毕业设计（论文）-10kV线路的无功优化补偿参数设计.doc

目 录摘要IAbstractII1绪论11.1本文研究的背景与意义11.2我国配电网无功功率的现状及国内外研究现状11.2.1我国配电网无功功率的现状11.2.2配电网无功优化补偿的发展21.3本文主要研究工作32 无功补偿和无功优化42.1无功补偿42.1.1无功补偿的基本概念42.1.2 无功补偿的基本原理42.2无功功率62.2.1正弦电路中的功率62.2.2功率因数72.3 无功优化概述82.3.1配电网无功补偿问题的提出82.3.2无功补偿的电路和向量图92.4 无功优化补偿的原则和类型102.4.1无功优化和补偿的原则102.5 电网无功优化，提高功率因数的意义102.5.1、加装无功补偿设备，改善电压质量102.5.2、加装无功补偿设备，提高输配电线路供电能力102.5.3、加装无功补偿设备，提高变压器的带负荷能力113 10KV电网的无功补偿前、后分析比较123.1 10kV线路的降损与无功补偿123.1.1无功补偿前的线路损耗分析123.1.2线路补偿后分析：133.1.3线路无功补偿后的损耗降低率：143.2实际线路无功补偿量及其安装位置的确定144 确定无功补偿容量的一般方法和手段164.1 10kV线路补偿方案简介164.1.1就地无功补偿方案164.1.2分散补偿方案164.1.3集中补偿方案174.1.4跟踪补偿方案174.2几种补偿方案的理论比较分析174.3几种补偿方式的经济技术比较194.3.1几种补偿方式的投入比较：194.3.2几种补偿方式的经济技术比较：204.3.3几种无功补偿方式的总结：214.4无功补偿的主要手段214.4.1.同步调相机214.4.2.并联电容器224.4.3静止无功补偿器SVC225 基于经典法的无功优化算法235.1确定最佳位置和最佳容量定理235.1.1确定最佳位置定理235.1.2确定最佳补偿容量定理235.2按网损和年运行费最小确定补偿容量245.2.1按网损最小确定补偿容量:245.2.2按年运行费最小原则确定补偿容量：255.3无功容量的合理分配255.3.1确定无功容量的分配原则255.3.2目标函数和约束条件265.3.3目标函数的转化265.4无功负荷均匀分布时补偿容量和补偿位置的确定275.4.1单点补偿285.4.2两点补偿295.5负荷沿线递增分布时补偿容量和位置的确定315.5.1单点补偿315.5.2两点补偿：335.6无功负荷沿线递减分布时补偿容量和补偿位置的确定346配电线路上的各阶段的无功补偿376.1配电线路上的无功补偿376.2用户的无功补偿386.2.1 放射式开式网的最佳无功补偿386.2.2 干线式和链式开式网的最佳无功补偿396.3配电网无功优化控制对电压的影响406.3.1 无功功率与电压的关系406.3.2电压水平与无功平衡的关系406.3.3 配电网无功优化控制对电压的影响416.4配电网无功优化控制对有功损耗的影响426.4.1 无功功率与有功损耗的关系426.4.2 功率因数与有功损耗的关系426.4.3 配电网无功优化控制对有功损耗的影响437 配电网无功补偿遇到的问题457.1优化的问题457.2谐波的问题457.3无功功率倒送的问题45致 谢46参考文献47附录 A48附录 B5110kV线路的无功优化补偿参数设计摘要 XXX 配电网线损是电网损耗的主要组成部分。为了降低配电网的线损，需要对配电网进行无功补偿。 通过经典无功优化算法，可以比较简便的计算出在单电源配电网中最佳无功补偿容量。本文通过对经典优化法的分析，决定选择此种方法分析。这种方法具有通用性好、计算方便、等优点。结合对经典优化法的学习，并对实际运行的线路进行了计算。最终得到了线路的最佳补偿容量和补偿位置。然后本文着重对变电站集中补偿、线路分散补偿、变压器随器补偿这几种补偿方式进行了技术经济比较。结合实情况，配电网无功主要来自配电变压器随器补偿的现实。本文提出使用线路分散补偿作为无功补偿的一部分，并提出了随器补偿和分散补偿的配合方法。关键词:配电线路；无功补偿容量；经典优化法10kV lines of reactive power optimization compensationAbstractPower loss of distribution network accounts for the major part in the total loss of power network. Therefore, it is necessary for reactive power compensation to be adopted to decrease the loss of power distribution network.By using the classic calculation method for reactive power compensation, the