關(guān)于無功補(bǔ)償?shù)臏\談——侴旋

1、 關(guān)于無功補(bǔ)償?shù)臏\談1.1 淺談電容器無功 隨著電力負(fù)荷的增加，必然要求電網(wǎng)系統(tǒng)利用率的提高。因?yàn)闊o功電流占用部分有效電力傳輸容量，增加電力傳輸?shù)膿p耗，所以盡可能地縮短無功的產(chǎn)生和無功用戶之間的距離就十分重要，這樣可以增加輸送有功電力的能力，減少能量損耗，提高輸送電力的質(zhì)量。 連接到電網(wǎng)中的大多數(shù)電器不僅需要有功功率，還需要一定的無功功率，電機(jī)和變壓器中的磁場靠無功電流維持，輸電線中的電感也消耗無功，電抗器、熒光燈等所有感性電路全部需要一定的無功功率。 為減少電力輸送中的損耗，提高電力輸送的容量和質(zhì)量，必須進(jìn)行無功功率的補(bǔ)償。1.2 何為無功補(bǔ)償  在交流電路中，

2、由電源供給負(fù)載率有兩種：一種是有功功率，一種是無功功率。  有功功率是保持用電設(shè)備正常運(yùn)行所需的電功率，也就是將電能轉(zhuǎn)換為其他形式能量（機(jī)械能、光能、熱能）的電功率。  無功功率比較抽象，它是用于電路內(nèi)電場與磁場的交換,并用來在電氣設(shè)備中建立和維持磁場的電功率。它不對(duì)外作功，而是轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?。凡是有電磁線圈的電氣設(shè)備，要建立磁場，就要消耗無功功率。比如40瓦的日光燈，除需40多瓦有功功率（鎮(zhèn)流器也需消耗一部分有功功率）來發(fā)光外，還需80乏左右的無功功率供鎮(zhèn)流器的線圈建立交變磁場用。由于它不對(duì)外做功，才被稱之為“無功”。無功功率的符號(hào)用Q表示，單位為乏（Var）或千乏

3、（kVar）。  無功功率決不是無用功率，它的用處很大。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場就是靠從電源取得無用功率建立的。變壓器也同樣需要無功功率，才能使變壓器的一次線圈產(chǎn)生磁場，在二次線圈感應(yīng)出電壓。因此，沒有無功功率，電動(dòng)機(jī)就不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，變壓器也不能變壓，交流接觸器不會(huì)吸合。 在正常情況下，用電設(shè)備不但要從電源取得有功功率，同時(shí)還需要從電源取得無功功率。如果電網(wǎng)中的無功功率供不應(yīng)求，用電設(shè)備就沒有足夠的無功功率來建立正常的電磁場，那么，這些用電設(shè)備就不能維持在額定情況下工作，用電設(shè)備的端電壓就要下降，從而影響用電設(shè)備的正常運(yùn)行。無功功率對(duì)供、用電產(chǎn)生一定的不良影響，主要表現(xiàn)在：（1）降低發(fā)電機(jī)有功功

4、率的輸出。 （2）降低輸、變壓設(shè)備的供電能力。 （3）造成線路電壓損失增大和電能損耗的增加。 （4）造成低功率因數(shù)運(yùn)行和電壓下降，使電氣設(shè)備容量得不到充分發(fā)揮。從發(fā)電機(jī)和高壓電線供給的無功功率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了負(fù)荷的需要，所以在電網(wǎng)中要設(shè)置一些無功補(bǔ)償裝置來補(bǔ)充無功功率，以保證用戶對(duì)無功功率的需要，這樣用電設(shè)備才能在額定電壓下工作。這就是電網(wǎng)需要裝設(shè)無功補(bǔ)償裝置的道理。1.3 低壓系統(tǒng)電容作為無功補(bǔ)償是用什么原理  把具有容性負(fù)荷的裝置與感性負(fù)荷并聯(lián)接在同一電路,當(dāng)容性負(fù)荷釋放能量時(shí),感性負(fù)荷吸收能量；而感性負(fù)荷釋放能量時(shí),容性負(fù)荷卻在吸收能量,能

