无功补偿技术

内容摘要
电网中的电力负荷如电动机、变压器等，大部分属于感性负荷，在运行过程中需向这些设备提供相应的无功功率。

在电网中安装并联电容器等无功补偿设备以后，可以提供感性负载所消耗的无功功率，减少了电网电源向感性负荷提供、由线路输送的无功功率，由于减少了无功功率在电网中的流动，因此可以降低线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗，这就是无功补偿。

本文介绍了无功补偿装置的原理，优点，分类及发展前景，更好的介绍了补偿装置对于生产生活的经济优势。

更有对电容器补偿装置的分类介绍。

关键词：无功功率；无功补偿装置；原理；电容器补偿装置
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内容摘要
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第一章绪论...................................................................................错误!未定义书签。

1．1 研究背景 (4)
1．2 无功补偿装置的发展状况 (5)
第二章无功补偿的方式 (7)
2．1 无功补偿的分类 (6)
2．2 无功补偿的常用装置..................................................错误!未定义书签。

2．3 无功补偿的主要方式..................................................错误!未定义书签。

第三章无功补偿的原理.. (11)
4 结论
参考文献
致谢
第一章 绪论
1．1 研究背景
目前，我国的电网，特别是广大的低压电网，普遍存在功率因数较低、电
网线损较大的情况。

导致此现象的主要原因是众多的感性负载用电设备设计落
后，功率因数较低。

比如我国的电动机消耗的电能占全部发电量的70%，而由于
设计和使用等方面的原因我国电动机的功率因数往往较低，一般约为
70.0cos =φ。

在这种情况下，采用无功补偿节能技术，对提高电能质量和挖掘电网潜力是
十分必要的，世界各国都把无功补偿作为电网规划的重要组成部分。

从我国电网
功率因数和补偿深度来看，我国与世界发达国家有不小差距。

因此大力推广无功
补偿技术是非常必要的，并且从以下数据，我们也能看出发展无功补偿所能带来
的巨大经济效益。

2007年 ，我国年总发电量为32559亿千瓦时，统计线损率为
8.77%，但是这个数字没有包含相当大的110千伏、35千伏、10千伏的输电线损
及0.38千伏的低压电网线损。

据报道，估计实际的统计线损率约为15%，即2007
年全国年线损量约为4800亿千瓦时。

设全国的理论线损与统计线损相一致，其
中可变线损约占理论总线损的80%，则年可变线损电量约为3900亿千瓦时。

设
当前全国电力网总负荷的当前功率因数85.0cos =φ，采用无功功率补偿后，把电
力网总负荷的功率因数提高到95.0cos =φ，则每年可以降低线损约为390亿千瓦
时，按0.5元每千瓦时计，价值约为185亿元。

设2007年全国电网的最大负荷
利用小时数为5000小时，则电网的最大负荷约为2亿千瓦，当用无功功率补偿
法把功率因数85.0cos =φ,提高到95.0cos =φ，全国电网需总补偿容量约为0.58
亿千瓦。

当前无功功率补偿装置设备主要为电力电容器，设无功补偿设备每千瓦
的平均综合造价为50元，则全国无功补偿装置的总投资约为29亿元。

应当指出，节省240亿千瓦时约相当于一座400万千瓦火电厂的年发电量，而建一座400
万千瓦的火电厂需综合费用约为300亿元，同时每年需燃烧煤约为1200万吨，
每年产生2CO ,2SO 等有害物质约为600万吨。

由此可见，产生相同的电力，无功
补偿的费用约为新建电厂费用10%，而且无功补偿设备的费用仅需两个月的无功功率补偿的将损节电费用即可全部收回。

综上所述，无功补偿不仅具有如上所述的节省投资、节省电力、节省燃煤及污染等作用，同时还可以提高电力系统设备的供电能力，改善电压质量，减少用户电费开支，延缓用户的增容改造等作用。

