率下做无功补偿，在谐波频率下表现电感性，避免发生谐振，防止谐波放大。在元器件的选用上应该注意以下三个方面的内容：
1）
串联电抗器与电容器的谐振频率的选择
串联电抗器的选择主要考虑电抗器和电容器回路的谐振频率必须低于谐波负荷所产生的最低阶次的谐波频率，此外，还应考虑串联回路对谐波电流的分流。例如，选择电抗率为4.5%或5.0%的电抗器以防止五次谐波放大时,其引入电容器的谐波电流大于五次谐波电流总量的一半;同理,选择电抗率为12%的电抗器以防止三次谐波放大时,其引入电容器的谐波电流大于三次谐波电流总量的一半。考虑到电抗器和电容器的制造偏差，即元件损坏导致容抗变化后，串联电抗百分率也会随之变化的可能性，谐振频率与系统可能存在的谐波之间要留有一定的裕量。所以，系统存在的最低阶次的谐波为5th
(200Hz)时，建议串联电抗率为7%的电抗器(谐振频率为189Hz)；系统存在的最低阶次的谐波为3th
(150Hz)时,则电抗器的感抗可设计为XL=12.5%XC
(谐振点为141Hz)。
2）
电容器的耐压及最大过载电流的选择
因为并联电容器需要长期、全额在电网中工作，而电容器故障的一个主要原因是由于过电压引起电容器材料绝缘水平的降低，最后导致绝缘击穿而使电容器受损，所以一定要重视电容器额定电压的选取。回路中电容器的额定电压的选取由下列因素决定：a)供电网的电压水平；b)串联电抗器带来的压升。由电工学原理可知，当电容器与电抗器组成串联回路再接入电网时，电容器两端的电压会高于电网电压，其升高幅度由串联电抗器的电抗率（P）决定：U =U/（1-P）；c）背景谐波电压带来的压升。当电容器在含有谐波的环境下工作时，谐波电压将叠加到电容器的基波电压上，使电容器的实际电压升高。根据IEEE519规定：谐波电压至少应考虑V3=0.5%VS
, V5=5%VS ,V7=5%VS
(低压)；
4）并联电容器补偿能够提升系统的端电压。
电容器对于运行电流的要求也非常严格，不可以在运行电流超过最大过载电流的情况下运行,因为过电流导致的绝缘介质击穿不仅降低电容器的使用寿命还会导致电容器鼓肚和爆炸。基于现在的电网水平，谐波电流的污染日益严重，所以，增大电容器的最大过载电流能力是保证安全运行的必要措施。
3）
串联电抗器的选择
串联电抗器与电容器组成串联回路后也需要长时间承受不断增加的负荷，尤其谐波电流流经电抗器时会发生集肤效应，使电抗器表面绝缘层老化，所以选取串联电抗器要注意以下几点：a)电抗值稳定，不随运行工况的变化而改变；b)动稳定性能好，抗短时大电流冲击能力强，对铁心串联电抗器应能承受25倍额定电流、干式空心串联电抗器应能承受额定电抗率的倒数倍电流的作用而不产生任何机械损伤；
c)不同结构串联电抗器还要能承受上述电流2s而不产生任何热损伤。
5、结论
综上所述，电网无功补偿是一项建设性的技术措施，对电网安全、优质、经济运行有重要作用。根据电网和负载的特点选择合理的补偿方式是有效补偿的关键。针对目前电网谐波污染严重的现状，在做无功补偿时一定要选择合适的装置，避免谐振和谐波放大的现象发生。
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