optimum compensation capacity and compensation position for the network with single power can be easily defined. Based on analyzed the classic calculation method, this method, which is finally selected by the author as the method for calculating reactive power compensation. The author also take the real power network as an example for the utilization of the classic calculation method, and obtain the optimum compensation capacity and compensation position.Moreover the technological &economic comparison is carried out between concentrated compensation, respective compensation and transformer compensation.The author finds reactive power compensation mainly arises from the transformer compensation. The respective compensation is suggested as a part for power reactive compensation and the coordination way between transformer compensation and respective compensation is also proposed in this article.Keyword: Distribution Line; Reactive Power Compensation Capacity ;the classic calculation method.I江西理工大学应用科学学院毕业设计1绪论1.1本文研究的背景与意义随着科学技术发展和人民生活水平的提高，各种类型用电设备得到了广泛的应用，对电压质量的要求也越来越高。但是，由于配电网结构，运行变化等原因，我国配电网损耗，电压合格率等技术指标与发达国家相比有较大差距。由于电压不合格等原因造成用户电器烧毁的现象仍然存在，而网损过高使得生产的宝贵电能白白浪费，并且影响电力企业的经济效益。无功补偿作为保持电力系统无功功率平衡、降低网损、提高供电质量的一种重要措施，已被广泛应用于各电压等级电网中。合理选择无功补偿，能够有效地维持系统的电压水平，提高电压稳定性，避免大量无功的远距离传输，从而降低有功网损，减少发电费用，提高设备利用率，无功补偿的合理应用是电力企业提高经济和社会效益的一项重要课题。然而，作为无功补偿的一个重要组成部分，低压网的无功补偿研究，至今仍处在初级阶段。国内长期以来，无功电源优化配置主要在网络规划阶段考虑，运行期间很少考虑无功补偿设备的优化投切。安装于10kV线路上的分散补偿电容器多数按季节性调整补偿容量，或者干脆不调整。规划阶段的无功电源和容量只能说为提高电网运行水平，降低网损创造了必要条件。但是，充分发挥网内各点、各种无功设备的功能，使其得到最好、最优的补偿效率，还必须合理优化无功分布点和无功容量。合理进行无功优化补偿，提高设备的利用率。对于原有供电设备来讲，在同样有功功率下，因功率因数的提高，能使传送电流减少，因此向负荷传送功率所经过的变压器、开关和导线等供配电设备都增加了功率储备，从而满足了负荷增长的需要；如果原网络已趋于过载，由于功率因数的提高，输送无功电流的减少，能使系统不致于过载运行，从而发挥原有设备的潜力；对尚处于设计阶段的新建企业来说则能降低设备容量，减少投资费用，在一定条件下，改善后的功率因数可以使所选变压器容量降低。因此，使用无功补偿不但减少初次投资费用，而且减少了运行后的基本电费。此外，合理进行无功优化补偿，提高功率因数对企业的直接经济效益也是明显的。因为国家电价制度中，从合理利用有限电能出发，对不同企业的功率因数规定了要求达到的不同数值，低于规定的数值，需要多收电费，高于规定数值，可相应地减少电费。可见，提高功率因数对企业有着重要的经济意义，同时又符合目前国家的节能减排政策。1.2我国配电网无功功率的现状及国内外研究现状1.2.1我国配电网无功功率的现状在我国电力工业发展过程中，因多年“重发电，轻供电”思想的影响，造成电网建设落后，结构不合理，导致城市和农村配电网无功补偿不足，电能质量不高，系统无功对电压影响大等。