无功补偿原理基础知识详解

什么是无功补偿
电力系统中，不但有功功率要平衡，无 功功率也要平衡。 有功功率、无功功率 、视在功率之间的 相量关系如图一 由式cosφ =P/S可知，在一定的有功功 率下，功率因数cosφ 越小，所需的无 功功率越大。为满足用电的要求，供电 线路和变压器的容量就需要增加。这 样 ，不仅要增加供电投资、降低设备利 用 率，也将增加线路损耗 。为了提高电 网的经济运行效率，根据电网中的无功 类型，人为的补偿容性无功或感性无功 来抵消线路的无功功率。
1．提高电压质量 把线路中电流分为有功电流Ia和无功 电流Ir，则线路中的 电压损失: PR+Q Xl ∆U =3 ×( IR + I X ) = 3 × a r l U 式中： P—有功功率，KW Q—无功功率，Kvar U—额定电压，KV R—线路总电阻，Ω Xl—线路感抗，Ω 因此，提高功率因数后可减少线路上传输的无功功率Q，若 保持有功功率不变，而R、Xl均为定值，无功功率Q越小， 电压损失越小，从而提高了电压质量。
补偿方式的选择
集中补偿与分散补偿相结合，以分散补偿为 主； 调节补偿与固定补偿相结合，以固定补偿为 主； 高压补偿与低压补偿相结合，以低压补偿为 主。
电能损耗
线损是电流在输变电设备和线路中流动产生的，因 而 它由线路损耗和变压器损耗两部分组成。按损耗 的变 化情况可划分为可变损耗和固定损耗。前者指 当电流 通过导体和变压器所产生的损耗，包括变压 器的铜损 和电力线路上的铜损，它与负荷率、电网 电压等因素 有关，约占电网总损耗的80%~85% 。 后者指只要接 通电源电力网就存在的损耗，包括变 压器的铁损，电 缆线路、电容器及其他电器上的介 质损耗及各种计量 仪表、互感器线圈上的铁损，它 与电网运行电压和频 率有关，占总损耗15%~20% 。
无功补偿的安排方式
1．集中补偿：装设在企业或地方总变电所 6~35KV母线上，可减少高压线路的无功损 耗，而且能提高本变电所的供电电压质量。 2．分散补偿：装设在功率因数较低的车间 或 村镇终端变、配电所的高压或低压母线上。 这种方式与集中补偿有相同的优点，但无功 容量较小，效果较明显。
无功补偿的安排方式
什么是功率因数
非正弦电路的功率因数： P=UI1 cosφ 1 Q=UI1sinφ 1 P I1 此时非正弦电路功率因数为： λ= = cosΦ
U I I
S=UI
1
式中：cosφ 1—基波功率因数 I1 —基波电流 I —总电流 由上式可以看出：功率因数是由基波电流相移和电 流波形畸变两个因素决定的。总电流可以看成由三 个分量，基波有功电流、基波无功电流和谐波电流 组成。
电容器直接补偿的危害及防范措施
电网的正常运行。在供电系统中作为无功补偿用的 并联电容器，对于某次谐波若与呈感性的系统电抗 发生并联谐振，则可能出现过电压而造成危害。过 大的谐波电流可能使电容器寿命缩短、鼓肚、熔丝 群爆甚至烧损。 对配电网来说，抑制谐波是很必要的。对于并联电 容器组，我们抑制谐波的方法主要是使用串联电抗 器，相当于在电容旁边串联一个电抗，使得补偿回 路的阻抗在某次谐波相对于感性负载来说呈感性， 从而消除由于电路呈容性而带来的谐波震荡。
无功补偿容量的确定
(1)电容器组为星形接法时
Qc = 3 U LI C×10−3 =ω CUφ2 L ×10−3
式中：UL—装设地点的电网线电压V IC—电容器组的线电流A C φ —电容器组每相的电容量 则 (2)电容器组为三角形接法时
则Q
c
QC ×103 C φ= 2 ω UL
=
3U
L
I C × 10
XL K
XC
当电网中的谐波不可忽视时，则应考虑使用电抗率 较大的电抗器，使电容支路对于各次有威胁性谐波 的最低次谐波阻抗呈感性。 根据上式可得： X 1
K=
L
XC
>
n2
谐波的放大和电抗率的关系
可以看出：对于谐波次数为5次的，应有 K>4% ，这就是说选择电抗率为4.5%～6%的 电抗器 ，不仅可以限制电容器投入时的合闸 涌流，而 且能够有效地防止电容器投入引起 的对5次及 以上谐波的放大。同理，对于谐波 次数为3次 的，应有K>11%，一般取12%～ 13%。