5、量在兩種負(fù)荷之間互相交換。這樣,感性負(fù)荷所吸收的無功功率可由容性負(fù)荷輸出的無功功率中得到補(bǔ)償,這就是他的補(bǔ)償原理。                     無功補(bǔ)償?shù)幕驹恚弘娋W(wǎng)輸出的功率包括兩部分；一是有功功率；二是無功功率。直接消耗電能,把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，熱能，化學(xué)能或聲能,利用這些能作功,這部分功率稱為有功功率；不消耗電能；只是把電能轉(zhuǎn)換為另一種形式的能,這種能作為電氣設(shè)備能夠作功的必備

6、條件,并且這種能是在電網(wǎng)中與電能進(jìn)行周期性轉(zhuǎn)換,這部分功率稱為無功功率,如電磁元件建立磁場占用的電能，電容器建立電場所占的電能。電流在電感元件中作功時(shí),電流滯后于電壓90。而電流在電容元件中作功時(shí)，電流超前電壓90。在同一電路中，電感電流與電容電流方向相反,互差180。如果在電磁元件電路中有比例地安裝電容元件，使兩者的電流相互抵消，使電流的矢量與電壓矢量之間的夾角縮小。1.4 電力電容器的補(bǔ)償功能  電容器在原理上相當(dāng)于產(chǎn)生容性無功電流的發(fā)電機(jī)。將它連接到需要無功的。 補(bǔ)償裝置或設(shè)備上，變壓器和輸出線的負(fù)荷降低，從而輸出有功能力增加。在輸出一定有功功率的情況下，供電系統(tǒng)的損

7、耗降低。比較起來電容器是減輕變壓器、供電系統(tǒng)和工業(yè)配電負(fù)荷的最簡便、最經(jīng)濟(jì)的方法。因此，電容器作為電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償勢在必行。1.5 低壓電容器無功補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)與經(jīng)濟(jì)性  無功功率是維持電力系統(tǒng)正常運(yùn)行最主要的一個(gè)因素。搞好電力系統(tǒng)的無功平衡，提高負(fù)荷的功率因數(shù)，可以減少線路和變壓器中的有功功率損耗和其他電能損耗，從而提高電能質(zhì)量，降低電能損耗，并保證了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和用戶的供電質(zhì)量。  1.5.1無功補(bǔ)償?shù)淖饔? 提高變配電設(shè)備利用率，減少投資費(fèi)用 。 對(duì)低功率因數(shù)的負(fù)荷進(jìn)行無功補(bǔ)償，接入并聯(lián)電容器,由于無功電流得到補(bǔ)償，使得負(fù)荷

8、電流減少。由于功率因數(shù)提高而使變配電設(shè)備減少的容量（kVA）可用公式1計(jì)算：   SP/COS1P/COS2P×（COS2COS1）/（COS2×COS1）   （1）式中：   S為減少的設(shè)備容量   P為負(fù)荷有功功率。   COS1為補(bǔ)償前負(fù)荷功率因數(shù) ，  COS2為補(bǔ)償后負(fù)荷功率因數(shù)。  如1000kW的負(fù)荷容量，補(bǔ)償前功率因數(shù)為0.7，從公式1中可計(jì)算出當(dāng)功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)?.95

