電力系統(tǒng)電壓與無(wú)功補(bǔ)償

現(xiàn)代生產(chǎn)和現(xiàn)代生活離不開(kāi)電力。電力部門(mén)不僅要滿足用戶對(duì)電力數(shù)量不斷增長(zhǎng)的需要，而且也要滿足對(duì)電能質(zhì)量上的要求。所謂電能質(zhì)量，主要是指所提供電能的電壓、頻率和波形是否合格，在合格的電能下工作，用電設(shè)備性能最好、效率最高，電壓質(zhì)量是電能質(zhì)量的一個(gè)重要方面，同時(shí)，電壓質(zhì)量的高低對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行也起著至關(guān)重要的作用。

1. 電壓與無(wú)功補(bǔ)償

電壓顧名思義就是電(力)的壓力。在電壓的作用下電能從電源端傳輸?shù)接脩舳耍?qū)動(dòng)用電設(shè)備工作。

交流電力系統(tǒng)需要電源供給兩部分能量，一部分將用于作功而被消耗掉，這部分電能將轉(zhuǎn)換為機(jī)械能、光能、熱能或化學(xué)能，我們稱為"有功功率"。另一部分能量是用來(lái)建立磁場(chǎng)，用于交換能量使用的，對(duì)于外部電路它并沒(méi)有作功，由電能轉(zhuǎn)換為磁能，再由磁能轉(zhuǎn)換為電能，周而復(fù)始，并沒(méi)有消耗，這部分能量我們稱為"無(wú)功功率"，無(wú)功是相對(duì)于有功而言，不能說(shuō)無(wú)功是無(wú)用之功，沒(méi)有這部分功率，就不能建立感應(yīng)磁場(chǎng)，電動(dòng)機(jī)、變壓器等設(shè)備就不能運(yùn)轉(zhuǎn)。在電力系統(tǒng)中，除了負(fù)荷無(wú)功功率外，變壓器和線路的電抗上也需要大量無(wú)功功率。

國(guó)際電工委員會(huì)給出的無(wú)功功率的定義是:電壓與無(wú)功電流的乘積為無(wú)功功率。其物理意義是:電路中電感元件與電容元件活動(dòng)所需要的功率交換稱為無(wú)功功率。

電容和電感并聯(lián)接在同一電路時(shí)，當(dāng)電感吸收能量時(shí)，正好電容釋放能量;電感放出能量時(shí)，電容正好吸收能量。能量就在它們中間互相交換。即電感性負(fù)荷所需的無(wú)功功率，可以由電容器的無(wú)功輸出得到補(bǔ)償，因此我們把具有電容性的裝置稱為"無(wú)功補(bǔ)償裝置"。

若電力負(fù)荷的視在功率為S，有功功率為P，無(wú)功功率為Q，有功功率、無(wú)功功率和視在功率之間的關(guān)系可以用一個(gè)直角三角形來(lái)表示，以有功功率和無(wú)功功率各為直角邊，以視在功率為斜邊構(gòu)成直角三角形，有功功率與視在功率的夾角稱為功率因數(shù)角。有功功率與視在功率的比值，我們稱為功率因數(shù)，用cosf表示，cosf = P/S。它表明了電力負(fù)荷的性質(zhì)。

P = UIcosf

Q = UIsinf

S = (P2 + Q2)1/2 = UI

有功功率的常用單位為千瓦(kW)，無(wú)功功率為千乏(kvar)，視在功率的單位為千伏安(kVA)。

無(wú)功功率按電路的性質(zhì)有正有負(fù)，Q為正值時(shí)表示吸收無(wú)功功率，Q為負(fù)值時(shí)表示發(fā)出無(wú)功功率，在感性電路中，電流滯后于電壓，f > 0，Q為正值。而在容性電路中，電流超前于電壓，f < 0，Q為負(fù)值。