无功功率的不足或者过大，将引起系统电压的降低或者上升，从而造成电能的损失和浪费。从微观角度看，随着电网容量的扩大，用户家用电器感性负载的不断增加，使得城市配电网公用变低压侧功率因数较低。过低的功率因数导致公用变低压侧线路损耗较大，供电电压指标不能满足用户要求。用电高峰期，用户末端电压远远低于国家标准，而用电低谷期，用户末端电压又远远超过国家标准。不仅电能浪费非常严重，而且影响用电设备的使用寿命。因此，在公用变低压侧进行无功功率补偿已成为目前提高供电水平、降低无功损耗急需解决的问题。从宏观角度看，整个电网的无功潮流不平衡。目前，国内无功补偿主要采用变电站集中补偿和企业就地补偿两种形式。这两种形式都是基于某一个采样点的无功情况进行补偿，不能综合考虑把整个电网的实时运行情况，而无功潮流在整个电网上是动态分布的，传统的补偿方法无法解决无功潮流不平衡、电压波动大等问题。发、供电部门，除了供给用户有功负荷外，还要供给用户以无功负荷。对一般工业用户而言，要求功率因数为0.85，即供应每兆瓦时有功电量，则免费供应无功电量为619kvar。这种搭配比例已不适应电力系统发展，因为大电网的高压输变电输送无功损耗很高，并且随负荷波动变化很大，同时大多数民用电器不带补偿装置。因此，理想的补偿方案就是无功就地供应，自动调整。目前，国内对用于城市配电网的无功补偿研究正在起步。一些地区推出了户外型无功固定补偿和自动补偿装置，但由于户外环境恶劣，系统运行的可靠性不高，难以满足现场运行要求，并且依旧不能综合考虑整个电网的运行情况。因此，配电网要从无功不足到无功平衡，最后到具备无功储备能力，任务十分艰巨。电网无功状态是衡量电能质量的一个重要指标。随着电力系统的发展，尤其是数字电力系统（DPS）的提出，对调度管理决策的科学性、电能质量和负荷的监视提出了更高的要求。最优调度、指令效果反馈、负荷预估、远程抄表等问题的解决都必然要求对电网中、低压端的电能质量和负荷情况进行监视。理想的无功补偿装置应该能实时跟踪电网的运行状态，进行信息交流，寻求最佳补偿，为电力系统CIMS打下基础。1.2.2配电网无功优化补偿的发展电力系统的各节点无功功率平衡决定了该节点的电压水平，由于当今电力系统的用户中存在着大量无功功率频繁变化的设备；如轧钢机、电弧炉、电气化铁道等。同时用户中又有大量的对系统电压稳定性有较高要求的精密设备：如计算机，医用设备等。因此迫切需要对系统的无功功率进行补偿。 传统的无功补偿设备有并联电容器、调相机和同步发电机等，由于并联电容器阻抗固定不能动态的跟踪负荷无功功率的变化；而调相机和同步发电机等补偿设备又属于旋转设备，其损耗、噪声都很大，而且还不适用于太大或太小的无功补偿。所以这些设备已经越来越不适应电力系统发展的需要。20世纪70年代以来，随着研究的进一步加深出现了一种静止无功补偿技术。这种技术经过20多年的发展，经历了一个不断创新、发展完善的过程。所谓静止无功补偿是指用不同的静止开关投切电容器或电抗器，使其具有吸收和发出无功电流的能力，用于提高电力系统的功率因数，抑制系统振荡等功能。目前这种静止开关主要分为两种，即断路器和电力电子开关。由于用断路器作为接触器，其开关速度较慢，约为1030s，不可能快速跟踪负载无功功率的变化，而且投切电容器时常会引起较为严重的冲击涌流和操作过电压，这样不但易造成接触点烧焊，而且使补偿电容器内部击穿，所受的应力大，维修量大。随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，交流无触点开关SCR、GTR、GTO等的出现，将其作为投切开关，速度可以提高500倍（约为10s），对任何系统参数，无功补偿都可以在一个周波内完成，而且可以进行单相调节。现今所指的静止无功补偿装置一般专指使用晶闸管的无功补偿设备，主要有以下三大类型，一类是具有饱和电抗器的静止无功补偿装置（SR：SaturatedReactor）；第二类是晶闸管控制电抗器（TCR：Thyristor ControlReactor）、晶闸管投切电容器（TSC：Thyristor SwitchCapacitor），这两种装置统称为SVC（StaticVar Compensator）；第三类是采用自换相变流技术的静止无功补偿装置高级静止无功发生器（ASVG：Advanced Static VarGenerator）。1.3本文主要研究工作在本文研究工作中，通过对各种无功补偿优化的比较，结合配电网的实际情况和基本需要，选择了一种适用于配电网无功优化配置的算法。结合实际情况，对配电网无功优化的方法进行了研究，提出了在10kV线路中并联电容器进行无功优化补偿的方法，比较了按照线路最佳补偿位置进行线路分段无功补偿和流行的按变压器进行无功补偿的效果（线损降低程度）并提出了相关意见。本文通过对国内外现有文献进行研究，针对我国10kV馈线主要采用补偿电容器作为无功补偿设备的现实情况，对无功优化实用化问题做了初步探讨。2 无功补偿和无功优化在电网运行中，因大量非线性负载的运行，除了要消耗有功功率外，还要消耗一定的无功功率。