第七节 电力网供电区无功优化

一、无功电压优化运行的基本原则

地区电网无功电压优化运行是指利用地区调度自动化的手段，即利用遥测、遥信、遥控、通调四大功能，对地区调度中心的220kV以下变电所的无功、电压和网损进行综合性处理。无功电压优化运行的基本原则如下：

（1）以地区电力网网损最小最佳为目标，以电力网各接点的电压合格为约束条件。（2）集中控制变压器有载分接开关挡位调节和变电所无功补偿设备的投切，以此来达

到全网无功就地平衡，全面改善和提高电网的电压质量，降低电能损耗的目的。

为此，对于那些以变电所高压集中补偿和10kV线路补偿为主，固定补偿居多数的地区，虽然功率因数得以改善，但降损节能效果不明显，有必要调整到以降低线损为中心目标，根据电网特点，调整无功补偿结构，提高电网经济运行水平。

二、无功电压优化运行的调控方法

（一）调控流程

地区电网无功电压优化运行的调控流程框图见图271。

从图271可知，地区电网无功电压优化运行首先从地区调度自动化系统采集母线电压、无功功率信息数据，分别送给电压计算分析模块和无功功率计算分析模块，然后把电压、无功计算分析的信息送到综合处理模块作出判断，形成变压器分接开关挡位调节指令和变电所无功补偿设备投切指令，交地区调度运行中心的控制系统执行，这样，依次循环以达到无功电压优化运行的目的。

图271 某地区电网无功电压优化运行调控流程框图

（二）调控方法

地区电网无功电压优化运行示意图见图272。

从图272可知，地区电网无功电压优化运行调控方法如下。

1.调整母线电压

（1）同级或下级变电所10kV母线电压同时超上限或超下限，则调上一级变电所主变压器分接开关挡位，如1、2、3变电所10kV母线电压同时超上限或超下限，则调3变电所主变压器分

接开关挡位；1、2、3、4、5、6变电所10kV母

线电压同时超上限或超下限，则调7变电所主变压器分接开关挡位。

（2）单个变电所10kV母线电压超上限或超下限，则调本变电所主变压器分接开关挡位。

2.调节无功补偿容量

（1）若5变电所流过D点的无功功率和加上主变压器励磁功率大于无功补偿容量50%（具体数值可另行设定），同时7变电所B点的无功功率不会向220kV电网倒送时，5变电所无功补偿设备可以投入运行。

图272 地区电网无功电压

优化运行示意图

（2）1、2、3变电所无功补偿设备投运条件与5变电所一样，只要3变电所A点无功功率不发生向110kV电网倒送，无功补偿设备可以投入运行。

3.综合控制主变压器分接开关挡位和无功补偿容量

（1）10kV母线电压超上限时，先调低主变压器分接开关挡位；母线电压仍超上限，再切除无功补偿容量。

（2）10kV母线电压超下限时，先投入无功补偿容量，电压仍超下限时，再调升主变压器分接开关挡位。

三、地区电网无功电压优化运行的基本功能1.全网调整母线电压

在无功功率合理流动情况下，当某变电所10kV母线电压偏离合格范围时，能自动分析同电源、同电压等级变电所和上级变电所（电源）电压情况，判断是调节本变电所分接开关挡位还是调节上级变电所（电源）主变压器分接开关挡位，避免多个变电所、多台变压器同时调节分接开关的现象。

2.全网调节无功补偿容量

在母线电压合格范围内，能自动实现无功功率合理流动，充分利用无功补偿容量和提高地区受电功率因数。

3.降低全网电能损耗

在母线电压合格范围内，高峰负荷时能自动实现母线电压偏上限运行，减少负载损耗；低谷负荷时能自动实现母线电压偏下限运行，减少主变压器空载损耗。

4.防止无功补偿设备振荡投切

通过无功补偿设备投切引起的电压变化计算，能自动防止无功补偿设备振荡投切，保证设备可靠、安全运行。

5.其他

具有语言报警、操作命令存档和自动生成年、月运行报表等功能。四、供电区无功优化实施原则

无功优化总的原则是从低压到高压，以低压补偿为主、高压补偿为辅，实现无功就地平衡。低压补偿通常采用随电动机补偿、随配电变压器补偿及集中补偿三种方式。高压补偿采用变电站集中补偿和线路分散补偿。