9、時(shí)，為該負(fù)荷輸電的變配電設(shè)備容量可減少376kVA，對(duì)于新建項(xiàng)目可以減少投資費(fèi)用（變配電設(shè)備容量減少376kVA，可減少基本電費(fèi)的支出），經(jīng)濟(jì)效益明顯。1.5.2降低電網(wǎng)中的功率損耗    當(dāng)負(fù)荷的功率因數(shù)從1降到COS時(shí)，電網(wǎng)中的功率損耗將增加的百分?jǐn)?shù)約為2計(jì)算 ：p（%）=（1/COS2-1）×100% 1.5.3減少了線路的壓降  由于功率因數(shù)的提高，線路傳送電流小了，系統(tǒng)的線路電壓損失相應(yīng)減小，有利于改善末端的電能質(zhì)量。 1.5.4提高功率因數(shù)及相應(yīng)地減少電費(fèi)  根據(jù)國家水利電力部國家物價(jià)局1983年頒布的

10、功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)辦法規(guī)定三種功率因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值，相應(yīng)地減少電費(fèi)：   功率因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)0.90，適用于160千伏安以上的高壓供電工業(yè)用戶、裝有帶負(fù)荷調(diào)整電壓裝置的高壓供電電力用戶和3200千伏安及以上的高壓供電電力排灌站。功率因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)0.85，適用于100千伏安（千瓦）及以上的其他工業(yè)用戶，100千伏安（千瓦）及以上的非工業(yè)用戶和100千伏安（千瓦）及以上的電力排灌站。功率因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)0.80，適用于100千伏安（千瓦）及以上的農(nóng)業(yè)用戶和躉(dun)售用戶。1.6 低壓并聯(lián)電容器無功補(bǔ)償?shù)姆N類 1.6.1集中補(bǔ)償  在低壓配電所內(nèi)配置若干組電容器

11、接在配電母線上，補(bǔ)償供電范圍內(nèi)的無功功率 1.6.2就地補(bǔ)償  將補(bǔ)償電容器安裝于用電負(fù)荷附近，或直接并聯(lián)于用電設(shè)備上就地補(bǔ)償分為兩種：一是分散就地補(bǔ)償，電容器接在低壓配電裝置或動(dòng)力箱的母線上，對(duì)附近的用電設(shè)備進(jìn)行無功補(bǔ)償。二是單獨(dú)就地補(bǔ)償，將電容器直接接在用電設(shè)備端子上或保護(hù)設(shè)備末端，一般不需要電容器用的操作保護(hù)設(shè)備。1.7 電容補(bǔ)償在技術(shù)上應(yīng)注意的問題  防止涌流。在電容器投入時(shí)，一般情況下伴隨著很大的涌流，在IEC出版物831電容器篇中電容器投入涌流的3計(jì)算公式：IsIn×2S/Q 式中：Is為電容器投入時(shí)的涌流（A）

12、    In為電容器額定電流（A）  S為安裝電容器處的短路功率（MVA）  Q為電容器容量（Mvar）   在低壓電容器回路中，可采用以下方法限制：一是串聯(lián)電抗器；二是加大投切電容器的容量；三是采用專用電容器投切的接觸器。   防止系統(tǒng)諧波的影響。由于電容器回路是一個(gè)LC電路，對(duì)于某些諧波容易產(chǎn)生諧振，造成諧波放大，使電流增加和電壓升高。為此可采用串聯(lián)一定感抗值的電抗器以避免諧振，如以電抗器的百分比為K，當(dāng)電網(wǎng)中5次諧波較高，而3次諧波不太高時(shí)，K宜采用4.5；如中3次諧波較高時(shí)，K

13、宜采用12，當(dāng)電網(wǎng)中諧波不高時(shí)，K宜采用0.5。   防止產(chǎn)生自勵(lì)。采用電容器就地補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)無功功率，電容器直接并聯(lián)在電動(dòng)機(jī)上，切斷電源后，電動(dòng)機(jī)在慣性作用下繼續(xù)運(yùn)行，此時(shí)電容器的放電電流成為勵(lì)磁電流。如果補(bǔ)償電容器的容量過大，就可使電動(dòng)機(jī)的磁場得到自勵(lì)而產(chǎn)生電壓，電動(dòng)機(jī)即運(yùn)行于發(fā)電狀態(tài)，所以補(bǔ)償容量小于電動(dòng)機(jī)空載容量就可以避免，一般取0.9倍就沒關(guān)系。   4 公式計(jì)算 QC=0.9×3UI0   式中：   Qc為補(bǔ)償電容器容量    U為系