无功补偿是提高电力系统功率因数的一种有效且经济的方法，得到了广泛的应用。它在电力系统中，除了可提高输送容量外，还可提高电网电压质量，特别是为减少电气线路和电气设备中的能量损耗，发挥着难以替代的作用。 2.1无功补偿2.1.1无功补偿的基本概念有功功率：有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能转换为其他形式能量(机械能、光能、热能)的电功率。单位：瓦（W）或千瓦（KW）。无功功率：无功功率比较抽象，它是用于电路内电场与磁场的交换，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。它不对外作功，而是转变为其他形式的能量。凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就要消耗无功功率。无功功率决不是无用功率，它的用处很大。电动机需要建立和维持旋转磁场，使转子转动，从而带动机械运动，电动机的转子磁场就是靠从电源取得无功功率建立的。变压器也同样需要无功功率，才能使变压器的一次线圈产生磁场，在二次线圈感应出电压。因此，没有无功功率，电动机就不会转动，变压器也不能变压，交流接触器不会吸合。单位：乏（var）或千乏(Kvar) 感性无功功率：电动机和变压器在能量转换过程中建立交变的磁场，在一个周期内吸收和释放的功率相等，这种功率叫感性无功功率。单位（Kvar） 容性无功功率：电容器在交流电网中接通时，在一个周期内,上半周期的充电功率与下半周期的放电功率相等，而不消耗能量，这种充放电功率叫容性无功功率。单位（Kvar） 视在功率：电纯阻性电路中电压和电流是同相位的，电压和电流的乘积为有功功率；但在感性或容性电路中，电压和电流有着相位差，所以电压和电流的乘积并不是负荷实际吸收的电功率，而是表面的数值，称为视在功率。单位（KVA）。2.1.2 无功补偿的基本原理 把具有容性功率的装置与感性负荷联接在同一电路，当容性装置释放能量时，感性负荷吸收能量，而感性负荷释放能量时，容性装置吸收能量，能量在相互转换，感性负荷所吸收的无功功率可由容性装置输出的无功功率中得到补偿，因此把由电容器组成的装置称为无功补偿装置。其基本原理如图2-1所示。设电感性负荷需要从电源吸取的无功功率为Q，装设无功补偿装置后，补偿无功功率为，使电源输出的无功功率减少为，功率因数由提高到，视在功率减少到。图2-1 无功补偿原理示意图视在功率的减少可相应减少供电线路的截面和变压器容量，降低供用电设备的投资。例如一台1000千伏安的变压器，当负荷的功率因数为0.7时，可供700千瓦的有功负荷，当负荷的功率因数提高到0.9时，可供900千瓦的有功功率。同一台变压器，因为负荷的功率因数的提高而可多供200千瓦负荷，是相当可观的。另一方面，配电网末端总存在电压过低等问题，究其原因，除电网自身的问题之外，主要是由于无功不足所致。电网在进行功率传输时，电流将在线路等阻抗上产生电压损耗U，假如始端电压为，末端电压为，则电压损耗可用公式(2-1)计算。 (2-1)式(2-4)中 为线路传输的有功功率，为线路传输的无功功率，为线路额定电压，、分别线路电阻、电抗。我们保持有功功率恒定，而R和x为定值，无功功率Q愈小，电压损失愈小，电压质量就会愈高。当线路安装无功补偿容量为Qc的并联电容器补偿装置后，线路电压损耗变为: (2-2)可以看出:采取无功补偿以后，无功功率Q变小，限制了无功功率在电网中的传输，相应的减少了线路电压的损耗，提高了配电网的电压质量。所谓电容器补偿，就是在变电所母线或用电设备上并联电力电容器，从而提高供电系统的功率因数和电压质量。其基本原理见图2-3基本的RLC电路所示。图2-2基本的RLC电路现实中绝大多数电器设备均为感性电抗，从而导致电流l(R+L)置后于电压一个相位角甲，并联电容器以后，即我们引入一个超前流IC，使得甲接近于零值，功率因数提高，从而达到不使供电设备传输过多无功的目的。无论是工业负荷还是民用负荷，大多数均为感性。所有电感负载均需要补偿大量的无功功率，提供这些无功功率有两条途径：一是输电系统提供；二是补偿电容器提供。如果由输电系统提供，则设计输电系统时，既要考虑有功功率，也要考虑无功功率。由输电系统传输无功功率，将造成输电线路及变压器损耗的增加，降低系统的经济效益。而由补偿电容器就地提供无功功率，就可以避免由输电系统传输无功功率，从而降低无功损耗，提高系统的传输功率。 2.2无功功率2.2.1正弦电路中的功率设无源两端口网络的端电压和电流分别为 其中是电压与电流的相位之差。 (2-3)其中 P=,Q=。式(2-1)表明，瞬时功率可看成是两个功率分量叠加的结果，其中，第一个分量P(l-)是以为平均值而作简谐振荡的分量，其瞬时值恒为非负。所以，它是一个只有大小变化而不改变传输方向的瞬时功率分量，它代表电路的等效电阻所吸收的瞬时功率，是反映电路实际耗能的有功分量，其平均值P即为有功功率。