东京喰种的大结局:配电变压器无功补偿电容器的合理配置

农村配电变压器无功补偿电容器的合理配置
北极星电力网技术频道    作者:
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[摘 要] 本文结合农村负荷的特点，提出了配电变压器无功补偿装置电容器的合理配置，论述合理配置后可提高功率因数，提高电压质量、降低线损。
[关键词]配电变压器 电容器 配置
0. 引言
运行中的配电网，不仅有功要平衡，无功也要平衡。通常对有功的平衡都知道要平衡，但对无功却远没有像有功一样引起重视，而当电网的无功平衡失调，功率因数降低时，电力设备得不到合理应用，线路损失增大，用户末端电压下降。因此，无功补偿问题越来越引起人们的重视。在经过近几年大规模的农网建设和改造，农村电网的健康水平有了明显提高的同时，也安装了大量的无功补偿。这些大都采用自动投切，但往往由于电容器配置不合理，电容器只数太少，单只容量太大，投一级达不到要求的功率因数，再投一级又会因超过功率因数定值而投不上。这样提高功率因数就达不到预期的目的。
1. 农村负荷特点及无功补偿
配电变压器无功补偿装置的作用就是使该台变压器的无功能就地平衡，一是平衡变压器的励磁所需的无功功率，二是满足负荷无功的需求。尽量不向系统吸收无功或少吸收无功。农村除专用变外，一般是自然村的综合变，它的负荷主要农村生活用电，副业生产以及少量的粮食加工等，这些负荷的特点是“二低一高”，即负荷率低，功率因数低，同时率高。一般情况配电变压器容量处于半载或轻载情况下运行，晚间灯峰负荷可能出现最高负荷。负载端一般没有无功补偿装置，自然功率因数cosф在0.7以下，极少数甚至在0.5左右。无功补偿装置就要针对负荷的特点有的放矢。
1.1 变压器运行时自身所需的无功功率
变压器空载运行所需的无功功率：Q0＝I0％Se/100
变压器满载运行所需的无功功率：Qe = Q0 +Ud% Se /100
变压器正常运行时所需的无功功率： Q= Q0 + Ud% Se（S/Se）2 /100
式中：Ud%短路电压百分比值
I0％　空载电流百分比值
Se变压器额定容量
S变压器实际运行容量
根据以上的方程式可计算出变压器所需的无功功率。
1.2 负载所需的无功功率
考虑负载侧所有的无功功率作集中补偿。其计算方法如下：
Qc=P(tgQ1-tgQ2)
Qc：补偿电容器容量（KVAR）
P：负载的有功功率
Q1：改善前功率因数角
Q2：改善后功率因数角
每千瓦的有功功率提高功率因数所需的无功功率如下表：
2．无功补偿的效益
对于电力系统来说，无功功率补偿设备可装在高压侧或低压侧。当然，如无功功率装在低压侧，不仅可以提高功率因数，而且还可以减少线路，变压器的损耗，提高变压器、线路的利用率和减少系统的电压下降。无功功率补偿设备越近负荷端，获取的经济效益就越大。
2.1 改善功率因数－降低总电流I（即视在电流）
I :视在电流，Ip：有功电流， Iq：无功电流
功率因数提高，视在电流I降低的百分数
从计算表我们可以看出，功率因数对视在电流的影响极大。例如，当功率因数从0.70提高到0.90时，视在电流I降低26.53％；提高到0.95，I降低34.04％。
2.2 减少线路损耗
通过线路输送的电流I＝P/cosф：Pxs=3I2R=3RP2/U2cos2ф
以功率因数等于1为基点，当实际功率因数为cosф时，线损增加的百分数为：
ΔPxs=〔（1/cosф）2－1〕*100％
由此式可计算出功率因数由1.0下降与线路损失增加的关系：
cosф↓
0.95
0.90
0.85
0.80
0.75
0.70
0.65
0.60
ΔPxs↑
11
23
38
56
78
104
136
178
同理，提高功率因数与降低线损推算为：
ΔPxs=〔1-（cosф1/cosф2）2〕*100％
式中：ΔPxs－降低线损百分数
cosф1－原有功率因数
cosф2 －提高后的功率因数
由上式可计算出功率因数提高与线路损失减少的关系。（以cosф＝0.6为参考点）
cosф↑
0.60
0.65
0.70
0.75
0.80
0.85
0.90
0.95
ΔPxs↓
0
26
46
59
68
75
80
84
当功率因数由0.60提高到0.90，线路损失将减少80％，可见功率因数对线损影响极大。
3. 无功补偿电容器的合理配置
电容器的合理配置包括选择的电容器容量和只数两个方面。
3.1 功率因数的目标值
提高功率因数需要增加电容器，但提高功率因数后带来的是视在电流下降和线路损耗降低，为方便比较，列出下列关系表。
功率增加与每千瓦有功功率所需增加的无功容量，视在电流降低和线损未下降的关系
cosф
0.60
0.65
0.70
0.75
0.80
0.85
0.90
0.95
每千瓦的有功功率提高功率所需的无功功率 0
0.17
0.31
0.45
0.58
0.71
0.85
0.99
视在电流Iq%↓ 0
7.03
13.41
19.42
24.99
30.69
36.39
43.03
线损ΔPxs↓ 0
26
46
59
68
75
80
84
从表中我们可以看出，当功率因数提高时所需的电容器和视在电流下降的百分比呈线型关系，唯有线路损耗下降的百分数不是线型关系，功率因数愈高，经济效益就越差。当功率因数cosф由0.6提高到0.7时，线路损失下降近50％；而由0.7提高到0.8时，线路损失只下降了20％；当由0.8提升到0.9时，线路损耗仅下降10％，功率因数愈高，效果愈差，因此不要认为把功率因数提高到越高越好，往往事与愿违。笔者认为功率因数的目标值定为0.85较为合适。
3.2 电容器的容量和只数
如果将功率因数的目标值定为0.85，假定负荷的自然功率因数数为0.65，计算出变压器所需的补偿电容器容量。
变压器额定容量（KVA）
50
100
160
200
250
315
变压器满载消耗的无功功率（KVAR）
3.25
6.10
9.44
11.60
14.25
17.64
变压器满载时补偿负载的无功功率（KVAR）
23.33
46.66
74.66
93.33
116.65
146.98
合计
27
53
84
105
131
165
确定了电容器的容量，电容器只数的选择应考虑几个方面，理论上只数越多，调节越细，每只电容器的容量最好为制造厂的最小容量，但考虑到与功率因数自动调整器的配合，每台变压器的电容器数量不宜超过12只，另外为保证变压器空载和变压器满载及接近功率因数数定值投运率，建议首、末投入的电容器的容量为最小。
变压器补偿的电容器只数为下表：
变压器额定容量（KVA）
50
100
160
200
250
315
补偿电容器容量×只数
9×3
9×6
9×9
9×2+11×8
9×2+12×10
9×2+14×10
4. 结束语
合理配置农村配电变压器的无功补偿电容器，实现无功功率的就地平衡，提高负荷的功率因数，不仅能减少线路损耗，增加线路输送容量，还能改善电压质量。只要能合理配置变压器的无功补偿电容器，加强设备的运行管理，确保电容器的投运率，就能提高电能质量和电网运行的经济性，增加可观的经济效益。