摘要：在工矿企业中,绝大多数的用电设备属于感性负荷,这些设备在运行中要吸收大量的无功功率，所以，改善工矿企业用电的功率因数是提高用电效率、节约电能的重要手段。本文通过对无功补偿原理和补偿方式的分析，并结合渤海石油矿区电网的无功补偿现状，利用国内比较先进的动态无功补偿技术，提出了改造方案，并就改造后的效益进行了分析。
主题词：动态,无功补偿,功率因数,电网,效益
一、前言
随着我国电力工业的迅猛壮大，电网逐步扩张，电力负荷增长很快，电网的经济运行日益受到重视。降低网损，提高电力系统输电效率和电力系统运行的经济性是电力系统运行部门面临的实际问题，也是电力系统研究的主要方向之一。特别是针对始建于1966年的渤海石油矿区，随着用电量的日益增长和用电结构的变化，使得矿区电网的无功损耗和谐波问题日益突出，为了降低电网损耗，提高功率因数，减小高次谐波对供电系统的影响，延长用电设备的使用寿命，提高系统的供电质量和供电能力，推行动态无功补偿是降损节能和保证电能质量的行之有效的方法。
二、无功补偿的介绍
(一)无功补偿的原理
电感和电容是两种性质相反的元件，供电系统中的用电设备大多是感性负载，用电容器补偿感性负载所需的无功功率，提高系统功率因数，称之为电容补偿，这也是无功补偿的原理。
(二)无功补偿的意义
1、补偿无功功率，可以增加电网中有功功率的比例常数。
2、减少发、供电设备的设计容量，减少投资，例如当功率因数cosΦ=0.8增加到cosΦ=0.95时，装1Kvar电容器可节省设备容量0.52KW;反之，增加0.52KW对原有设备而言，相当于增大了发、供电设备容量。因此，对新建、改建工程，应充分考虑无功补偿，便可以减少设计容量，从而减少投资。
3、降低线损，由公式ΔP%=(1-cosф1/cosф2)×100%得出(其中cosф1为补偿前的功率因数，cosф2为补偿后的功率因数)：
补偿后，cosф2>cosф1，降低线损率，减少设计容量、减少投资，增加电网中有功功率的输送比例，都直接决定和影响着供电企业的经济效益。所以，功率因数是考核经济效益的重要指标，规划、实施无功补偿势在必行。
(三)电网中常用的几种无功补偿方式
1、高压集中补偿
高压集中补偿是将高压电容器组集中装设在工厂变电所的6-10KV母线上。这种补偿方式只能补偿6-10KV母线前侧线路上的无功功率，母线后侧厂内线路的无功功率得不到补偿。因此变压器的视在负荷及变压器的损耗并没有少。所以这种补偿方式的经济效果比较差，但这种补偿方式的初期投资比较低，且便于集中运行维护，而且能对变电站高压侧的无功功率进行有效的补偿，以满足滨海供电公司对变电站总功率的基本要求。
2、分组补偿：
分组补偿是将低压电容器组集中装设在工厂变配电所的380V低压母线上。这种补偿方式能够补偿变电所、箱站低压母线前的变压器，高压配电线路及电力系统的无功功率。由于这种补偿能使变电所、箱站主变以前的视在功率减小，从而可使主变压容器容量选的较小，减少变压器运行的台数，经济效益较好。目前我们系统中的终端变电所、室外箱站都采用了这种补偿方式。
3、低压就地补偿：
低压就地补偿，就是将并联补偿电容器组装设在需要进行补偿的用电设备组旁边。这种补偿方式能够补偿安装位置以前的所有高低压线路和电力变压器的无功功率，其补偿范围大，补偿效果好，经济效益佳。相比较而言，这种补偿方式投资较前两种大，但电容器组在补偿的用电设备组停机时也将一并被解除。
三、动态无功补偿装置改造
(一)渤海石油矿区电网现状及存在的问题
渤海石油矿区电网是指港区、滨海、东沽三大片区所辖的供用电系统，包括2座35KV变电站，3座6KV开闭站，14座6KV变电所，其中所属水电服务公司的9座，其他单位的5座，69座室外箱站(变台)，其中所属水电服务公司的42座，其他单位的27座。在建设初期，基本安装了静态无功补偿装置，但随着海洋事业的不断发展，渤海石油矿区生产型单位业务的不断扩大，大量的电力电子设备被投入到电网中广泛使用，使得矿区电网存在以下问题。