上式中的第二个分量是一个以2为角频率作正弦交变的瞬时功率分量，在其变化的波形中，正、负半周与横轴之间构成的面积分别代表等量的吸收能量和释放能量，表明有一部分能量在电源和电路之间交换。2因此，这个瞬时功率分量代表电路的等效电抗吸收的瞬时功率，反映了电源和电路之间能量往返交换的速率，是在平均意义上不能作功的无功分量。该无功分量的最大值Q即为无功功率，所以，无功功率Q实质上是电路与电源之间能量往返交换的最大速率。在电路中，将U与I的有效值之积定义为视在功率，即:其中 (2-4)则，S,P,Q三者在数值上的关系可以用“功率三角形”表示，如图2-1所示。由以上分析可知，有功功率是一平均值，为无源网络所消耗的功率。实质上就是该网络中各耗能元件电阻所消耗的功率之和。无功功率是一个交换功率的幅值，它虽然没有为网络所“消耗”，但它反映了网络内部与外部交换能量的能力的大小，实质上就是该网络中各储能元件L和C与电源之间进行能量往返交换的最大速率。无功功率比较抽象，它是用于电路内电场与磁场的交换，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。它不对外作功，而是转变为其他形式的能量。凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就要消耗无功功率。比如40瓦的日光灯，除需40多瓦有功功率(镇流器也需消耗一部分有功功率)来发光外，还需80乏左右的无功功率供镇流器的线圈建立交变磁场用。由于它不对外做功，才被称之为“无功”。无功功率的符号用Q表示，单位为乏(var)或千乏 (Kvar)。当网络中电压超前电流时，0，则网络为感性，无功功率为Q0，习惯上理解为网络“吸收”感性无功功率，相当于“发出”容性无功功率;若网络中电流超前电压时，0，则网络为容性，无功功率Q0，习惯上理解为网络“吸收”容性无功功率，相当于网络“发出”感性无功功率。“发出”和“吸收”无功功率的意义不同于有功功率的吸收和发出，这里只是一种习惯的说法。电力系统中大量的负荷是电感性的，因此，我们将吸收感性无功功率的负荷称为“无功负荷”，而将吸收容性无功功率的设备称为“无功电源”。图2-3功率三角形示意图2.2.2功率因数电力网除了要负担用电负荷的有功功率P，还要承担负荷的无功功率Q。图2.1“功率三角形”描述了有功功率P、无功功率Q还有视在功率s之间的关系，其中 (2-5)式中 功率因数；有功功率，kW； 无功功率，kVar； 视在功率，kVA； 用电设备的额定电压，V； 用电设备的运行电流，A。被定义为电力网的功率因数，其物理意义是供给线路的有功功率P占线路视在功率S的百分数。在电力网中的运行中，我们希望的是功率因数越大越好，如果能做到这一点，则电路中的视在功率将大部分用来供给有功功率，减少无功功率的消耗。功率因数是反映电力用户用电设备合理使用状况、电能利用程度及用电管理水平的一个重要技术指标。 功率因数分为自然功率因数、瞬时功率因数和加权平均功率因数。(1)自然功率因数：是指用电设备没有安装无功补偿设备时的功率因数，或者说用电设备本身所具有的功率因数。自然功率因数的高低主要取决于用电设备的负荷性质，电阻性负荷(白炽灯、电阻炉)的功率因数较高，等于1，而电感性负荷(电动机、电焊机)的功率因数比较低，都小于1。 (2)瞬时功率因数：是指在某一瞬间由功率因数表读出的功率因数。瞬时功率因数是随着用电设备的类型、负荷的大小和电压的高低而时刻在变化。 (3)加权平均功率因数：是指在一定时间段内功率因数的平均值。无功功率对供、用电产生一定的不良影响，主要表现在： (1)降低发电机有功功率的输出。 (2)降低输、变电设备的供电能力。(3)造成线路电压损失增大和电能损耗的增加。(4)造成低功率因数运行和电压下降，使电气设备容量得不到充分发挥。2.3 无功优化概述2.3.1配电网无功补偿问题的提出在电力系统中，由于电感、电容原件的存在，不仅系统中存在有功功率，而且存在着无功功率。虽然无功功率本身并不消耗能量，它的能量只是在电源及负载之间进行传输交换，但是在这种能连交换的过程中会引起电能的损耗，并使电网的视在功率增大。这将对系统产生以下一系列的负面影响：（1）电网总电流增加，从而会使电力系统中的元件，如变压器，电器设备、导线等容量增大，使用户内部的启动控制设备、测量仪表等规格、尺寸增大、因而使初期投资费用增大。在传送同样的有功功率情况下，总电流的增大，使设备及线路的损耗增大，使线路及变压器的损耗增大。（2）电网的无功容量不足，会造成负荷端的供电电压低，影响正常生产和生活用电；反之，无功容量过剩，会造成电网的运行电压过高，电压波动过大。（3）降低了电网的功率因数造成大量的电能损耗。当功率因数由0.8下降到0.6时，电能损耗将近提高了一倍。（4）对电力系统的发电设备来说，无功电流的增大，对发电机转子的去磁效应增加，电压降低，如果过度增加励磁电流，则使转子绕组超过允许温升。