1.制定科学、合理、实用的无功优化方案

在实施优化工程之前，应掌握该供电区网络参数，核实供电区配电网络图。绘制连续12个月及月典型负荷代表日的无功负荷典型图，并对供电区的无功负荷季节变化特性进行分析。确认供电区内各配电变压器的型号及额定容量，弄清7.5kW及以上电动机功台数、型号、容量、转数、各台电动机的年运行小时数及所带负荷性质。根据无功优化原则，制定科学、有效的无功优化方案。

2.电动机补偿容量及适用条件

确定电动机的无功补偿容量时，应注意防止电动机退出运行时产生自激过电压，即补偿容量应小于电动机的空载无功。一般仅对7.5kW以上电动机进行补偿。

对于排灌的电动机，补偿容量可适当加大，宜采用大于电动机的空载无功，但要小于额定无功负荷。

若电动机年运行小时数大于800h，选用随机补偿较其他补偿方式更经济。用户的补偿投资可在两年内全部收回，且补偿无功负荷效果最佳。

3.配电变压器补偿容量的选择

配电变压器负载率在负荷低谷时接近空载。配电变压器在轻载或空载时的无功负荷主要是变压器的空载励磁无功。因此，配电变压器无功补偿容量不宜超过配电变压器空载无功，反之，在配电变压器接近空载运行时，可能造成过补偿，易产生铁磁谐振。

4.高压补偿容量及投切方式

高压集中补偿电容器组作为无功补偿的调解容量装设在变电所，控制调节方式灵活，进行维护方便且以户外安装方式为好。采用星形接线，配有单台保护熔丝。

高压分散补偿电容器组用于补偿10kV线路中的无功负荷。补偿容量及位置应根据无功潮流计算，考虑到设置每处补偿点的附属设备及安装施工费，每处补偿容量应在

90kvar以上，不小于60kvar。

采取低压补偿和高压集中补偿后，如基本上达到无功优化条件的要求，可不设高压分散补偿。

5.季节性负荷无功补偿问题

对于排灌负荷、沿海地区海产养殖业等周期性的季节负荷，如该部分负荷电量占供电区年供电量中较大比例时（20%以上），应采取相应的季节性补偿措施，使季节性无功负荷得到合理补偿。不足20%的，可适当加以补偿。

6.对100kVA及以上容量配电变压器用户的补偿方法

考虑到现行的力率调整电费执行办法，对100kVA及以上容量配电变压器，如用户本身未加装补偿设备，供电部门可在用户计量表前加装低压补偿装置，也可在配电变压器处采取高、低压补偿，就地平衡该部分无功，同时收力率电费。

7.补偿设备的选购

选购优质的无功补偿设备。

8.安装位置、保护接线方式的合理选择

选择合理的安装位置、保护接线方式，保证电容器的正常运行。

在确定安装地点时，考虑电容器的运行环境，主要是运行电压等因素对电容器使用寿命的影响，尽管电容器的工频稳态过电压可达到额定电压的1.1倍，但为了不缩短其使用寿命，应使其在额定电压下运行。在采用现有的调压手段后，电压仍过高时，应更换补偿地点。

在保护接线方面，高压补偿电容器和低压固定补偿电容器均应配有单台保护熔丝。补偿电动机的电容器通常与电动机共用一组保护熔丝。熔丝的熔断电流应按电容器额定电流

的1.5～2倍选取。

五、调压补偿软起动装置

1.概述

当前，特大容量电动机在工业领域应用愈来愈普遍，电动机的起动容量与所配电网输出容量的矛盾更加突出，非常有必要进一步减小电动机起动时从电网吸收的容量。通过在现有的软起动器前并联电容的方式，提高起动时的功率因数，降低无功电流，可进一步减