1、运行年限久，设备老化
目前，渤海石油矿区部分室外箱站始建于90年代，原无功补偿装置运行年限长、设施老化、技术性能落后、安全存在隐患，电容容量无法满足使用要求，补偿方式传统单一。
2、部分负荷功率因数很低
如海工、涂敷等大用电客户的负载性质特点，无功补偿不到位，造成其功率因数很低，电能损耗大，其负荷的突变性也很大，引起电网电压波动和闪变，加之产生的谐波造成电网的严重污染，致使电网质量下降。
3、大量电力电子设备的增加
大功率的整流器、变频器、电焊机以及我们日常应用的变频空调等设备产生的高次谐波对渤海的电网质量影响较大，无法满足需要高质量用电单位的使用需求，降低系统的供电能力，影响设备的运行及使用寿命。
4、无功补偿装置的投运现状
由于设备老化、损坏、功能缺失、专业管理不到位等原因，部分无功补偿装置已不具备投运条件，不能实现无功补偿功能，以港区为例，特别是重要的生产型用电大户(如：海油工程、涂敷公司等)，无功补偿装置的使用情况较差。
《供电营业规则》中规定：100KVA及以上高压供电的用户功率因数为0.90以上。据电力部门统计：用户功率因数在0.7-0.8之间，供电单位向用户提供每千瓦有功负荷的同时，还必须由电网向用户提供0.9-0.75KVAR无功，才能维持电网正常运行;电网的无功功率，消耗在输、配电线路、升、降压变压器等供电设备上的占35%，消耗在用户感性负载上的占65%。
以下是我们运行中的一组数据：
表1 港区用电大户运行数据表
以上数据显示，一些配出回路的功率因数均在0.90以下。
(二)改造方案
鉴于以上原因，我们根据渤海石油矿区电网的无功漏洞及变压器的容量，来确定所需补偿的无功功率的容量，对电网内的部分箱站系统进行无功补偿装置的改造。
为了保证整个系统的安全运行，提高系统的功率因数，我们选用TSVC系列低压动态无功补偿装置，采用差容优化投切：通过不断测量无功的变化，总是投入功率尽可能大的电容器组。如3×40、3×30、3×20、3×10kvar的电容柜中，在ABC三相中无功至少需40kvar时会立即投入3×40kvar组其中的某相而不是通过10+30来累加，由此减少投切次数，补偿精度一步到位。具有很高的投切精度，可以使整个系统(三相中的每一相)在补偿后的功率因数达到0.96以上。
(三)TSVC系列低压动态无功补偿装置的技术性能及原理
1、技术性能
①控制方式采用微型计算机原理、人机对话界面，中英文菜单;
②各种显示功能完美(过压、欠压、缺相、功率因素、有功电度、有功功率、无功功率、温度、频率、电流、电压等);
③运行保护、两相失电时，不影响数据的采集、存储、通讯。对过压、欠压、缺相、零序、温度超限进行及时报警并做出相应动作;
④数据通讯：配有RS585和RS232接口，现场采集也可远程采集;
⑤主回路采用电力半导体模块，实现全无触点化，控制回路采用CLN脉冲过零触发，过电流投入，过电流切除;
⑥触发采用光电触发方式，实现一次系统和二次系统隔离，解决谐波干扰问题;
⑦投切电容实现无电流冲击，无振荡，无补偿呆区;
⑧快速动态响应，20ms内实现动态跟踪补偿，补偿后的功率因数要求达到0.95以上;
⑨无功补偿输出采用△+Y接法，集共补(补偿三相)与分补(补偿单相)于一体，或是纯单相分补，既适用于三相平衡负载，又适用于三相不平衡负载。
2、工作原理
