电力系统电压与无功补偿

本文格式为Word版，下载可任意编辑——电力系统电压与无功补偿电力系统电压与无功补偿（之二）汪延宗陈利飞北京电力公司（100031）

除了用改变电力网参数来减少电压损耗以外，改变电压损耗的另一个重要方面是改变电网元件中传输的功率。即改变表达式中的P和Q的大小，在满足负荷有功功率的前提下，要改变供电线路、变压器传输的有功功率，是比较困难的，往往是不可能的。因此，改变线路、变压器传输功率都是改变其无功功率，使表达式中的Q减少。由此我们引出无功功率的几个十分重要的关键的概念。

2.1无功功率补偿概念

当今电厂受水、环保等多方面的制约，它的位置越来越远离负荷中心，即使建在靠近负荷点，由于单机容量越来越大，发电机的额定功率因数也越来越高，这样，电网实际接受的无功功率就越来越少，单靠发电机发出的无功功率远远不能满足电网对无功功率的需要，必需配置各种无功功率补偿装置。

例如：目前北京地区有功负荷的2/3电力要从XX、内蒙、XX等地远距离用超高压500kV线路送来，为了能接受到这么多的有功功率，必需在北京地区负荷中心装设相应数量的无功功率补偿电力设施(一般为1kW的有功电力配1kvar的无功电力补偿设施)见图7。

2.2无功功率就地补偿的概念

无功补偿装置的分布，首先要考虑调压的要求，满足电网电压质量指标。

同时，也要避免无功功率在电网内的长距离传输，减少电网的电压损耗和功率损耗。无功功率补偿的原则是做到无功功率分层分区平衡，就是要做到哪里有无功负荷就在那里安装无功补偿装置。这既是经济上的需要，也是无功电力特征所必需的，假使不这样做，就达不到最正确补偿的目的，解决不了无功电力就地平衡的问题。

2.3无功功率平衡的概念

宛如有功功率平衡一样，电力系统的无功功率在每一刻也必需保持平衡。在电力系统中，频率与有功功率是一对统一体，当有功负荷与有功电源出力相平衡时，频率就正常，达到额定值50Hz，而当有功负荷大于有功出力时，频率就下降，反之，频率就会上升。电压与无功功率也和频率与有功功率一样，是一对对立的统一体。当无功负荷与无功出力相平衡时，电压就正常，达到额定值，而当无功负荷大于无功出力时，电压就下降，反之，电压就会上升。

但是，需要说明的是电压与无功功率之间的关系要比频率与有功功率之间的关系繁杂得多，大体上有以下几点：

①在一个并列运行的电力系统中，任何一点的频率都是一样的，而电压与无功电力却不是这样的。当无功功率平衡时，整个电力系统的电压从整体上看是会正常的，是可以达到额定值的，即便是如此，也是指整体上而已，实际上有些节点处的电压并不一定合格，假使无功不是处于平衡状态时，那么状况就更繁杂了，当无功出力大于无功负荷时，电压普遍会高一些，但也会有个别地方可能低一些，反之，也是如此。

②系统需要的无功功率远远大于发电机所能提供的无功出力，这是由于现代超高压电网包括各级变压器和架空线路在传送电能时需要消耗大量的无功，

称为\无功损耗\，一般来说，这些无功损耗与整个电网中的无功负荷的大小是差不多的，我们以一台50MVA的110kV变压器为例来了解变压器在运行中的无功损耗状况。

变压器的参数为：Ue=110kV，Se=50MVA，Uk%=17%，变压器在传送电能时的无功损耗的计算式为：

Q=SeUk%(I/Ie)2

式中I--变压器的负荷电流；

Ie--变压器的额定电流，与变压器的无功损耗与变压器的负载率、变压器的额定容量及短路阻抗有关。

假使这台变压器满负荷运行，那么它的无功损耗就是：Q=50MVA×17%=8.5Mvar

此时变压器的无功损耗相当大，其低压侧安装的并联电容器组的容量甚至不够补偿变压器满负荷时的无功损耗。

③无功功率不宜远距离输送，当输送功率与传送距离达到一定极限时，其传送功率成为不可能，这是由于超高压等级的变压器、线路电抗较大，其无功损耗Q=I2X相应也很大，所输送的无功功率均损耗在变压器及线路上了。另外，传送大量的无功功率时，线路电压损失也相当大，同样会造成无法传送的结果。

合理的就地无功补偿对调整系统电压、降低线损有十分重要的作用。设有一条110kV线路选用LG-300型导线(导线电阻0.095W/km)线路全长20km，输送有功功率30MW，无功功率40Mvar，下面分别计算在功率因数cosf=0.6和0.9时线路的功率损耗和应补偿的无功功率。此题只计算导线电阻的功

率损耗，不考虑其它因素。

1)在cosf=0.6时，此时有功P=30MW，无功Q=40Mvar，视在功率S=50MVA，电流I=S/U=50MVA/(110kV×3)=263A，功率损耗P=I·R=263×0.095×20×3=394kW。

2)在cosf=0.9时，此时有功功率P=30MW，视在功率S=33.333MVA，无功功率Q=14.528Mvar，I=S/U=33.333MVA/(110kV×31/2)=175A，功率损耗P=I2·R=1752×0.095×20×3=175kW。应补偿无功容量=40-14.528=25.472Mvar。

补偿前后有功损耗相差219kW。由计算结果可知补偿无功功率25.472Mvar后每小时可降低线损219kWh。

无功补偿对电力系统的重要性越来越受到重视，合理地投停使用无功补偿设备，对调整电网电压、提高供电质量、抑制谐波干扰、保证电网安全运行都有着十分重要的作用。

无功补偿装置的合理使用可以给供电企业带来巨大的经济效益。对于像北京电力公司这样的大企业来说，线损每降低0.1个百分点，就可以增加上千万元收入。

从根本上说，要维持整个系统的电压水平，就必需有足够的无功电源来满足系统负荷对无功功率的需求和补偿线路和变压器中的无功功率损耗。

假使系统无功电源不足，则会使电网处于低电压水平上的无功功率平衡，即靠电压降低、负荷吸收无功功率的减少来弥补无功电源的不足。同样，假使由于电网缺乏调理手段或无功补偿元件的不合理运行使某段时间无功功率过剩，也会造成整个电网的运行电压过高。

1/2

2

2

我国电网曾在20世纪70年代由于缺乏无功功率补偿设备而长期处于低电压运行状态。有些地方想用调理变压器分接头的方法来解决本地区电压低的问题。开始，这种方法也有一些效果，某些供电点电压升高了，但这是以降低别处电压为代价的，由于总的无功电源不足，局部地区电压升高无功负荷增大，必然使别处无功功率更少、电压更低。各处普遍采用调理变压器分接头的结果，不仅没能提高负荷的供电电压，而是使得无功损耗加大，整个系统低电压问题更加严重。在这种状况下，首要的问题应当是增加无功功率补偿设备。

低压运行同时对电网安全带来巨大危害，系统稳定性差，十分脆弱，经受不起事故异常及负荷猛烈变化对系统的冲击、十分简单造成大面积的停电和系统瓦解的后果，国内外均有此先例。

3各种无功补偿设备及补偿方式

下面我们介绍各种无功功率补偿设备及补偿方式。3.1同步调相机

同步调相机实质上是一种不带机械负载的同步电动机，它是最早采用的一种无功补偿设备，在并联电容器得到大量采用后，它退居次要地位。其主要缺点是投资大，运行维护繁杂。因此，大量国家不再新增同步调相机作为无功补偿设备。但是同步调相机也有自身的优点：

①调相机可