3．就地补偿：装设在异步电动机或电感性 用电设备附近，就地进行补偿。这种方式既 能提高用电设备供电回路的功率因数，又能 改变用电设备的电压质量。 *无功补偿的节能只是降低了补偿点至发电机 之间的供电损耗，所以高压侧的无功补偿不 能减少低压网侧的损耗，也不能使低压供电 变压器的利用率提高。根据最佳补偿理论， 就地补偿的节能效果最为显著。
什么是无功功率
从物理概念来解释容性无功功率：由于电容器是贮 藏电场能量的元件，当电容器加上交流电压后，电 压交变时，相应的电场能量也随着变化。当电压增 大，电流及电场能量也就相应加强，此时电容器的 电场能量就将外电源供给的能量以电场能量形式贮 藏起来；当电压减小和电场能量减弱时，电容器把 电场能量释放并输回到外面电路中。交流电容电路 不消耗功率，电路中仅是电源能量与电场能量之间 的往复转换。
随着电力电子技术的飞跃发展，我国的工矿企业中 大量的使用以晶闸管为主要开关器件的整流及变频 设备，这些设备都是产生大量谐波的发源地。我们 在许多工矿企业中，经常遇到这样的情况，无功功 率补偿装置（电容器直接补偿）投入后，供电设备 中的电器件（包括变压器、电抗器、电容器、自动 开关、接触器、继电器）经常损坏，这就是谐波电 流被电容器直接补偿引起的谐波放大后而造成的。 电网谐波与并联电容器的运行有较大的关系，因为 电容器可能使电网中的谐波电流放大，有时甚至在 电网中产生谐振，使电器设备受到严重损坏，破坏
什么是无功功率
从物理概念来解释感性无功功率：由于电感线圈是 贮藏磁场能量的元件，当线圈加上交流电压后，电 压交变时，相应的磁场能量也随着变化。当电压增 大，电流及磁场能量也就相应加强，此时线圈的磁 场能量就将外电源供给的能量以磁场能量形式贮藏 起来；当电流减小和磁场能量减弱时，线圈把磁场 能量释放并输回到外面电路中。交流电感电路不消 耗功率，电路中仅是电源能量与磁场能量之间的往 复转换。
无功补偿容量的确定
电容器的补偿容量与采用的补偿方式、未补偿时的 负载情况、电容器的接法有关。 1．集中补偿和分 组补偿电容器容量计算 QC=Pav(tgφ 1- tgφ 2) 或 QC=Pav × qc 式中：Pav—最大负荷的日平均功率 φ 1—补偿前的功率因数角，可取最大负载时的值 φ 2—补偿后的功率因数角，一般取0.90~0.95 qc—电容器补偿率，qc= tgφ 1- tgφ 2，查表可知
− 3
=3ωC U φ
2 L
× 10
−3
QC ×103 Cφ = 3 ω UL2
无功补偿容量的确定
2．就地补偿电容器容量计算
Q= 3 U I ×10−3 ×0.9
c N 0
I = 2I ( 1− cosφ ) 其中 电动机空载电流 式中：I —电动机的额定电流A C O S φ —电动机的自然功率因数 N
功率因数指标
我国对功率因数的要求：
对供电公司的要求：110KV站，功率因数在 0.95~0.98之间。
220KV站，功率因数在0.95以上。
对用户的要求：100KVA以上的变压器，功率因 数大于0.9。 对农灌的要求：100KVA以上的变压器，功率因 数大于0.8。
电容器无功补偿原理
电力系统中网络元件的阻抗主要是感性的， 需要容性无功来补偿感性无功。
无功分类
感性无功：电流矢量滞后于电压矢量90° 如电动机、变压器、晶闸管变流设备等 容性无功：电流矢量超前于电压矢量90° 如电容器、电缆输配电线路等
基波无功：与电源频率相等的无功（50HZ） 谐波无功：与电源频率不相等的无功
什么是功率因数
实际供用电系统中的电力负荷并不是纯感性或纯容 性的，是既有电感或电容、又有电阻的负载。这种 负载的电压和电流的相量之间存在着一定的相位 差 ，相位角的余弦cosφ 称为功率因数，又称力率。 它是有功功率与视在功率之比。 三相功率因数的计算公式为：
P cosφ= = S P P2 +Q2
什么是功率因数