14、統(tǒng)電壓   I0為電動(dòng)機(jī)空載電流1.8 電容補(bǔ)償控制的選擇及補(bǔ)償容量的確定  1.8.1電容器組投切方式的選擇  電容器組投切方式分手動(dòng)和自動(dòng)兩種。對(duì)于補(bǔ)償?shù)蛪夯緹o功及常年穩(wěn)定的高壓電容器組，宜采用手動(dòng)投切；為避免過補(bǔ)償或輕載時(shí)電壓過高，易造成設(shè)備損壞的，宜采用自動(dòng)投切。高、低壓補(bǔ)償效果相同時(shí)，宜采用低壓自動(dòng)補(bǔ)償裝置。 1.8.2電容器補(bǔ)償容量的確定 先進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算，確定有功功率P和無功功率Q，補(bǔ)償前自然功率因數(shù)為cos1，要補(bǔ)償?shù)降墓β室驍?shù)為cos2。則5公式計(jì)算：QC=P(tg1tg2)式中： Qc為補(bǔ)償電容器容量&#

15、160;  P為負(fù)荷有功功率   COS1為補(bǔ)償前負(fù)荷功率因數(shù)   COS2為補(bǔ)償后負(fù)荷功率因數(shù)。  確定無功補(bǔ)償容量時(shí)，還應(yīng)注意以下三點(diǎn)：在輕負(fù)荷時(shí)要避免過補(bǔ)償，倒送無功造成功率損耗增加，也是不經(jīng)濟(jì)的。功率因數(shù)越高，每千乏補(bǔ)償容量減少損耗的作用將變小，通常情況下，將功率因數(shù)提高到0.95就是合理補(bǔ)償。就地補(bǔ)償電容器容量選擇的主要參數(shù)是勵(lì)磁電流，因?yàn)椴皇闺娙萜髟斐勺詣?lì)是選用電容器容量的必要條件，可用公式4計(jì)算。1.9 低壓無功補(bǔ)償裝置發(fā)展現(xiàn)狀  在10KV以上的電網(wǎng)中，出于注重安全的原

16、因，很少使用自動(dòng)無功補(bǔ)償裝置。另外，由于無功盡量就地補(bǔ)償?shù)脑瓌t，低壓自動(dòng)無功補(bǔ)償裝置（以下簡稱補(bǔ)償裝置）獲得了廣泛的應(yīng)用，并不斷的有新技術(shù)涌現(xiàn)出來，是一個(gè)百花齊放的局面。鑒于這樣的局面，本文不可能面面俱到，只能略述梗概。   除了極少數(shù)試驗(yàn)型的STATCOM裝置外，補(bǔ)償裝置絕大部分都是使用并聯(lián)電容器進(jìn)行補(bǔ)償?shù)?。因此，本文只討論使用并?lián)電容器的補(bǔ)償裝置。 1.9.1以電容器連接方式為出發(fā)點(diǎn)的補(bǔ)償裝置分類   三相電容器同時(shí)投切型補(bǔ)償裝置。這類補(bǔ)償裝置中使用三相電力電容器，通過檢測某一相的電流來進(jìn)行計(jì)算并控制電容器的投入數(shù)量來達(dá)