小感应电动机起动时电网输出电流，减小电动机起动时电网电压波动范围。

由软起动器和电容构成的起动装置工作时输出电压可调，称其为调压补偿软起动装置。2.调压补偿软起动装置工作原理

三相异步电动机功率因数与转速的关系曲线如图273所示。

在电机起动的过程中，初始功率因数很低（一般为0.3左右），随着转速的增加而增加，转速达到额定转速ne时，功率因数达到最大值。所以电动机在起动时感性无功电流很大。如果起动时在起动回路端并联电容，由电容提供容性无功电流，就可抵消一部分感性无功电流，使电动机起动时从电网吸取的总电流大大降低。电容随着起动加速逐步切除。

图273 功率因数与转速的关系曲线

图274

（a）软起动器接电机前方案；（b）软起动器接电机后方案

单线原理图如图274所示。

等效电路如图2 7 5（a）。

进一步转化为图2 7 5（b）。

图275 调压补偿起动装置等效电路图

原来的软起动系统中并联电容后，忽略Um的少量变化，软起动器的起动参数基本不变。因软起动器和电动机起动时等效为功率因数角为φ1的负载，起动电流为Iq，设母线

出口电压Um的相位角为0°，侧Iq滞后Um，0°的角度为φ1。

将Iq分解为两个分量，即IR和IL。有功分量：IR=Iqcosφ1，无功分量：IL=Iqsinφ1。作出向量图见图276。

通过向量图分析，因容性电流与感性电流方向相反，很明显起动时由母线输出的电流I会随着并联补偿电容的IC的增加而减小（当IC绝对值小于IL时），也就是说，随着电容容量的增加而减小。因电动机起动时的功率因数很低（一般为0.30左右），通过加补偿电容很容易将起动时母线电流控制到1.3～2.5倍。达到起动时电网电流小于电动机起动电流的效果，即减小电网压降，又保证电动机可靠起动。

六、调压补偿软起动装置工程设计

图276 调压补偿软

工程设计时无确认电容柜数量，一般情况起动时补偿电容的数量可初步按电动机容量的50%左右选配，每面电容补偿柜可安

起动装置向量图

装1000kvar～3000kvar容量的电容（电容柜尺寸：宽1100mm×深1600mm×高

2650mm，此尺寸只适用起动补偿电容柜，如果要求兼应用于运行，尺寸将要加宽），据此，就可确定选用几面电容柜。具体电容容量由软起动厂家根据电机容量及电网负载综合情况最后确定。

因为大型电动机所用的电缆很大，需要考虑在开关柜内的接线方便，所以在系统设计时有时要考虑增加接线柜。

因为增加了电容，设计时要注意差动互感器的安装位置，保证前后电流互感器的电流是电动机的电流。

调压补偿软起动装置由开关柜，补偿柜，软起动柜组成，根据不同的接线方式有多种方案，图277和图278为两种常用方案的一次接线图。

图277 软起动器接电机前端方案

图278 软起动器接电机星点方案

七、工程达标要求及效益测算

无功优化工程可用七项技术经济指标来进行考核。（1）功率因数达到标准要求且不过补。

（2）无功补偿度达到标准要求。

（3）高、低压补偿容量比例。对不同负荷类型的供电区进行抽测，结果表明，对于农网来说，高、低压补偿容量比应在1∶2.2～1∶4的范围内。

（4）电容器投运率。对于农网来说，高压电容器达90%，低压电容器不少

于60%。

（5）10kV网损率至少下降0.5%。

（6）0.4kV网平均每千乏电容器年节电20kW·h。

（7）工程投资一般应在三年内收回。八、配电网无功优化补偿

电网的线损主要是线路损耗与变压器损耗，所以配电网的降损节能，也就是对电网中所有的电力线路和变压器进行优化。无功优化的目的是通过调整无功潮流的分布降低网络的有功功率损耗，并保持最好的电压水平。无功优化补偿，一般有变电所无功负荷的最优补偿、配电线路最优补偿以及配电变压器低压侧最优补偿，而配电变压器低压侧最优补偿是配电网无功优化的重点之一。