1．2 无功补偿装置的发展状况
无功补偿装置的发展过程无功补偿装置在50多年的发展历史中经历了从简单到复杂，手动到自动的发展过程。

电力系统并联补偿装置可以按照不同的标准进行分类. 从静态到动态，从单一的无功控制到无功电压综合控制。

国外情况静止无功补偿装置( Static Compensator)或者SVC- 静止无功系统是相对于调相机而言的一种利用电容器和各种类型的电抗器进行无功补偿(可提供可变动的容性或感性无功)的装置, 简称静补装置(静补)或静止补偿器。

1967 年, 第一批静补装置在英国制成以后, 受到世界各国的广泛重视, 西德、美国、瑞士、瑞典、比利时、苏联等国竟先研制, 大力推广, 使得静止补偿装置比调相机具有更大的竞争力, 广泛用于电力、冶金、化工、铁道、科研等部门, 成为补偿无功、电压调整、提高功率因数、限制系统过电压, 改善运行条件经济而有效的设备。

国际上几个大的电气公司如瑞士的勃朗. 鲍威利公司(BBC) ,瑞典通用电气公司(AA) ,美国的通用电气公司(GE)及西屋公司, 日本的富士公司等均发展了不同类型的静补技术。

根据提供无功的性质和方式而言, 静补装置又分为六种组合方式, 固定电容、固定感性、可变容性、可变感性固定容性+可变感性、可变容性+可变感性, 通常所指的静补装置是指后两种方式。

对可变感性又可分为直流励磁饱和电抗器(DCMSR)。

相控阀调节电抗器(TCR)(或相控阀高阻抗变压器) 及自饱和电抗器(SR)。

高压可控硅元件问世以来, 逐步取代了有触点开关, 为实现感性或容性无功的连续可控调节提供了简便、可靠、活的技术。

国内情况70年代初武汉钢铁公司 1. 7cm 轧机工程进口了比利时的直流励磁饱和电抗器和日本的电容器组成的静补装置后, 国内才对可变无功的补偿问题引起了注意。

在国内, 补偿无功用的最多的办法是并联电容器。

在低压(10kv以下) 供电网络中大量地和在中压( 60kv、35kv) 配电网络中少量地装设并联电容器组, 以满足调压要求, 70年代初有人提出用大负荷调压变压器改变并联电容器组
端电压, 以调节无功出力的设想, 终因调压变压器的操作开关寿命不能保证而未能实现。

可变无功的补偿问题越来越受到有关部门的重视, 电力部有关科研、设计、试验单位对静补装置在电力系统中的作用进行了不少试验研究工作。

从国外引进的静态补偿为枢纽变电站或大型企业所用的大容量静态补偿, 对于中小型中低压电网或中小型企业所需的无功, 多采用并联电容器组的办法。

这同时也产生了许多新的问题, 首先其不能迅速连续地进行无功功率的调节, 其次许多电容器在夜间产生了过量的无功, 使发电机换相运行, 并影响系统经济稳定运行, 因此, 中小企业的功率因数调节也越采越引起重视。

第二章无功补偿的方式
2.1无功补偿的分类
从技术原理上讲无功补偿装置是在电网中呈感性或容性的元件，由于目前我国中低压电网以架空线路为主且基本上带感性负载，所以系统所采用的无功补偿装置多数呈容性，也就是说它是由电容器和相应的附属设施组成的。

由于负载多数集中在配电网络，所以多年来用于无功补偿的电容器组基本上安装在电网的中压侧和低压侧，包括35KV、10KV和0.4KV几个电压等级。

从运行需要上说，无功补偿装置由电容器组、投切元件、检测及保护元件组成。

早在20世纪70年代，当时的低压无功补偿装置自动化程度较低，多数电容器组是通过空气开关由人工进行投切的，保护措施简单粗糙，当电容器组出现整组故障时才能由空气开关的热偶元件启动空气开关跳闸，切除故障。