17、到補(bǔ)償目的。由于電容器對(duì)三相提供的無功電流相等，因此這類補(bǔ)償裝置只適用于三相電流基本平衡的負(fù)荷情況。當(dāng)負(fù)荷的三相電流不平衡時(shí)，不能夠使三相均得到良好的補(bǔ)償，可能有某一相過補(bǔ)償，有某一相欠補(bǔ)償。   此類補(bǔ)償裝置由于結(jié)構(gòu)簡單價(jià)格低廉而用量最大。 1 單相電容器分相投切型補(bǔ)償裝置。這類補(bǔ)償裝置中使用單相電力電容器，通過檢測三相電流來進(jìn)行分別計(jì)算并控制各相電容器的投入數(shù)量來達(dá)到補(bǔ)償目的，相當(dāng)于3臺(tái)單相補(bǔ)償裝置。這類補(bǔ)償裝置可以使各相的無功電流均獲得良好的補(bǔ)償，但是對(duì)不平衡有功電流無能為力。用于三相電流不平衡的負(fù)荷情況時(shí)，比三相電容器同時(shí)投切型補(bǔ)償裝置

18、的效果好。此類補(bǔ)償裝置由于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，價(jià)格較高，使用量較少。 2 調(diào)整不平衡電流型補(bǔ)償裝置。這類裝置中使用單相電力電容器，通過檢測三相電流來進(jìn)行綜合計(jì)算并控制各相電容器的投入方式和數(shù)量來達(dá)到補(bǔ)償和調(diào)整不平衡電流的目的。與分相補(bǔ)償裝置本質(zhì)不同的是，這類補(bǔ)償裝置利用了在相間跨接的電容器可以在相間轉(zhuǎn)移有功電流的原理，通過在各相與相之間及各相與零線之間接入不同數(shù)量電容器的方法，不但可以使各相的無功電流均獲得良好的補(bǔ)償，還可以將三相間的不平衡有功電流調(diào)整至平衡。這類補(bǔ)償裝置用于三相電流不平衡的負(fù)荷情況時(shí)，具有無與倫比的使用效果。   此類補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)比

19、較復(fù)雜，價(jià)格較高，由于是新技術(shù)所以使用量較少，但是必然會(huì)替代單相電容器分相投切型補(bǔ)償裝置。 1.9.2 以電容器的控制投入方式為出發(fā)點(diǎn)的補(bǔ)償裝置分類 1 交流接觸器控制投入型補(bǔ)償裝置。由于電容器是電壓不能瞬變的器件，因此電容器投入時(shí)會(huì)形成很大的涌流，涌流最大時(shí)可能超過100倍電容器額定電流。涌流會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生不利的干擾，也會(huì)降低電容器的使用壽命。為了降低涌流，現(xiàn)在大部分補(bǔ)償裝置使用電容器投切專用接觸器，這種接觸器有1組串聯(lián)限流電阻與主觸頭并聯(lián)的輔助觸頭，在接觸器吸合的過程中，輔助觸頭首先接通，使電容器通過限流電阻接入電路進(jìn)行預(yù)充電，然后主觸頭接通將電容器正

20、常接入電路，通過這種方式可以將涌流限制在電容器額定電流的20倍以下。   此類補(bǔ)償裝置價(jià)格低廉，可靠性較高，應(yīng)用最為普遍。由于交流接觸器的觸頭壽命有限，不適合頻繁投切，因此這類補(bǔ)償裝置不適用頻繁變化的負(fù)荷情況。 2 晶閘管控制投入型補(bǔ)償裝置。這類補(bǔ)償裝置就是SVC分類中的TSC子類。由于晶閘管很容易受涌流的沖擊而損壞，因此晶閘管必須過零觸發(fā)，就是當(dāng)晶閘管兩端電壓為零的瞬間發(fā)出觸發(fā)信號(hào)。過零觸發(fā)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)無涌流投入電容器，另外由于晶閘管的觸發(fā)次數(shù)沒有限制，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償（響應(yīng)時(shí)間在毫秒級(jí)），因此適用于電容器的頻繁投切，非常適用于頻繁變化的負(fù)