這就是人們通常稱電動(dòng)機(jī)等設(shè)備"吸收"無(wú)功而電容器發(fā)出"無(wú)功"的道理。

2. 電壓水平與無(wú)功功率補(bǔ)償

當(dāng)輸電線路或變壓器傳輸功率時(shí)，電流將在線路或變壓器阻抗上產(chǎn)生電壓損耗，下面以一條輸電線路為例來(lái)分析這個(gè)問(wèn)題。一段輸電線路的單相等值電路，其中R、X分別為一相的電阻和等值電抗，U1、U2為首未端相電壓，I為線路中流過(guò)的相電流。

為了說(shuō)明問(wèn)題，以線路末端電壓U2為參考軸，設(shè)線路電流I為正常的阻感性負(fù)荷電流，它滯后于U2一個(gè)角度f(wàn)，電流流過(guò)線路電阻產(chǎn)生一個(gè)電壓降IR，它與電流向量同方向，同時(shí)，線路電流也在線路上產(chǎn)生一個(gè)電壓降IX，它超前于電流向量90度,U1就是U2、IR、IX三個(gè)電壓的和。

線路的電壓損耗DU為電壓DU1和DU2之和，U1 = IRcosf，DU2 = IXsinf，所以線路的電壓損耗為DU = DU1 + DU2 = I(Rcosf + Xsinf)，如果電流I用線路末端的單相功率S和電壓U2來(lái)表示，即

P = U2Icosf, Q = U2Isinf

則可得:

DU = (PR + QX)/U2

由此可見(jiàn)，電壓損耗由兩部分組成，即有功功率在電阻上的壓降和無(wú)功功率在電抗上的壓降。

一般說(shuō)來(lái)，在超高壓電網(wǎng)的線路、變壓器的等值電路中，電抗的數(shù)值比電阻大得多。所以無(wú)功功率對(duì)電壓損耗的影響很大，而有功功率對(duì)電壓損耗的影響則要小得多。因此，可以得出結(jié)論，在電力系統(tǒng)中，無(wú)功功率是造成電壓損耗的主要因素。

從前面的分析我們知道，當(dāng)線路、變壓器傳輸功率時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電壓損耗，因而影響了電網(wǎng)各處電壓的高低。如果能改變線路、變壓器等電網(wǎng)元件上的電壓損耗，也就改變了電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的電壓狀況。

由電壓損耗表達(dá)式DU = (PR + QX)/U可知，要改變電壓損耗有兩種辦法。

(1)改變?cè)碾娮?(2)改變?cè)碾娍?，都能起到改變電壓損耗的作用。

可采取的一種辦法是增大導(dǎo)線截面減小電阻以減小電壓損耗，這種辦法在負(fù)荷功率因數(shù)較高、原有導(dǎo)線截面偏小的配電線路中比較有效。適宜負(fù)荷不斷增加的農(nóng)村地區(qū)采用。

而電網(wǎng)中用的最多的辦法是減少線路中的電抗，在超高壓輸電線路中廣泛采用的分裂導(dǎo)線就可以明顯降低線路的電抗。在我國(guó)，220kV線路一般采用二分裂、500kV線路采用四分裂導(dǎo)線。采用分裂導(dǎo)線，降低線路電抗，不僅僅減少了電壓損耗，而且有利于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，能提高線路的輸電能力。現(xiàn)在已逐步采用的緊湊型結(jié)構(gòu)輸電線路，還可以進(jìn)一步降低輸電線路的電抗，不僅提高了電網(wǎng)的穩(wěn)定性，同時(shí)，也降低了線路的電壓損耗。

減小線路電抗的另一種辦法是采用串聯(lián)電容補(bǔ)償，就是在線路中串聯(lián)一定數(shù)值的電容器，大家知道，同一電流流過(guò)串聯(lián)的電感、電容時(shí)，電感電壓與電容電壓在相位上正好差180度.采用串聯(lián)電容補(bǔ)償其主要目的也是增加線路的輸電能力，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性，同時(shí)，也降低了線路電壓損耗。

串聯(lián)電容器補(bǔ)償，現(xiàn)在主要應(yīng)用于超高壓、大容量的輸電線路上，山西大同到北京的500kV輸電線路全長(zhǎng)300多km，在加裝了串聯(lián)電容補(bǔ)償后電網(wǎng)線損降低，電壓質(zhì)量改善，電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性得到加強(qiáng)，而且輸電能力提高了30%以上。