可见，老式无功补偿装置技术性能不好，主要表现为自动化程度偏低和可靠性不高，不能再电网中长期安全可靠运行，运行寿命往往只有二三年。

而补偿装置技术性能好坏是决定其是否能被普通使用的关键。

2.2 无功补偿的常用装置
1、同步调相机
早期的无功补偿补偿装置主要为同步调相机，多为高压侧集中补偿。

同步调相机目前在现场仍有少量使用。

2、净值补偿装置
静止补偿器的基本作用是连续而迅速地控制无功功率，即以快速的响应，通过发出或吸收无功功率来控制它所连接的输电系统的节点电压。

静止补偿器由于其价格较低、维护简单、工作可靠，在国内仍是主流补偿装置。

静止补偿器(SVC)先后出现过不少类型，目前来看，有发展前途的主要有直流助磁饱和电抗器型、可控硅控制电抗器型和自饱和电抗器型3种。

上述第二种又可分为：固定连接电容器加可控硅控制的电抗器（FIXEDCAPACITOR＆THYRISTORCONTROLLEDREACTOR,FC-TCR);可控硅开关操作的电容器加可控硅控制的电抗器（THYRISTORSWITCHEDCAPACITOR＆THYRISTORCONTROLLEDREACTOR，TSC- TCR)。

实际上，由断路器（电磁型交流接触器）操作的电容器和电抗器在电网中正在大量使用，可以说这种补偿技术是静态的，因为它不能及时响应无功功率的波动。

这种装置以电磁型交流接触器为投切开关，由于受电容器承受涌流能力、放电时间及电容器分级以及接触器操作频率、使用寿命等因素制约，因而无法避免以下不足：
补偿是有级的、定时的，因而补偿精度差，跟随性不强，不能适应负荷变化快的场合；受交流接触器操作频率及寿命的限制，静态补偿装置一般均设有投切延时功能，其延时时间一般为30S。

对一般稳定负荷，即负荷变化周期大于30S 的负荷，这类补偿装置是有效的，但对一些变化较快的负荷，如电梯、起重、电焊等，这类补偿装置就无法进行跟踪补偿。

不能做到无涌流投入电容器，对于接触器加电抗器方案，增加损耗较大，对于容性接触器方案，事故率较大，对金属化电容器的使用寿命影响很大；目前，低压电力电容器以金属化自愈式电容器为主，这种电容器的引线喷金属端面对涌流承受能力有限，因此，涌流的大小及次数是影响电容器使用寿命的主要因素，运行噪声较大。

由于控制部分的负载是接触器的线圈，在投切过程中，造成火花干扰，影响补偿装置的可靠性和使用寿命。

针对上述问题，基于智能控制策略的TSC补偿装置正在引起关注。

事实上，如果能够进行动态无功功率补偿则能够克服以上不足。

将微处理器用于TSC，可以完成复杂的检测和控制任务，从而使动态补偿无功功率成为可能。

基于智能控制策略的TSC补偿装置的核心部件是控制器，由它完成无功功率（功率因数）的测量及分析，进而控制无触点开关的投切，同时还可完成过压、欠压、功率因数等参数的存贮和显示。

因此，与断路器操作的电容器装置相比，尽管单台无触点开关的造价比交流接触器高，但该装置仍然有以下几个特点：
1.无涌流，允许频繁操作；
2.跟踪响应时间快，动态跟踪时间0.02～2S（可调）；
3.采用编码循环式投切电容器，可均匀使用电容器，从而延长整个装置的使用寿命；
4.具有各种保护功能，如过电压保护、缺相保护及谐波分量超限保护等；
3、静止无功发生器
静止无功发生器（STAICVARGENERATOR,SVG)又称静止同步补偿器（STATCOM），采用 GTO构成的自换相变流器，通过电压电源逆变技术提供超前和滞后的无功，进行无功补偿。

