感性及容性无功配置的研究

感性及容性无功配置的研究

谢驰

（智方工程设计有限公司湖北武汉430000）

摘要：本文主要围绕国家电网公司建设“资源节约型、环境友好型、工业化”输变电工程为目标，根据国家电网公司通用设计变电站建设规模及接入系统方案，通过详细的无功平衡计算，并参照国网公司通用设计与通用设备，对本工程感性无功及容性无功补偿装置进行优化配置，以满足电压和功率因数运行要求，减少无功的不合理流动，提高电力系统运行的经济性。

关键词：感性无功，容性无功，无功配置

1、无功功率补偿的作用

电力系统网络中不仅大多数负荷要消耗无功功率，而且大多数网络组件也要消耗无功功率。电力系统中网络组件和负荷需要的无功功率必须从网络中某个地方获得。如果这些所需要的无功功率由发电机提供并经过长距离传送，显然是不合理的，通常也是不可能的；如果这些所需要的无功功率不能及时得到补偿，电力系统的安全运行以及用电设备安全就会受到影响。因此，无功功率补偿对电力系统有着重要意义，包括以下几点：

（1）稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。（2）提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减小功率损耗。（3）改善系统的稳定性，提高输电能力，并提供一定的系统阻尼。（4）减少线路损失，提高电网的有功传输能力。（5）降低电网的功率损耗，提高变压器的输出功率及运行经济效益。

2、并联电容器补偿无功功率的原理

电力系统的大部分负荷是电感性的，这些感性负荷消耗大量的无功功率，感应电动机消耗的无功功率约占总功率的60%~70%，变压器消耗的无功功率约占其总功率的20%~25%，而空载运行时，变压器的功率因数只有0.01左右，如果感性负荷所需的无功功率得不到就地补偿，势必由发电机来供给，即电气设备与电源之间存在大量的功率交换。大量的无功电流在电源与负荷之间流动，造成电网电能的消耗，降低电源的功率因数。

在交流电路中，纯电阻原件中负载电流和电压同相位，纯电感负载中电流滞后电压900，纯电容负载中电流超前电压900。也就是说，纯电容中的电流与纯电感中的电流相位相差1800，可以相互抵消，即当电源向外供电时，感性负荷向外释放的能量由容性负荷储存起来；当感性负荷需要能量时，再由容性负荷向外释放的能量来提供。能量在两种负荷之间互相交换，感性负荷所需要的无功功率就可从容性负荷输出的无功功率中得到补偿，实现了无功功率就地解决，达到补偿的目的。

3、变电站感性及容性无功配置的算法

某110kV变电站感性及容性无功配置的算法流程如下：

图1无功平衡电气接线图

3.1、无功负荷

当10kV负荷侧功率因数为0.9~0.92时，负荷的有功功率为：，则负荷的无功功率为：。

3.2、网络无功损耗

（1）变压器的无功功率损耗

变压器中的无功损耗ΔQT包括励磁损耗ΔQyT和漏抗中的损耗ΔQzT。

变压器等效电路如下图2所示：

图2变压器等效电路

ΔQT可表示为：

3.2、线路的无功功率损耗

电力线路的无功功率损耗也分两部分，即并联电纳和串联电抗中的无功功率损耗。并联电纳中的损耗又称为充电功率，与线路电压的二次方成正比，呈容性。串联电抗中的损耗与负荷电流的二次方成正比，呈感性。

35kV以下的线路充电功率较小。110kV及以上线路，尤其是电缆线路（电缆对地电容要比架空线路对地电容大的多），当输送功率较大时，电抗中消耗的无功功率将大于电纳产生的无功功率，此时线路消耗无功功率；当输送的功率较小时，电纳产生的无功功率将大于电抗中消耗的无功功率，此时线路成为无功电源。110kV电缆线路充电功率可表示为：

而在110kV电缆线路轻载时串联电抗中的无功功率损耗要远小于并联电纳中产生的无功，此时充电功率就可近似为线路的无功功率损耗C.网络无功损耗：

3.3、目标功率因数（是一个范围值）

依据《电力系统无功补偿配置技术原则》Q/GDW212—2008中“5kV～220kV变电站，所配置的无功补偿装置，在主变最大负荷时其高压侧功率因数应不低于0.95，在低谷负荷时功率因数不应高于0.95，不低于0.92。”

4、感性及容性无功配置分析

4.1、项目概况

某110kV变远景建设规模为3台50MVA主变，110kV/10kV电压等级。110kV侧接线采用单母分段接线，出线2回；10kV侧为单母线三分段接线，出线24回。

本期建设规模为2台50MVA主变，110kV/10kV电压等级。110kV侧接线采用单母分段接线，出线4回；10kV侧为单母线四分段环形接线，出线36回。

4.2、感性无功补偿

某变本期110kV出线现有2回，远景4回，主变负载率β按轻载时30%计算，低压侧功率因数按0.90考虑，某变本期主变为2台50MVA变压器，远景为3台50MVA变压器。

（1）低压侧负荷的有功功率为：

本期：P本=27.00MW

远景：P远=40.50MW

（2）低压侧负荷的无功功率：

本期：本=13.08Mvar

远景：远=19.62Mvar

（3）网络无功损耗

网络无功损耗包括变压器的无功损耗ΔQT和电缆线路的无功损耗

4.3、感性无功补偿

110kV变电站安装低压电容器的目的是补偿变压器本身的无功损耗及10kV负荷消耗无功。本期某变有2×50MVA主变，阻抗电压按照17%考虑，主变满足n-1条件下最大负载率按50%考虑。远景某变规划3×50MVA主变，阻抗电压按照17%考虑，主变满足n-1条件下最大负载率按67%考虑。计算过程与上述感性平衡计算一致。

（1）低压侧负荷的有功功率为：

本期：P本=45MW

远景：P远=90.45MW

（2）低压侧负荷的无功功率：

本期：本=21.79Mvar

远景：远=43.81Mvar

（3）网络无功损耗

网络无功损耗包括变压器的无功损耗ΔQT和电缆线路的无功损耗

①变压器的无功功率损耗

②线路的无功功率损耗

110kV电缆线路充电功率：

（4）功率因数要求

依据《电力系统无功补偿配置技术原则》Q/GDW212—2008中“5kV～220kV变电站，所配置的无功补偿装置，在主变最大负荷时其高压侧功率因数应不低于0.95，在低谷负荷时功率因数不应高于0.95，不低于0.92。”根据以上计算结果，本期高压侧功率因数为0.90，远景为0.88。均小于0.95，不在合理范围内，需配置容性无功补偿装置，即配置并联电容器。

总之，110kV某变电站远期建设规模为3台50MVA主变，每台主变安装电容器组容量为7Mvar(3+4Mvar)；变电站本期建设规模为2台50MVA主变，每台主变安装电容器组容量为7Mvar(3+4Mvar)。

参考文献：

[1]张勇，张勇军，朱昱，王承飞，李凯，吴鹤民.高、低压感性无功补偿配置方案研究[J].电力电容器与无功补偿，2017，38(05):27-32.

[2]黄娟娟，王巍，洪潮，陈雁，赵勇.南方电网2020年无功补偿配置原则研究[J].广东电力，2016，29(07):53-58.