TSVC系列低压动态无功补偿装置采用反馈式监测(三相平衡负荷、采集单相信号;三相不平衡负荷、采集三相信号)，以负载的实时无功电流为投切物理量，应用瞬时无功控制理论及网压支持算法，在10ms内完成信号数据采集、计算及控制输出;投切可控硅接到投切指令后，在小于10ms内完成零电流投入，投切无涌流，对电网无冲击，并在主电路和开关中采取措施，对于主回路电容器有预充电的作用，避免了对投切电容器的冲击，使运行更加稳定、安全、可靠。为保证实时跟踪投切，整个系统响应时间小于20ms，可满足快变化负载的需要，实现快速补偿。装置装有6%铁芯滤波电抗器，对5次以上谐波系统能按标准抑制和治理又不会发生谐波放大。
图1 TSVC系列动态无功补偿装置原理方框图
图2 TSVC系列动态无功补偿装置主回路原理图
四、效益分析
(一)经济效益
1、降损节能
利用无功补偿提高功率因数可以降低线路损耗，达到节能的目的。目前，渤海石油矿区电网改造所需补偿的容量约为4340kvar，反应在6KV母线上可节省无功电流417A(4340/1.732/6)，按有效利用率60%计算，可节省无功电流约250A。
按照无功电流的通过所引起的三相线路有功损耗公式：
△P=△P1-△P2=3I12R×10-3-3I22R×10-3=3△I2R×10-3
计算，可得：△P=3×2502×R×10-3
改造部分影响6KV架空线路总长度约为4000米，截面积为120 mm2，铝的电阻率p=0.0294Ωmm2/m，按照R=p L/S公式计算，得出：R=0.98
△P=3×2502×R×10-3=3×2502×0.98×10-3=183KW
即可节省有功功率：183KW
一年可节省电量：183×8×260=380640KWh
按平均电费1元/KWh计算，每年可节省电费约38万元。
2、节约电费开支
根据《功率因数调整电费办法》中规定，功率因数越高供电线路的功率损耗就越小，功率因数高于0.9以上的就减收电费，减收的百分比最高为1.25%，低于0.9的就加收电费，0.7—0.9之间的每少0.01就加收0.5%的电费，在0.65—0.7之间的每少0.01就加收1%的电费，0.64及以下每降低0.01就加收2%的电费。若功率因数达到0.95以上，将奖励基本电费与当月用电费用合计的0.75%，此次改造后，功率因数均能保证在0.95以上，以每年用电量7000万KWh为例，两座35KV变电站变压器容量合计为23300KVA，年外购电费为4780万元，滨海供电公司的补偿奖励金额约为30万元。
3、提高设备供电能力
根据表1中681回路的一组数据分析，如果该回路功率因数提高到供电局0.9的要求，那么变压器的平均负荷电流将减少15%，相当于变压器提高了15%的供电能力;如果功率因数提高到0.95，那么变压器的平均负荷电流将减少19%，相当于变压器提高了19%的供电能力，增大了变压器的出力，使设备容量不变的条件下，可以少送无功功率，多送有功功率。这样就能合理配置变压器容量，避免“大马拉小车”情况，减少因变压器配置容量过大而产生的相应变压器损耗，并可以延缓增容周期，从而减少企业费用支出，使供电部门及用电企业均受益。以35KV变电站增容5000KVA为例，若延缓一年增容，将节省基本电费102万元。
(二)社会效益
无功功率的减少，不仅节约企业自身的电费开支，还减少了电网的线损和对上一级变压器容量的占用，产生的实际经济效益显著。而谐波污染的减少，不仅降低了对通讯、自动控制装置、电能计量和继电器保护的干扰，而且提高了电网的安全性能和供电质量，保证设备正常工作，有利于安全生产。
五、结论
经过以上分析，动态无功补偿的应用很好地解决了电网质量问题，提高了功率因数，降低了运行成本，适用于工矿企业不断增长的用电现状，值得在工矿企业中推广应用。
参考文献：
⑴靳龙章、丁毓山.电网无功补偿实用技术[M]. 北京：水利水电出版社，1997
⑵王民权、李威震.企业无功功率补偿点的合理选择[J]. 电工技术，2000.2
⑶徐先勇、王正风.电力系统无功功率负荷的最佳补偿容量[J]. 华东电力，1999