是灵活交流输电系统FACTS:FLEXIBLEACTRANSMISSIONSYSTEMS
技术中一个重要的基础部件。

该部件与其它的无功补偿装置相比，虽然SVG装置的成本要高一些，但其灵活的动态调节特性、优越的补偿效果以及更小的设备体积都是其它装置不能比拟的。

与SVC相比，其调节速度更快且不需要大容量的电容、电感等储能元件，谐波含量小，同容量占地面积小，在系统欠压条件下无功调节能力强。

在SVG装置中，由于要涉及到大量的复杂计算（如滤波计算、瞬时无功计算)和各种控制手段（如各矢量控制、PI控制）以及诸多信号的采集和发送。

因此，系统对控制器的运算速度、接口资源、稳定性以及成本等方面要求很高。

2.3无功补偿的主要方式：
配电网无功补偿的主要方式有五种：变电站补偿、配电线路补偿、随机补偿、随器补偿、跟踪补偿。

变电站补偿：针对电网的无功平衡，在变电站进行集中补偿，补偿装置包括并联电容器、同步调相机、静止补偿器等，主要目的是平衡电网的无功功率，改善电网的功率因数，提高系统终端变电所的母线电压，补偿变电站主变压器和高压输电线路的无功损耗。

这些补偿装置一般集中接在变压站10KV母线上，因此具有管理交易、维护方便等优点，缺点是这种补偿方式对10KV配电网的降损不起作用。

配电线路补偿：线路无功补偿即通过在线路杆塔上安装电容器实现无功补偿。

线路补偿点不宜过多；控制方式应从简，一般不采用分组投切控制；补偿容量也不宜过大，避免出现过补偿现象；保护也要从简，可采用熔断器和避雷器作为过流和过压保护。

线路补偿方式主要提供线路和公用变压器需要的无功，该种方式具有投资小、回收快、便于管理和维护等优点，适用于功率因数低、负荷重的长线路。

缺点是存在适应能力差，重载情况下补偿不足等问题。

随机补偿：随机补偿就是将低压电容器组与电动机并联，通过控制、保护装置与电动机同时投切的一种无功补偿方式。

县级配电网中有很大一部分的无功功率消耗在电动机上，因此，搞好电动机的无功补偿，使其无功就地平衡，既能减少配电线路的损耗，同时还可以提高电动机的出力。

随机补偿的优点是用电设备运行时，无功补偿装置投入；用电设备停运时，补偿装置退出。

更具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活、维护简单、事故率低得特点。

适用于补偿电动机的无功消耗，以补励磁无功为主，可较好的限制配电网无功峰荷。

年运行小时数在1000H以上的电动机采用随机补偿其他补偿方式更经济。

随器补偿：随器补偿是指将低压电容器通过低压熔断器接在配电变压器二次侧，以补偿配电变压器空载无功的补偿方式。

配电变压器在轻载或空载时的无功负荷主要是变压器的空载励磁无功，配电变压器空载无功是农网无功负荷的主要部分。

随器补偿的优点是接线简单，维护管理方便，能有效地补偿配电变压器空载无功，限制农网无功基荷，使该部分无功就地平衡，从而提高配电变压器利用率，降低无功网损，提高用户的功率因数，改善用户的电压质量，具有较高的经济性，是目前无功补偿最具有效地手段之一。

缺点是由于配电变压器的数量多、安装地点分散，因此补偿工作的投资比较大，运行维护工作量大。

跟踪补偿：是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补偿在用户配电变压器低压侧的补偿方式。

这种补偿方式，部分相当于随器补偿的作用，主要适用与100KVA及以上的专用配电变压器用户。

跟踪补偿的优点是可较好的跟踪无功负荷的变化，运行方式灵活，补偿效果好，但是费用高，且自动投切装置较随机或随器补偿的控制保护装置复杂，如有任一元件损坏，则可导致电容器不能投切。

其主要适用于大容量大负荷的配变。

第三章 无功补偿的原理
电力网中的变压器和电动机是根据电磁感应原理工做的。

磁场所具有的磁场能是由电源供给的。

电动机和变压器在能量转换过程中建立交变磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等，这种功率称为感性无功功率。