為了更直觀的說(shuō)明改變電抗對(duì)降低電路電壓損耗的作用，我們舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子:

有一110kV線路，輸送有功功率15MW，無(wú)功功率20Mvar，線路電阻R為2W，線路電抗XL為6W(這里只是假設(shè)的數(shù)值，因線路的電抗和線路的長(zhǎng)度、截面、材料，結(jié)構(gòu)等諸多因素有關(guān)，計(jì)算比較復(fù)雜)

求:在電抗XL = 6W和經(jīng)補(bǔ)償后電抗XL = 2W時(shí)的壓降。

解:XL = 6W時(shí)電壓損耗:

DU = (PR + QXL)/U = (15×106×2 + 20×106×6)/(110×103×31/2) = 788(V)

XL = 2W時(shí)電壓損耗:

DU = (PR + QXL)/U = (15×106×2 + 20×106×2)/(110×103×31/2) = 368(V)

減少電壓損耗 = 788V - 368V = 420V。

降低電抗后對(duì)提高電壓的作用顯而易見(jiàn)。

除了用改變電力網(wǎng)參數(shù)來(lái)減少電壓損耗以外，改變電壓損耗的另一個(gè)重要方面是改變電網(wǎng)元件中傳輸?shù)墓β?。即改變表達(dá)式中的P和Q的大小，在滿足負(fù)荷有功功率的前提下，要改變供電線路、變壓器傳輸?shù)挠泄β剩潜容^困難的，常常是不可能的。因此，改變線路、變壓器傳輸功率都是改變其無(wú)功功率，使表達(dá)式中的Q減少。由此我們引出無(wú)功功率的幾個(gè)非常重要的關(guān)鍵的概念。

2.1 無(wú)功功率補(bǔ)償概念

當(dāng)今電廠受水、環(huán)保等多方面的制約，它的位置越來(lái)越遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，即使建在靠近負(fù)荷點(diǎn)，由于單機(jī)容量越來(lái)越大，發(fā)電機(jī)的額定功率因數(shù)也越來(lái)越高，這樣，電網(wǎng)實(shí)際接受的無(wú)功功率就越來(lái)越少，單靠發(fā)電機(jī)發(fā)出的無(wú)功功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足電網(wǎng)對(duì)無(wú)功功率的需要，必須配置各種無(wú)功功率補(bǔ)償裝置。

例如:目前北京地區(qū)有功負(fù)荷的2/3電力要從山西、內(nèi)蒙、河北等地遠(yuǎn)距離用超高壓500kV線路送來(lái)，為了能接受到這么多的有功功率，必須在北京地區(qū)負(fù)荷中心裝設(shè)相應(yīng)數(shù)量的無(wú)功功率補(bǔ)償電力設(shè)施(一般為1kW的有功電力配1kvar的無(wú)功電力補(bǔ)償設(shè)施)。

2.2 無(wú)功功率就地補(bǔ)償?shù)母拍?/p>

無(wú)功補(bǔ)償裝置的分布，首先要考慮調(diào)壓的要求，滿足電網(wǎng)電壓質(zhì)量指標(biāo)。同時(shí)，也要避免無(wú)功功率在電網(wǎng)內(nèi)的長(zhǎng)距離傳輸，減少電網(wǎng)的電壓損耗和功率損耗。無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)脑瓌t是做到無(wú)功功率分層分區(qū)平衡，就是要做到哪里有無(wú)功負(fù)荷就在那里安裝無(wú)功補(bǔ)償裝置。這既是經(jīng)濟(jì)上的需要，也是無(wú)功電力特征所必需的，如果不這樣做，就達(dá)不到最佳補(bǔ)償?shù)哪康?，解決不了無(wú)功電力就地平衡的問(wèn)題。