为了保证转子绕组正常工作，发电机就不允许达到预定出力。此外，原动机的效率是按照有功功率来衡量的，当发电机发出的视在功率一定时，无功功率的增，会导致原动机效率的相对降低。目前，随着电力电子技术的迅速发展，工厂大量使用大功率开关器件组成的设备对大型、冲击型负载供电，这使电能质量下降的问题日益严重。如果不进行无功补偿，在正常运行时，会反复地使系统的无功功率在很大范围内波动，这不仅使电气设备得不到充分的利用网络传输能力下降，损耗增加，甚至还会导致设备损坏，系统瘫痪。2.3.2无功补偿的电路和向量图a 图2-1电路原理图 b 向量图（欠补偿） c 向量图（过补偿）图2-2 补偿后的向量图在工业和生活用电负载中，阻感负载占有很大比例：异步电动机、变压器、荧光灯等都是典型的感性负载。异步电动机和变压器所消耗的无功功率在电力系统所提供的无功功率中占有很大的比重。电力系统的电抗器和架空线等也要消耗一些无功功率。阻抗负载可以看做电阻R与电感L串联的电路。其功率因数为：式中：，将R、L电路并连接入C中，电路如2-1所示。该电路的方程为：I=IC+IRL由图2-2（b）向量图可知，并联电容后，电压和电流的相位变小了，即供电回路的功率因数提高了，此时供电电流的相位滞后于电压。这种情况称为欠补偿。若电容C容量过大，此时供电电流的相位超前于电压，这种情况称为过补偿。其向量图如图2-2（c）所示。通常不希望出现过补偿情况，因为这会引起二次侧电压升高，而且容性无功功率同样会增加电能损耗。如果供电线路电压因此而升高，还会增加电容器本身的功率损耗，使温升增大，影响电容器寿命。2.4 无功优化补偿的原则和类型2.4.1无功优化和补偿的原则总体平衡与局部平衡相结合，既要满足全网的总无功平衡，又要满足分线、分站的无功平衡。集中补偿与分散补偿相结合，以分散补偿为主，这就要求在负荷集中的地方进行补偿，既要在变电站进行大容量集中补偿，又要在配电线路、配电变压器和用电设备处进行分散补偿，目的是做到无功就地平衡，减少其长距离输送。 高压补偿与低压补偿相结合，以低压补偿为主，这和分散补偿相辅相成。 降损与调压相结合，以降损为主，兼顾调压。这是针对线路长，分支多，负荷分散，功率因数低的线路，这种线路最显著的特点是：负荷率低，线路损失大，若对此线路补偿，可明显提高线路的供电能力。 供电部门的无功补偿与用户补偿相结合，因为无功消耗大约60%在配电变压器中，其余的消耗在用户的用电设备中，若两者不能很好地配合，可能造成轻载或空载时过补偿，满负荷时欠补偿，使补偿失去了它的实际意义，得不到理想的效果。 在无功优化和无功补偿中，首先要确定合适的补偿点。无功负荷补偿点一般按以下原则进行确定：(1)根据网络结构的特点，选择几个中枢点以实现对其他节点电压的控制；(2)根据无功就地平衡原则，选择无功负荷较大的节点；(3)无功分层平衡，即避免不同电压等级的无功相互流动，以提高系统运行的经济性；(4)网络中无功补偿度不应低于部颁标准0.7的规定；2.5 电网无功优化，提高功率因数的意义2.5.1、加装无功补偿设备，改善电压质量由电压损失的计算公式可知，当电网输送的有功功率一定时，输送的无功功率越大，网络的电压损失也越大，到用户的端电压就越低。加装无功补偿设备，提高功率因数，可以减少网络输送的无功负荷，从而达到降低电压损失，提高用户端电压的目的。2.5.2、加装无功补偿设备，提高输配电线路供电能力当输配电线路的导线截面一定时，它输送的经济电流就为一定值。合理加装无功补偿设备，提高功率因数后，可使线路输送的无功电流大量减少，从而“释放”出富余容量，增加供电能力。例如一条LJ-70的10kV架空线路，在电压降低10%，=0.7时的负荷距为12.5MW.KM.当功率因数提高到0.85时，负荷距增加为15.6MW.KM。也就是说，架设同样长的线路（在允许的供电半径内），供电能力可以增加3.1MW。可以节约新建线路的投资。2.5.3、加装无功补偿设备，提高变压器的带负荷能力由公式可知，当变压器的容量一定时，合理加装无功补偿设备，提高功率因数，可增加变压器的有功出力。增加的有功出力可以按下式计算：.变压器的可挖掘出的视在功率可由下式求得; .例如：一台S9-1000KVA的变压器，功率因数由0.8提高到0.95时，可增加的有功出力，可挖掘出的视在功率为。对用户来说，当现有的变压器的供电能力提高后，可节约增容费、材料费、施工费等投资。3 10KV电网的无功补偿前、后分析比较在我国一些较小的城镇电力用户及农村电力用户一般由10kV配电线路进行供电，在线路沿线挂接着众多的电力负荷。随着国民经济的发展，电力用户的数量与负荷日益增加，线路的损耗亦同步上升，在我国日益重视节能的形势下，如何降低10kV配电线路的损耗已成为目前急需解决的问题，而解决的办法是在线路上适当的进行无功补偿。下面就这一问题进行分析与讨论。3.1 10kV线路的降损与无功补偿3.1.1无功补偿前的线路损耗分析图3-1为无功补偿前的简化线路图：图3-1无功补偿前的简化线路图设:如图3-1所示的长度为S的配电线路，由变电站10kV母线供电，在线路上均匀地分布着电力负荷。