接在交流电网中的电容器，在一个周期内上半周的充电功率与下半周的放电功率相等，这种充电功率叫做容性无功功率。

所以无功功率被使用于建立磁场和静电场，它存储于电感和电容中，通过电力网往返于电源和电感、电容之间。

无功功率在电力网元件中流动，将会在电力网元件中引起电压损耗和功率损耗，降低电网的电压质量，增加电网的线损率。

I1
S1X
I2
S2
U2
U1
图 2. 1 由局部电力网的等值电路图
由局部电力网的等效电路图2．1可知，电力网中由于无功负荷而带来的电 压损耗U ∆的计算公式为：
C U X Q R P U X Q RP X I R I U U U 222
222221sin cos +≈+=⨯+⨯=-=∆ϕϕ 式中：C U ——电网的额定电压
2U ——元件的末端电压
ϕ——电网中的电压和电流的差角
R X ——电网中元件的等效电阻和电抗
2P 2Q ——元件末端的有功负载和无功负载
由上式可知由负荷的无功功率2Q 在元件引起的损耗X U ∆的计算公式为： C
X U X Q U 2=∆。

而由负荷的有功功率2P 在元件中引起的电压损耗的计算公式为：C R U R P U 2=
∆。

可见的元件电阻小于电抗的电网中，无功引起的电压损耗占主要部分。

电网中的线损公式如下：
)()(3222222
21jX R U Q p jX R I S S S C ++=+=-=∆ 式中：jQ P S +=11，222jQ P S +=
其中有功线损P ∆的计算公式为：
222
2221C U Q P P P P +≈-=∆R ，
这其中由于无功功率在电网中流动而引起的有功线损Q P ∆的计算公式为：
R U Q P C Q 222≈
∆ 由上述分析可见，要减少电力网中的电压损耗和电网的线损率，提高用户端的电压质量的重要措施之一，是减少电力网元件中的无功传输，可以从提高负荷的自然功率因数和进行无功补偿两方面来解决这个问题。

3．1 无功补偿的原理
将电容器和电感并连在同一电路中，电感吸收能量时，正好电容器释放能量，而电感放出能量时，电容器却在吸收能量。

能量就在它们之间交换，即感性负荷(电动机、变压器等)所吸收的无功功率，可由电容器所输出的无功功率中得到补偿。

因此，把由电容器组成的装置称为无功补偿装置。

此外，同步电动机等也可以作为无功补偿装置。

无功补偿的作用和原理可由图2．2来解释：
设电感性负荷需要从电源吸取的无功功率为Q ，装设无功补偿装置后，补
偿无功功率为C Q ，使电源输出的无功功率减少为C Q Q Q -='，功率因数由ϕcos 提高到ϕ'cos ，视在功率S 减少到S '。

图2. 2 无功补偿补偿原理示意图
视在功率的减少可相应减少供电线路的截面和变压器的容量，降低供用电设备的投资。

例如一台1000千伏安的变压器，当负荷的功率因数为0.7 时，可供700千瓦的有功负荷，当负荷的功率因数提高到0.9时，可供900千瓦的有功功率。

同一台变压器，因为负荷的功率因数的提高而可多供200千瓦负荷，是相当可观的。

)()(2
2
2jX R U Q Q P Q j P S C +-+=∆+∆=∆ 可见，因采用无功补偿措施后，电源输送的无功功率减少了，相应的也使电网和变压器中的功率损耗的下降，从而提高了供电效率。

由电压损耗计算公式
U
X Q Q PR U C )(-+=∆ 可知，采用无功补偿措施后，因通过电力网无功功率的减少，降低了电力网中的电压损耗，提高了用户处的电压质量。

并联电容器的无功补偿作用和原理，也可以用图2.3 加以说明。

S
S'
p Q'Qc
Q
ϕ'
ϕ
I I U
图2.3 并联电容器的补偿电流向量图
图中的用电负荷总电流I 可以分解为有功电流分量P I ，和无功电流分量Q I (电感性的)。

当并联电容器投入运行时，流入电容器的容性电流C I 与Q I 方向
相反，故可抵消一部分Q I 使电感性电流分量Q I 降低为C Q Q I I I -='，总电流由I
降为I '，功率因数也由ϕcos 提高到ϕ'cos 。