21、荷情況。晶閘管導(dǎo)通電壓降約為1V左右，損耗很大（以額定容量100Kvar的補(bǔ)償裝置為例，每相額定電流約為145A，則晶閘管額定導(dǎo)通損耗為145×1×3=435W），必須使用大面積的散熱片并使用通風(fēng)扇。晶閘管對(duì)電壓變化率（dv/dt）非常敏感，遇到操作過電壓及雷擊等電壓突變的情況很容易誤導(dǎo)通而被涌流損壞，即使安裝避雷器也無濟(jì)于事，因?yàn)楸芾灼髦荒芟拗齐妷旱姆逯?，并不能降低電壓變化率?#160;  此類補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高，可靠性差，損耗大，除了負(fù)荷頻繁變化的場合，在其余場合幾乎沒有使用價(jià)值。 3 復(fù)合開關(guān)控制投入型補(bǔ)償裝置。復(fù)合開關(guān)

22、技術(shù)就是將晶閘管與繼電器接點(diǎn)并聯(lián)使用，由晶閘管實(shí)現(xiàn)電壓過零投入與電流過零切除，由繼電器接點(diǎn)來通過連續(xù)電流，這樣就避免了晶閘管的導(dǎo)通損耗問題，也避免了電容器投入時(shí)的涌流。但是復(fù)合開關(guān)技術(shù)既使用晶閘管又使用繼電器，于是結(jié)構(gòu)就變得相當(dāng)復(fù)雜，并且由于晶閘管對(duì)dv/dt的敏感性也比較容易損壞。 4 同步開關(guān)投入型補(bǔ)償裝置。同步開關(guān)技術(shù)是近年來最新發(fā)展的技術(shù)，顧名思義，就是使機(jī)械開關(guān)的接點(diǎn)準(zhǔn)確地在需要的時(shí)刻閉合或斷開。對(duì)于控制電容器的同步開關(guān)，就是要在開關(guān)接點(diǎn)兩端電壓為零的時(shí)刻閉合，從而實(shí)現(xiàn)電容器的無涌流投入，在電流為零的時(shí)刻斷開，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)接點(diǎn)的無電弧分?jǐn)唷?#160; 

23、 同步開關(guān)技術(shù)中拒絕使用可控硅，因此仍然不適用于頻繁投切。可以預(yù)見：使用磁保持繼電器的同步開關(guān)必將替代復(fù)合開關(guān)和交流接觸器。 1.9.3 補(bǔ)償裝置中使用的電力電容器   現(xiàn)在補(bǔ)償裝置中使用的低壓電力電容器均為金屬化電容器。金屬化電容器體積小，價(jià)格低廉，具有自愈性，因此獲得廣泛的應(yīng)用。  金屬化電容器的極板是真空蒸發(fā)的鋁膜，其厚度在納米數(shù)量級(jí)，由于鋁膜極薄，當(dāng)介質(zhì)膜由于疵點(diǎn)而發(fā)生局部擊穿時(shí)會(huì)將疵點(diǎn)及附近的鋁膜蒸發(fā)掉，因此不會(huì)發(fā)生短路故障，這就是所謂的自愈作用。   金屬化電容器的電極引出工藝是在芯元件卷制完成以后在元件兩端噴涂金屬導(dǎo)電層，然后在導(dǎo)電層上焊接引出導(dǎo)線。由于極板電流要由元件中部向兩端流動(dòng)，而極板的鋁膜極薄，電阻損耗較大，因此從盡量減少電阻損耗的前提下希望芯元件盡量卷制成短粗形。另一方面，由于極薄的鋁膜極板并沒有多少機(jī)械強(qiáng)度，因此芯元件端部導(dǎo)電層與極板之間并不能形成牢固的連接，當(dāng)芯元件由于發(fā)熱而出現(xiàn)不均勻變形時(shí)，端部導(dǎo)電層與極板之間很容易形成局部脫離而出現(xiàn)故障，從這一點(diǎn)出發(fā)，又希望芯元件盡量卷制成細(xì)長形。  金屬化電力電容器有矩形和圓柱形兩種結(jié)構(gòu)。矩形結(jié)構(gòu)的電容器內(nèi)部的芯元件細(xì)長并排排列，適