变电站母线提供的线路总负荷电流为I，由于负荷一般均为感性负荷，所以变电站在提供有功电流的同时，亦需提供容性无功电流，显然:这时，线路的功率因数COS为：由于负荷均匀地分布在线路上，所以线路上每一点的电流i是不相同的。 电流i在线路上产生的损耗P为: 为有功电流在线路上输送过程中产生的损耗，这部分是不能降低的。为无功电流在线路上输送过程中产生的损耗，它可以通过无功补偿，以减少无功电流及其输送距离来降低。所以，下面仅讨论无功电流在线路上产生的损耗: 式中，r为单位线路长电阻： 3.1.2线路补偿后分析：图3-2为无功补偿后的简化线路图：图3-2 无功补偿后简化示意图设如图3-2所示，线路上的C点接入电容器组进行无功补偿，其电容电流为Ic，方向见图3-2。电容器组接入后，线路上的无功电流就发生变化，其关系如下：式中：接入电容器后变电站母线提供的无功电流; 线路上注入C点的无功电流; 线路上由C点流入D点的无功电流;线路OC的长度;线路CD的长度;线路OD的长度;线路OC段任一点电流： 线路CD段任一点电流： 线路OC段的损耗为：线路CD段的损耗为：线路OD段的总损耗为：设: K为无功补偿度 L为安装点的距离比（无功补偿装置安装点离变电站离与线母线的距路长度之比），对进行积分并整理后，可得：从上式可知，线路无功补偿后，其损耗大小与无功补偿度和安装点的距离比有关。3.1.3线路无功补偿后的损耗降低率：损耗降低率可用下式表示:整理后得：要求取取得最大值，可对K、L取偏导数，并令其值等于零，整理后得：解得：K=2/3,L=2/3.取得的极大值，=8/9或=88.9%也就是说，当电容器组的无功补偿度为2/3，安装地点距变电站2/3的线路长度时，能取得最佳降损效果，其损耗降低率为88.9%。3.2实际线路无功补偿量及其安装位置的确定实际线路的无功负荷不是固定不变的，它随着季节、时间、负荷的变化而不同，所以在设计时应选择一个比较合理的无功负荷作为基准，以确定无功补偿。（1）根据运行日志，统计出全年的无功负荷，然后得出其平均无功负荷与最小无功负荷，也能计算出和。取，但当，时，则取，以防无功向变电站倒送。根据与电容器的额定电压可计算出补偿电容器的额定容量。（2）电容器的补偿容量可根据线路安装的配电变压器总容量的5%10%来选取，同样也要考虑在线路最低无功负荷时不向变电站倒送无功。电容器组的安装位置直接影响损耗降低率的大小， L对的影响与K是一样的，这一点由表3-1可以直接看到。所以，电容器组的安装位置应取L=2/3，以便尽量取得最佳降损效果。但当有一较大的无功负荷与L=2/3点相距不远时可考虑就近安装。表3-1 K、L不同值时与（%）的关系4 确定无功补偿容量的一般方法和手段配电网中常用的无功补偿方式包括:在高低压配电线路中分散安装并联电容器组;在配电变压器低压侧和车间配电屏间安装并联电容器以及在单台电动机附近安装并联电容器(就地补偿)等。近年来企业中普遍利用并联电容器进行供用电线网的无功补偿，提高电网的功率因数，降低供电线路的电流，减少了线损，取得了较好的效果。但不同的补偿方式，在实际中的补偿效果仍有所差异。确定补偿容量的方法是多种多样的，但其目的都是提高电网的某种运行指标，下面介绍几种无功补偿的方案。4.1 10kV线路补偿方案简介4.1.1就地无功补偿方案 该方案又称“个别补偿”，电容器直接装于用电设备附近，与电动机的供电回路相并联，常用于低压网络。它使用可控硅或者机械开关作为投切开关，通过就地电压传感器控制而自动地投切电容器。一般的包含了一个电抗器用来对谐波进行滤波。它在其连接点通过改变流入或者吸收系统的无功电流来改变系统的电压。在效果上，它起着一个可变无功负载作用，调整其值起到保持交流电压为常数的作用。通常适用于经常投入运行，负荷较稳定的中小型低压电动机。在电机等感性负载旁和电容器直接并联，与电机等同开，同停。停机后电容器通过电机直接放电，电容器不再另需放电装置。运行时电机所需无功由电容器就地供给，能量交换距离最短，可以最大限度的降低线路的电流。在线路相同的条件下，线路损耗与电流的平方成正比，所以电容就地补偿，节电效果最好，投资也小。特别是能够有效抑制设备瞬间出现的电流波动冲击电网。但是一般工业生产，现场环境相对较差，特别是冶金企业，金属粉尘含量高，维护、保养若不能定时进行，往往最易损坏。同时，对于频繁操作的设备，由于瞬间大电流的频繁冲击，也是造成电容器易损坏的一个方面，所以，此种方式中电容器使用寿命短。由于随机开,停,电容器的有效使用率也最低。4.1.2分散补偿方案分散补偿一般装设在1OkV配电线路上，可以根据各种传统优化补偿方法确定补偿位置和容量。常见有以下几种方式:（1）高压电容器分组安装于城乡电网10kV, 6kV配电线路的杆架上;（2）低压电容器安装于公用配电变压器的低压侧;（3）低压电容器安装于电力用户各车间的配电母线上。