單相負荷為主的低壓供配電系統的無功補償

袁艷鶴  吳文納  丁永歌

平頂山市城市規劃設計研究院

    在供配電系統中，供電質量的優劣有三個評價因素：一是在電源點電壓和頻率接近于恒定；二是功率因數趨近于l；三是三相系統中，相電流與相電壓趨于平衡。

    其中，采用無功功率補償來實現功率因數趨近于1，可以大量減少線路中因輸送無功電流而產生的電能損耗，并有效地改善電壓調節。因此，無功功率的補償一直以來都是供配電系統中的一個重要環節。在諸如樓宇及住宅小區等民用建筑的低壓供配電系統中，由于存在有大量的單相負荷(如照明燈具、家用電器、辦公設備、計算機等)，且該類負荷使用的隨機性極高，使原本通過調配供電回路的負荷來實現的三相平衡在實際運行中已全無意義，導致了低壓供配電系統三相負載階段性的嚴重不平衡。這種不平衡不具備規律性，無法事先預知，也無法有效地改善。再加上每相負載的功率因數也不盡相同，便常常使得每相回路中需要補償的無功功率差異很大。

    長期以來，低壓供配電系統中的無功功率補償方式均為在用戶變壓器低壓側安裝低壓三相電力電容器組，在測得采樣相(多為B相)的功率因數后，便依據此值投切三相電容器組對三相負載的無功功率作集中補償。這種補償方式在以三相負荷為主的低壓供配電系統中表現優異，但在如前所述的以單相負荷為主的低壓供配電系統中，則越來越表現出其先天不足的缺憾。我們知道，由于三相間無功負荷不平衡，且這種不平衡無法通過調配三相負載等手段來消除，所以若是采用低壓三相電力電容器組按采樣相值對三相進行無功補償，則補償后三相功率因數不一致。采樣相補償效果好，而另外兩相則會經常出現欠補償或是過補償。欠補償使得安裝的電力電容器組不能完全發揮作用，線路中仍然流過較大的無功電流而增加電能損耗；而過補償則將向電網輸送無功電流，眾所周知，這是電力系統中所禁止的(在實踐中我們一般并不將功率因數補償值設為l，因為這在負載變換時，南于慣性會出現過補償。)。實際上，以單相負荷為主的低壓供配電系統中存在的三相無功功率不平衡的狀況有可能嚴重得多。

    我們可以做一個簡單的估算：一臺500kVA的變壓器，額定電流為758A，變壓器低壓側母線出口斷路器額定電流選擇為800A。因為變壓器一般可允許負載不超過25％的相間不平衡電流，再考慮到一些電纜線路的電容泄露電流，故通常將變壓器低壓側母線出口斷路器的接地故障電流整定值整定為30％Ieo由此在本例中允許流過中性線的電流值約為240A。假設一個特殊的運行工況(忽略不計電纜線路的電容泄露電流)，變壓器的兩相滿載，另一相則可能會少負載52.8kvA。若設負荷功率因數均為0.8，系統采用三相低壓電力電容器組按采樣相值進行無功補償，則自然會有一相存在約32kVA的無功功率未補償，或反之會有兩相存在約32kVA過補償的無功功率通過變壓器反饋至電網。由這個數據可作出的對電網中無功功率過補償或欠補償的狀況的普遍性及嚴重性的判斷無疑是令人震驚的，而且我們還可以通過簡單地證明得知，這種工況導致的結果尚不是最嚴重的。而如果采用單相電容器組按每相測出的功率因數值對三相分別進行無功補償，則會完全避免上述情況的發生，充分發揮電力電容器組對無功負荷的補償作用，改善電能質量，減少系統中的電能損耗。因此，在以單相負荷為主的低壓供配電系統中，無功功率的補償應采用分相補償的方法。對電容器額定容量的選擇也應注意與變壓器容量相匹配。如果選擇大容量電容器組來補償小容量變壓器，則往往會難以精確補償；而若是采用小容量電容器組補償大容量變壓器，則將會導致電容器的投切頻繁。我們知道，電容器在接通時，經振蕩而被充電到其穩定值，頻率從幾百赫到幾千赫，出現極高的尖峰電流，而若是在電容器組中接入單個電容器，由于已接人電網的電容器此時成為附加能源，則將會產生更大的尖峰電流。這種尖峰電流對開關電器是極為不利的，因此應盡可能減少電容器的投切次數。由于現在電網中大量存在非線性負荷(如眾多的半導體功率元件等)，使得電網中的諧波含量常常很高。而裝在電網上的電容器，從低壓側看來與變壓器的感抗及剩余的電網電感形成一個振蕩回路。當這一回路的閻有頻率與電流諧波的頻率相互重合時，振蕩回路勵磁而產生很高的過電流，造成供電回路過載，甚至引起電容器的燒毀。因此需要在電容器接通回路中串聯一個電感，一則防止產生諧振，二則可吸收高次諧波電流。

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)