電力系統(tǒng)電壓與無功補償

現(xiàn)代生產(chǎn)和現(xiàn)代生活離不開電力。電力部門不僅要滿足用戶對電力數(shù)量不斷增長的需要，而且也要滿足對電能質(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)量的一個重要方面，同時，電壓質(zhì)量的高低對電網(wǎng)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運行也起著至關(guān)重要的作用。

1. 電壓與無功補償

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?，?qū)動用電設(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建立磁場，用于交換能量使用的，對于外部電路它并沒有作功，由電能轉(zhuǎn)換為磁能，再由磁能轉(zhuǎn)換為電能，周而復(fù)始，并沒有消耗，這部分能量我們稱為"無功功率"，無功是相對于有功而言，不能說無功是無用之功，沒有這部分功率，就不能建立感應(yīng)磁場，電動機、變壓器等設(shè)備就不能運轉(zhuǎn)。在電力系統(tǒng)中，除了負(fù)荷無功功率外，變壓器和線路的電抗上也需要大量無功功率。

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

電容和電感并聯(lián)接在同一電路時，當(dāng)電感吸收能量時，正好電容釋放能量;電感放出能量時，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)荷所需的無功功率，可以由電容器的無功輸出得到補償，因此我們把具有電容性的裝置稱為"無功補償裝置"。

若電力負(fù)荷的視在功率為S，有功功率為P，無功功率為Q，有功功率、無功功率和視在功率之間的關(guān)系可以用一個直角三角形來表示，以有功功率和無功功率各為直角邊，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)，無功功率為千乏(kvar)，視在功率的單位為千伏安(kVA)。

無功功率按電路的性質(zhì)有正有負(fù)，Q為正值時表示吸收無功功率，Q為負(fù)值時表示發(fā)出無功功率，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機等設(shè)備"吸收"無功而電容器發(fā)出"無功"的道理。

2. 電壓水平與無功功率補償

當(dāng)輸電線路或變壓器傳輸功率時，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分析這個問題。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為線路中流過的相電流。

為了說明問題，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U2一個角度f，電流流過線路電阻產(chǎn)生一個電壓降IR，它與電流向量同方向，同時，線路電流也在線路上產(chǎn)生一個電壓降IX，它超前于電流向量90度,U1就是U2、IR、IX三個電壓的和。

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來表示，即

P = U2Icosf, Q = U2Isinf

則可得:

DU = (PR + QX)/U2

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

一般說來，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。所以無功功率對電壓損耗的影響很大，而有功功率對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，會產(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)改變元件的電阻;(2)改變元件的電抗，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，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，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，同一電流流過串聯(lián)的電感、電容時，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，也降低了線路電壓損耗。

串聯(lián)電容器補償，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300多km，在加裝了串聯(lián)電容補償后電網(wǎng)線損降低，電壓質(zhì)量改善，電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性得到加強，而且輸電能力提高了30%以上。

為了更直觀的說明改變電抗對降低電路電壓損耗的作用，我們舉一個簡單的例子:

有一110kV線路，輸送有功功率15MW，無功功率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度、截面、材料，結(jié)構(gòu)等諸多因素有關(guān)，計算比較復(fù)雜)

求:在電抗XL = 6W和經(jīng)補償后電抗XL = 2W時的壓降。

解:XL = 6W時電壓損耗:

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

XL = 2W時電壓損耗:

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。

降低電抗后對提高電壓的作用顯而易見。

除了用改變電力網(wǎng)參數(shù)來減少電壓損耗以外，改變電壓損耗的另一個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?，是比較困難的，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功功率，使表達(dá)式中的Q減少。由此我們引出無功功率的幾個非常重要的關(guān)鍵的概念。

2.1 無功功率補償概念

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

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，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)量的無功功率補償電力設(shè)施(一般為1kW的有功電力配1kvar的無功電力補償設(shè)施)。

2.2 無功功率就地補償?shù)母拍?/p>

無功補償裝置的分布，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，也要避免無功功率在電網(wǎng)內(nèi)的長距離傳輸，減少電網(wǎng)的電壓損耗和功率損耗。無功功率補償?shù)脑瓌t是做到無功功率分層分區(qū)平衡，就是要做到哪里有無功負(fù)荷就在那里安裝無功補償裝置。這既是經(jīng)濟(jì)上的需要，也是無功電力特征所必需的，如果不這樣做，就達(dá)不到最佳補償?shù)哪康?，解決不了無功電力就地平衡的問題。

2.3 無功功率平衡的概念

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統(tǒng)一體，當(dāng)有功負(fù)荷與有功電源出力相平衡時，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，頻率就下降，反之，頻率就會上升。電壓與無功功率也和頻率與有功功率一樣，是一對對立的統(tǒng)一體。當(dāng)無功負(fù)荷與無功出力相平衡時，電壓就正常，達(dá)到額定值，而當(dāng)無功負(fù)荷大于無功出力時，電壓就下降，反之，電壓就會上升。

但是，需要說明的是電壓與無功功率之間的關(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:

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

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

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

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

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)。

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

此時變壓器的無功損耗相當(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償變壓器滿負(fù)荷時的無功損耗。

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

合理的就地?zé)o功補償對調(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20km，輸送有功功率30MW，無功功率40Mvar，下面分別計算在功率因數(shù)cosf = 0.6和0.9時線路的功率損耗和應(yīng)補償?shù)臒o功功率。本題只計算導(dǎo)線電阻的功率損耗，不考慮其它因素。

1)在cosf = 0.6時，此時有功P = 30MW，無功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，此時有功功率P = 30MW，視在功率S = 33.333MVA，無功功率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)補償無功容量 = 40 - 14.528 = 25.472Mvar。

補償前后有功損耗相差219kW。由計算結(jié)果可知補償無功功率25.472Mvar后每小時可降低線損219kWh。

無功補償對電力系統(tǒng)的重要性越來越受到重視，合理地投停使用無功補償設(shè)備，對調(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)安全運行都有著十分重要的作用。

無功補償裝置的合理使用可以給供電企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。對于像北京電力公司這樣的大企業(yè)來說，線損每降低0.1個百分點，就可以增加上千萬元收入。

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

如果系統(tǒng)無功電源不足，則會使電網(wǎng)處于低電壓水平上的無功功率平衡，即靠電壓降低、負(fù)荷吸收無功功率的減少來彌補無功電源的不足。同樣，如果由于電網(wǎng)缺乏調(diào)節(jié)手段或無功補償元件的不合理運行使某段時間無功功率過剩，也會造成整個電網(wǎng)的運行電壓過高。

我國電網(wǎng)曾在20世紀(jì)70年代由于缺乏無功功率補償設(shè)備而長期處于低電壓運行狀態(tài)。有些地方想用調(diào)節(jié)變壓器分接頭的辦法來解決本地區(qū)電壓低的問題。開始，這種辦法也有一些效果，某些供電點電壓升高了，但這是以降低別處電壓為代價的，因為總的無功電源不足，局部地區(qū)電壓升高無功負(fù)荷增大，必然使別處無功功率更少、電壓更低。各處普遍采用調(diào)節(jié)變壓器分接頭的結(jié)果，不僅沒能提高負(fù)荷的供電電壓，而是使得無功損耗加大，整個系統(tǒng)低電壓問題更加嚴(yán)重。在這種情況下，首要的問題應(yīng)該是增加無功功率補償設(shè)備。

低壓運行同時對電網(wǎng)安全帶來巨大危害，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，十分脆弱，經(jīng)受不起事故異常及負(fù)荷強烈變化對系統(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，國內(nèi)外均有此先例。