2.3 無(wú)功功率平衡的概念

如同有功功率平衡一樣，電力系統(tǒng)的無(wú)功功率在每一刻也必須保持平衡。

在電力系統(tǒng)中，頻率與有功功率是一對(duì)統(tǒng)一體，當(dāng)有功負(fù)荷與有功電源出力相平衡時(shí)，頻率就正常，達(dá)到額定值50Hz，而當(dāng)有功負(fù)荷大于有功出力時(shí)，頻率就下降，反之，頻率就會(huì)上升。電壓與無(wú)功功率也和頻率與有功功率一樣，是一對(duì)對(duì)立的統(tǒng)一體。當(dāng)無(wú)功負(fù)荷與無(wú)功出力相平衡時(shí)，電壓就正常，達(dá)到額定值，而當(dāng)無(wú)功負(fù)荷大于無(wú)功出力時(shí)，電壓就下降，反之，電壓就會(huì)上升。

但是，需要說(shuō)明的是電壓與無(wú)功功率之間的關(guān)系要比頻率與有功功率之間的關(guān)系復(fù)雜得多，大體上有以下幾點(diǎn):

① 在一個(gè)并列運(yùn)行的電力系統(tǒng)中，任何一點(diǎn)的頻率都是一樣的，而電壓與無(wú)功電力卻不是這樣的。

當(dāng)無(wú)功功率平衡時(shí)，整個(gè)電力系統(tǒng)的電壓從整體上看是會(huì)正常的，是可以達(dá)到額定值的，即便是如此，也是指整體上而已，實(shí)際上有些節(jié)點(diǎn)處的電壓并不一定合格，如果無(wú)功不是處于平衡狀態(tài)時(shí)，那么情況就更復(fù)雜了，當(dāng)無(wú)功出力大于無(wú)功負(fù)荷時(shí)，電壓普遍會(huì)高一些，但也會(huì)有個(gè)別地方可能低一些，反之，也是如此。

②系統(tǒng)需要的無(wú)功功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)電機(jī)所能提供的無(wú)功出力，這是由于現(xiàn)代超高壓電網(wǎng)包括各級(jí)變壓器和架空線路在傳送電能時(shí)需要消耗大量的無(wú)功，稱為"無(wú)功損耗"，一般來(lái)說(shuō)，這些無(wú)功損耗與整個(gè)電網(wǎng)中的無(wú)功負(fù)荷的大小是差不多的，我們以一臺(tái)50MVA的110kV變壓器為例來(lái)了解變壓器在運(yùn)行中的無(wú)功損耗情況。

變壓器的參數(shù)為:Ue = 110kV，Se=50MVA，Uk%=17%，變壓器在傳送電能時(shí)的無(wú)功損耗的計(jì)算式為:

Q = SeUk%(I/Ie)2

式中 I--變壓器的負(fù)荷電流;

Ie--變壓器的額定電流，與變壓器的無(wú)功損耗與變壓器的負(fù)載率、變壓器的額定容量及短路阻抗有關(guān)。

如果這臺(tái)變壓器滿負(fù)荷運(yùn)行，那么它的無(wú)功損耗就是:Q = 50MVA×17%=8.5Mvar

此時(shí)變壓器的無(wú)功損耗相當(dāng)大，其低壓側(cè)安裝的并聯(lián)電容器組的容量甚至不夠補(bǔ)償變壓器滿負(fù)荷時(shí)的無(wú)功損耗。

③無(wú)功功率不宜遠(yuǎn)距離輸送，當(dāng)輸送功率與傳送距離達(dá)到一定極限時(shí)，其傳送功率成為不可能，這是由于超高壓等級(jí)的變壓器、線路電抗較大，其無(wú)功損耗Q = I2X相應(yīng)也很大，所輸送的無(wú)功功率均損耗在變壓器及線路上了。另外，傳送大量的無(wú)功功率時(shí)，線路電壓損失也相當(dāng)大，同樣會(huì)造成無(wú)法傳送的結(jié)果。

合理的就地?zé)o功補(bǔ)償對(duì)調(diào)整系統(tǒng)電壓、降低線損有十分重要的作用。

設(shè)有一條110kV線路選用LG-300型導(dǎo)線(導(dǎo)線電阻0.095W/km)線路全長(zhǎng)20km，輸送有功功率30MW，無(wú)功功率40Mvar，下面分別計(jì)算在功率因數(shù)cosf = 0.6和0.9時(shí)線路的功率損耗和應(yīng)補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率。本題只計(jì)算導(dǎo)線電阻的功率損耗，不考慮其它因素。