这时，负荷所需的无功功率全部由补偿电容供给，电网只需供给有功功率。

根据第一章的有功电流)(t I R 与无功电流)(t I X 的定义，还可以用图2.4理解电力系统中无功补偿的作用与原理。

)
(t I C )
(t I )(t U 图2.4 电力系统无功补偿原理图
设负荷实际吸收的电流为)(t I ，为了使输电线路上流过纯有功电流)(t I r ，则需要在负荷端接入一个无功补偿器，补偿器提供的电流为)(t I C ，则
)()()(t I t I t I c r +=
这里 的)(t I c 就是无功电流)(t I X ，这就是电力系统中进行无功补偿的要点。

这是完全的补偿，线路上的电流)(t I r 是为产生负载实际功率(平均功率)而携带能量最小的电流，因而在线路上造成的损失是最小的。

此时，)(t I r 的波形和)(t U 相同，即电压和电流的相位相同。

3 无功补偿装置的原理
3.1 按投切方式分类:
3.1.1 延时投切方式
延时投切方式即人们熟称的"静态"补偿方式。

这种投切依靠于传统的接触器的动作，当然用于投切电容的接触器专用的，它具有抑制电容的涌流作用，延时投切的目的在于防止接触器过于频繁的动作时，电容器造成损坏，更重要的是防备电容不停的投切导致供电系统振荡，这是很危险的。

当电网的负荷呈感性时，如电动机、电焊机等负载，这时电网的电流滞带后电压一个角度，当负荷呈容性时，如过量的补偿装置的控制器，这是电网的电流超前于电压的一个角度，即功率因数超前或滞后是指电流与电压的相位关系。

通过补偿装置的控制器检测供电系统的物理量，来决定电容器的投切，这个物理量可以是功率因数或无功电流或无功功率。

下面就功率因数型举例说明。

当这个物理量满足要求时，如cos Φ超前且>0.98，滞后且>0.95，在这个范围内，此时控制器没有控制信号发出，这时已投入的电容器组不退出，没投入的电容器组也不投入。

当检测到cos Φ不满足要求时，如cos Φ滞后且<0.95，那么将一组电容器投入，并继续监测cos Φ如还不满足要求，控制器则延时一段时间（延时时间可整定），再投入一组电容器，直到全部投入为止。

当检测到超前信号如cos Φ<0.98,即呈容性载荷时，那么控制器就逐一切除电容器组。

要遵循的原则就是：先投入的那组电容器组在切除时就要先切除。

如果把延时时间整定为300s ，而这套补偿装置有十路电容器组，那么全部投入的时间就为30分钟，切除也这样。

在这段时间内无功损失补只能是逐步到位。

如果将延时时间整定的很短，或没有设定延时时间，就可能会出现这样的情况。

当控制器监测到cos Φ〈0.95，迅速将电容器组逐一投入，而在投入期间，此时电网可能已是容性负载即过补偿了，控制器则控制电容器组逐一切除，
周而复始，形成震荡，导致系统崩溃。

是否能形成振荡与负载的性质有密切关系，所以说这个参数需要根据现场情况整定，要在保证系统安全的情况下，再考虑补偿效果。

3.1.2 瞬时投切方式
瞬时投切方式即人们熟称的"动态"补偿方式，应该说它是半导体电力器件与数字技术综合的技术结晶，实际就是一套快速随动系统，控制器一般能在半个周波至1个周波内完成采样、计算，在2个周期到来时，控制器已经发出控制信号了。

通过脉冲信号使晶闸管导通，投切电容器组大约20-30毫秒内就完成一个全部动作，这种控制方式是机械动作的接触器类无法实现的。

动态补偿方式作为新一代的补偿装置有着广泛的应用前景。

现在很多开关行业厂都试图生产、制造这类装置且有的生产厂已经生产出很不错的装置。

当然与国外同类产品相比从性能上、元器件的质量、产品结构上还有一定的差距。

动态补偿的线路方式
(1)LC串接法原理如图1所示
这种方式采用电感与电容的串联接法，调节电抗以达到补偿无功损耗的目的。

从原理上分析，这种方式响应速度快，闭环使用时，可做到无差调节，使无功损耗降为零。

从元件的选择上来说，根据补偿量选择1组电容器即可，不需要再分成多路。

既然有这么多的优点，应该是非常理想的补偿装置了。

但由于要求。