式中：cosφ —功率因数 P—有功功率，KW Q—无功功率，Kvar S—视在功率，KVA
功率因数通常分为自然功率因数、瞬时功率因数和 加权平均功率因数三种。 在三相对称电路中，各相电压、电流为对称，功率 因数也相同。那么三相电路总的功率因数就等于各 相的功率因数。
无功补偿工作原理
什么是无功功率
电网中电力设备大多是根据电磁感应原理工 作的，他们在能量转换过程中建立交变的磁 场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率 相等。电源能量在通过纯电感或纯电容电路 时并没有能量消耗，仅在负荷与电源之间往 复交换，在三相之间流动，由于这种交换功 率不对外做功，因此称为无功功率。
无功补偿的作用
2．提高变压器的利用率，减少投资 功率因数 由cosφ 1提高到cosφ 2提高变压器 利用率为：
⎛ cos Φ1 ⎞ S 1 −S 2 ⎟ ∆S% = ×100% =⎜ 1− ×100% ⎜ ⎟ S1 ⎝ cosΦ 2 ⎠
由此可见，补偿后变压器的利用率比补偿前 提高Δ S %，可以带更多的负荷，减少了输 变 电设备的投资。
谐波的放大和电抗率的关系
在同一条母线上，有非线性负荷形成的谐波 电流源时（略去电阻），并联电容器装置的 简化模型如图所示：
并联谐波阻抗为：
XC ⎞ ⎛ ⎟ n X⎜ n X − s L n ⎠ ⎝ Z n= XC n X S+n X −当上式中谐波阻抗的分子数值为零时，即从谐波源 看入的阻抗为零，表示电容器装置与电网在第n次 谐波发生串联谐振，可得电容支路的串联谐振点: XC 1 X （K为电抗率） n= = K= L
电能损耗
我国与发达国家相比，线损较大。发达国家的线损 约 为2%~3%，而我国在2006年的线损统计为 7.1%，所 以线损的解决显得越来越重要。从前面的 论述可知， 线损与电力用户的功率因数的平方成反 比，故提高功 率因数是降低损耗的有效措施。装设 并联补偿电容器 可减少电网无功输出量。在用户或 靠近用户的变电站 装设自动投入的并联电容器，以 平衡无功功率，限制 无功功率在电网中传送，可减 少电网的无功损耗，同 时还可提高有功功率的输送 量。
无功补偿的作用
无功补偿的主要作用就是提高功率因数以减 少设备容量和功率损耗、稳定电压和提高供 电质量，在长距离输电中提高输电稳定性和 输电能力以及平衡三相负载的有功和无功功 率。安装并联电容器进行无功补偿，可限制 无功功率在电网中的传输，相应减少了线路 的电压损耗，提高了配电网的电压质量。
无功补偿的作用
无功补偿的作用
3．减少用户电费支出 （1）可避免因功率因数低于规定值而受罚。 （2）可减少用户内部因传输和分配无功功率 造成的有功功率损耗，电费可相应降低。
无功补偿的作用
4 提高电力网传输能力 有功功率与视在 功率的关系式为： P=Scosφ 可见，在传输一定有功 功率的条件下，功 率因数越高，需要电网传输的功率越小。
0
C N
N
C N
无功补偿容量的确定
需要注意的是：若电容器的实际运行电压与 电容器的额定电压不一致，则电容器的实际 补偿容量QC1为
Q C1
2 ⎛U ⎞ W ⎟ =⎜ QNC ⎜ ⎟ UNC ⎠ ⎝
式中：UW—电容器的实际运行电压 UNC—电容器的额定电压 QNC—电容器的额定容量
电容器直接补偿的危害及防范措施
电容器无功补偿原理
将电容并入RL电路之后，电路如图（ a）所示。该电路电流方程为
ϖ ϖ ϖ I = Ic +Ir l
由图（b）的向量图可知，并联电容后U与I的相位差变小了，即供电回 路的功率因数提高了。此时供电电流的相位滞后于电压，这种情况称为 欠补偿。 若电容C的容量过大，使得供电电流的相位超前于电压，这种情况称为 过补偿。其向量图如（ c）所示。通常不希望出现过补偿的情况，因为这 样会： （1）引起变压器二次侧电压的升高 （2）容性无功功率在电力线路上传输同样会增加电能损耗 （3）如果供电线路电压因而升高，还会增大电容器本身的功率损耗，使 温升增大，影响电容器使用寿命。