1)在cosf = 0.6時(shí)，此時(shí)有功P = 30MW，無(wú)功Q = 40Mvar，視在功率S = 50MVA，電流I = S/U = 50MVA/(110kV×31/2) = 263A，功率損耗P = I2·R = 2632×0.095×20×3 = 394kW。

2) 在cosf = 0.9時(shí)，此時(shí)有功功率P = 30MW，視在功率S = 33.333MVA，無(wú)功功率Q = 14.528Mvar，I = S/U = 33.333MVA/(110kV×31/2) = 175A，功率損耗 P = I2·R = 1752×0.095×20×3 = 175kW。應(yīng)補(bǔ)償無(wú)功容量 = 40 - 14.528 = 25.472Mvar。

補(bǔ)償前后有功損耗相差219kW。由計(jì)算結(jié)果可知補(bǔ)償無(wú)功功率25.472Mvar后每小時(shí)可降低線損219kWh。

無(wú)功補(bǔ)償對(duì)電力系統(tǒng)的重要性越來(lái)越受到重視，合理地投停使用無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，對(duì)調(diào)整電網(wǎng)電壓、提高供電質(zhì)量、抑制諧波干擾、保證電網(wǎng)安全運(yùn)行都有著十分重要的作用。

無(wú)功補(bǔ)償裝置的合理使用可以給供電企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于像北京電力公司這樣的大企業(yè)來(lái)說(shuō)，線損每降低0.1個(gè)百分點(diǎn)，就可以增加上千萬(wàn)元收入。

從根本上說(shuō)，要維持整個(gè)系統(tǒng)的電壓水平，就必須有足夠的無(wú)功電源來(lái)滿足系統(tǒng)負(fù)荷對(duì)無(wú)功功率的需求和補(bǔ)償線路和變壓器中的無(wú)功功率損耗。

如果系統(tǒng)無(wú)功電源不足，則會(huì)使電網(wǎng)處于低電壓水平上的無(wú)功功率平衡，即靠電壓降低、負(fù)荷吸收無(wú)功功率的減少來(lái)彌補(bǔ)無(wú)功電源的不足。同樣，如果由于電網(wǎng)缺乏調(diào)節(jié)手段或無(wú)功補(bǔ)償元件的不合理運(yùn)行使某段時(shí)間無(wú)功功率過(guò)剩，也會(huì)造成整個(gè)電網(wǎng)的運(yùn)行電壓過(guò)高。

我國(guó)電網(wǎng)曾在20世紀(jì)70年代由于缺乏無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備而長(zhǎng)期處于低電壓運(yùn)行狀態(tài)。有些地方想用調(diào)節(jié)變壓器分接頭的辦法來(lái)解決本地區(qū)電壓低的問(wèn)題。開(kāi)始，這種辦法也有一些效果，某些供電點(diǎn)電壓升高了，但這是以降低別處電壓為代價(jià)的，因?yàn)榭偟臒o(wú)功電源不足，局部地區(qū)電壓升高無(wú)功負(fù)荷增大，必然使別處無(wú)功功率更少、電壓更低。各處普遍采用調(diào)節(jié)變壓器分接頭的結(jié)果，不僅沒(méi)能提高負(fù)荷的供電電壓，而是使得無(wú)功損耗加大，整個(gè)系統(tǒng)低電壓?jiǎn)栴}更加嚴(yán)重。在這種情況下，首要的問(wèn)題應(yīng)該是增加無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備。

低壓運(yùn)行同時(shí)對(duì)電網(wǎng)安全帶來(lái)巨大危害，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，十分脆弱，經(jīng)受不起事故異常及負(fù)荷強(qiáng)烈變化對(duì)系統(tǒng)的沖擊、十分容易造成大面積的停電和系統(tǒng)瓦解的后果，國(guó)內(nèi)外均有此先例。