配电变压器一般实行随器补偿，是将低压补偿电容器直接安装在配电变压器低压侧，与配电变压器同投同切，用以补偿配电变压器自身励磁无功功率损耗和感性用电设备的无功功率损耗。采用传统的无载配电变压器结合低压侧并联电容器装置，在实际运行中因配电变压器不能自动调挡，出口端电压一般在110%～115%之间，并联的电容器装置受出口端电压影响电容投运率较低，配电网中大量的感性负荷得不到补偿，用电高峰时压降达30～40V，直接影响着电力企业供电质量及经济效益。

解决这一问题，可采用有载配电变压器自动调压和合理的无功自动补偿，能保证配电网供电电压质量，改善功率因数，达到无功就地平衡的目的，提高电力系统的供电能力，使配电网系统在经济合理、稳定安全的状态下运行。

1.自动调压补偿控制原理

在实际运行中，使用无功自动补偿装置进行就地补偿，可以在实现减少线损的同时，对电压质量起到一定的改善作用。但是，实践证明由于公用配变负荷变化大，带来电压波动也大，往往单纯依靠无功补偿并不能很好地解决电压质量问题，因此采取以无功和电压作为二元的控制变量，以“九区图”作为基本的控制算法，进行自动跟踪补偿和自动调压相配合的措施，可实现进一步改善电能质量的目的。

为了使电压U与无功Q达到所需的值，通过改变有载配电变压器分接开关挡位和投切电容器组来改变配电系统的U和Q。有载配电变压器分接头挡位的变化不仅对U有影响，而且对Q也有一定影响，同样，电容器组投切对Q影响的同时，也对U有一定的影响。

2.提高功率因数和设备的供电能力

在电网运行中，由于大量非线性负载的运行，除要消耗有功功率外，还要消耗一定的

无功功率。负荷电流在通过线路、变压器时将会产生电能损耗。由电能损耗公式可知，当线路或变压器输送的有功功率和电压不变时，线损与功率因数的平方成反比。功率因数越低电网所需无功就越多，线损也就越大。因此，在受电端安装无功补偿装置，可减少负荷的无功功率损耗，提高功率因数，提高电气设备的有功出力。

3.降低电网中的功率损耗和电能损失

当有功功率P为定值时，负荷电流与cosφ成反比，安装无功补偿装置后，功率因数提高，使线路中的电流减小，从而使功率损耗降低。降低电网中的功率损耗是安装无功补偿设备的主要目的。配变低压侧补偿无功功率，可以提高变压器功率因数，并对该线路电压有调节作用，同时采用有载调压变压器是解决该线路电压问题的有效手段。

九、农网无功补偿

1.农网现阶段无功补偿存在的问题

（1）因新增电容器与电网发展不同步，致使无功缺口很大，仅以某省而论，省农村电网无功补偿度只有0.3。从装机容量的角度来看，与网局的0.5及部颁的0.7要求差距较大。变电所10kV母线平均补偿率为0.85。

（2）电容器的配置不合理。在高压方面安装电容器，补低压方面的无功负荷，不符合“分级补偿，就地平衡”的原则。这种“重力率，轻降损”的补偿方法对电网本身不但没有起到应有的降损效果，而且增加了技术和装备方面的困难。

2.农网无功补偿需做的工作

（1）农网无功负荷分布情况，将重点确定为电动机和配电变压器，可使无功负荷基本上得以就地平衡。

（2）无功经济当量的测算，假定变电站一次侧为无功经济当量的零值点，按公式进行测算各种补偿方式的无功经济当量得知：其中随电动机补偿的无功经济当量值最高，其次是随配电变压器补偿和低压集中补偿，说明补偿点选在电网末端最好。

（3）工程投资分析。按照电网无功补偿典型容量测算：变电所集中补偿高压电容器600kvar，高压线路补偿每处90kvar，低压补偿自动投切柜容量200kvar。各种补偿方式单位容量综合投资，其中低压补偿电动机和配电变压器的单位综合投资最低。因此，低压补偿方式投资少、降损效果显著，且可实现无功就地平衡。因此，现阶段对于农网来说，无功补偿应遵循以下原则：以供电区为单位，对其无功负荷进行系统分析，并从电网的末端入手，以补偿低压电动机和配电变压器的无功负荷为主，辅之以变电所高压集中补偿和线路分散补偿，即实现供电区的无功优化。