这种补偿方式在变压器低压侧的输电线路中，分散进行电容器固定容量的补偿，克服了集中固定补偿中容量较大时的涌流过大等问题，并能有效的增大配电线网的供电能力，节电效果较好。其优点是在低负荷时，可以相应停运数组，以防过补偿。投资较为经济。4.1.3集中补偿方案集中补偿通常指装设于地区变电所或高压供电用户降压变电所母线上的高压电容器组。其优点是易于自动投切，利用率高，维护方便，事故少，能减少配电网、用户变压器及专供线路上的无功负荷和电能损耗。这种补偿方式己经被大量使用。集中补偿分为固定容量补偿和自动补偿，均可最大限度的挖掘变压器的容量潜力，增大负载能力。根据当功率因数时，有功功率P等于变压器的视在功率S。而一般自然功率因数在0.60.7之间，如不进行补偿，供电变压器的效率就很准提高，例如，1000kVA的变压器仅能带600700kW的有效功率。特别是自动补偿，功率因数可控制到0.950.98，其增容效果更为显著。电容器的充、放电功能，可以有效的稳定电压，提高供电质量。电容器的安装环境也可以选择有利于日常维护、保养的地方，有利于延长电容器的使用寿命。但其缺点是不能解决低压网络内部无功电流的流动，补偿容量大，投入资金高，特别是自动补偿，按循环方式投、切，被切除的电容要有充足的放电时间，才能再次投入，电容配置容量相对较大，相应损耗也大。固定补偿虽然投资小，但如果补偿的容量过大，在低负荷时，易出现过补现象。在开、停过程中涌流较大，易造成设备损坏。城网无功补偿应根据就地平衡和便于调整电压的原则进行配置，可采用分散和集中补偿相结合的方式。目前在我国城市中较普遍采用集中安装方式，但衡量两种方式则以分散补偿为好，因而应提倡在380/220V低压网应采用分散补偿方式。4.1.4跟踪补偿方案跟踪补偿和随机补偿常用于用户端补偿。跟踪补偿是最常用的补偿方式，通过将低压电容器组安装在用户10kV母线上，使用自动投切方式跟踪无功负荷的变化。随机补偿常用于大型电动机和电焊机等功率因数很低的设备，通过控制、保护装置与电动机同时投切。对于大型电动机等设备有很好的经济效益。4.2几种补偿方案的理论比较分析由于经济的发展，大多数的高压用户的容量都大于160kVA，根据利率电费调整办法高压用户的功率因数都要求达到0. 9，根据每个月电费情况，绝大多数用户都能很好的完成利率。因此，如何对配电线路上的数量庞大的公用变压器进行补偿，保持无功功率平衡，提高电压质量，降低线损是本文所主要讨论的问题。进一步讲，针对变电所“集中补偿、线路分散补偿、变压器随器补偿”几种方式进行比较，分析各种补偿方式的优劣。变电站集中补偿具有必要性，主要有以下三点:（1）变电站通过调节电容器的投切和变压器分接头的位置来调节电压及无功潮流（2）可以补偿主变压器的无功损耗（3）就近向配电线路前段(即靠近变电站的线段)输送无功。但是完全集中在变电站进行无功补偿，经济效果受到很大限制，这是由于电容器组装于变电站，对减少1OkV配电网网损作用不大。因为用户消耗的无功功率仍需要通过线路长途输送，其功率和电能损耗在配电网内并未减少。通过计算也证明对于均匀分布的负荷情况，线路中只有一个补偿点的情况下，最佳补偿未置应该在线路全长2/3位置。在不均匀负荷的情况下，最佳补偿位置也应该在线路中60%70%的位置左右。为了进一步说明由于不同位置的补偿，对于35kV和1OkV线路补偿的效果经济性的不同，进行以下理论论证:（1）当完全不进行补偿时，如图所示：整个网络损耗：（2）当电容器组安装于变电站1OkV母线时，如图所示：整个网络损耗:（3）当电容器组安装于1OkV线路时,线路如图所示：整个网络损耗为：比较上面3式，可见，在电容器容量相同的情况下，当电容器组装于变电站的1OkV母线上时，仅能减少35kV的线损，不能减少1OkV级线损。而当电容器组装于1OkV线路上时，则可以同时减少35kV和1OkV两级线损。因此为了提高无功补偿的经济效益，电容器组尽量装在配电线路上是合理的。（4）当电容器组安装于变压器低压侧时，线路如下图所示：整个网络损耗的功率为：为第I台变压器的电阻。比较以上4式可以看出，在变压器侧补偿不仅能降低线路损耗还能降低配电变压器损耗，补偿效果最好。因此在不计算投入的情况下在配电变压器侧补偿效果最好。4.3几种补偿方式的经济技术比较4.3.1几种补偿方式的投入比较：（1）集中补偿方式：从投入来说集中补偿由于补偿主变压器所以投入较大，变电所集中装设的补偿容量可以按照主变容量的10%30%来确定，如装设电容器两组，各6012kvar，装设VQC-III型自动补偿仪两台，需要投资:（2）随器补偿方式：1#段有45台公用变压器，如果全部进行低压无功自动补偿，则需要投入45台低压无功自动补偿器。低压无功自动补偿器共分为两种，有综合测试仪的自动补偿器和不含综合测试仪的自动补偿器。如果把一台315kVA的变压器的功率因数从0.8提高到0.9则需要补充电容:可以认为315kVA变压器需安装无功60kvar。如果以每台变压器安装有综合测试仪的自动补偿器（含60kVar电容器），则需投资：如果以每台