浅谈变电站电容器无功补偿方式及意义

浅谈变电站电容器无功补偿方式及意义

摘要：电力系统的电压质量，直接影响工业产品的质量。提高电网功率因数，确保供电质量和电网运行的经济性，对国民经济发展具有重大意义。

无功功率是影响电压质量的主要因素，电力系统的各节点无功功率平衡决定了该节点的电压水平，无功功率除了会引起电压降低，设备损坏，严重时还会使系统电压崩溃、解裂，造成大面积停电事故。据统计，在电力系统中感应电动机约占全部负荷的50%以上，在电力系统的用户中还存在着大量无功源如轧钢机、电弧炉、电气化铁道等，同时用户中又有大量的对系统电压稳定性有较高要求的精密设备，如计算机，医用设备等，因此迫切需要对系统的无功功率进行补偿。

关键词：功率因数、无功补偿、电容器

一、无功在供电系统中的影响

1、接在电网中的许多用电设备是根据电磁感应原理工作的，我们最常见的变压器就是通过磁场才能改变电压并且将能量送出去，电动机才能转动并带动机械负荷。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，这种功率叫做感性无功功率。电容器在交流电网中接通时，在一个周期内的，上半周期的充电功率和下半周期的放电功率相等，不消耗能量，这种充放电功率叫做容性无功功率。

感性负荷、有功功率、无功功率和视在功率的关系如图1所示：

φ

图1功率三角形

式1—1： S=√P2+Q2

式1—2： P=√S2- Q2=S*cosΦ

式1—3： Q=√S2- P2=S*sinΦ

S—视在功率，kVA

P—有功功率，kW

Q—无功功率，kVar

Φ—功率因数角，它的余弦（cosΦ）是有功功率和视在功率之比，称为功率因数。即：cosΦ=P/S

由功率三角形可以看出，在供电系统中输送的有功功率维持恒定的情况下，当用电企业的cosΦ越小，则所需要的无功功率越大，其视在功率也越大。

2、无功功率增大，即供电系统的功率因数降低将会引起：

（1）增加电力网中输电线路上的有功功率损耗和电能损耗。若设备的功率因数降低，在保证输送同样的有功功率时，无功功率就要增加，这样势必就要在输电线路中传输更大的电流，使得此输电线路上有功功率损耗和电能损耗增大。

（2）系统中输送的总电流增加，使得供电系统中的电气元件，如变压器、电气设备、导线等容量增大，从而使用户的起动控制设备、测量仪表等规格尺寸增大，因而增大了初投资费用。

（3）功率因数过低还将使线路的电压损耗增大，结果负荷端的电压就要下降，甚至会低于允许偏移值，从而严重影响异步电动机及其它用电设备的正常运行。特别在用电高峰季节，功率因数太低会出现大面积地区的电压偏低，将给油田的生产造成很大的损失。

（4）使电力系统内的电气设备容量不能充分利用，因为发电机或变压器都有一定的额定电压、额定电流和额定容量，在正常情况下，这些参数是不容许超过的，若功率因数降低，则有功出力也将随之降低，使设备容量不能得到充分利用。

二、减少无功，提高功率因数的方法

(1) 提高自然功率因数

自然功率因数是指未装设任何补偿装臵的实际功率因数。提高自然功率因数，采用科学措施减少用电设备的无功功率的需要量，使供配电系统总功率因数提高。

①合理选择用电设备的规格、型号

②防止用电设备轻载运行

③保证用电设备的维修质量

④合理选择变压器的型号、容量

⑤优化系统的运行方式

⑥加强用电设备的匹配性

⑦选择合理的无功补偿点

(2) 人工补偿提高功率因数

并联电容器

并联电抗器

串联电容器

串联电抗器

同步补偿器（调相机）

TCR（晶闸管控制电抗器）

TSC（晶闸管开闭电容器）

SR（多相饱和电抗器）

目前，在油田变电站中，提高自然功率因数，减少无功，可能性不大，是因为变电站建站初期，设备的选型、设计决定了自然功率因数的提高。而人工补偿提高功率因数，在不增加投资的情况下，并联电容器是应用最直接、最明显的无功补偿技术方式，也是油田变电站现有条件下，能够做到的。

三、并联电容器补偿

并联电容器是目前国内外应用最为广泛的无功功率补偿装臵，其优点是：投资省，运行经济，结构简单，维护方便，容量可以任意选择，适应性强。

1、并联电容器提高功率因数的原理

在交流电路中(图2)，纯电阻电路负载中的电流IR与电压U同相位，纯电感电路负载中的电流IL滞后电压90°，而纯电容电路负载中的电流IC则超前电压90°，可见，电容中的电流与电感中的电流相差180°，它们能够互相抵消。在电力系统中感应电动机约占全部负荷的50%以上，在电力系统的用户中还存在着大量无功源如轧钢机、电弧炉、电气化铁道等，因此总电流I将滞后电压一个角度，如果将并联电容器与负载并联，则电容器的电流IC将抵消掉一部分电感电流IL使总电流减小，功率因数提高，这就是并联补偿的原理。

图2电容补偿电压电流相位向量图

2、下面以一简单电力网为例来说明投切电容器对功率因数的影响。

图3

如图3所示为一简单电力网，假定供电电压和负荷已经给定，线路分布电容和变压

器励磁功率忽略不计，则补偿前线路有功损耗为

式3—1：

补偿后线路有功损耗为 式3—2： 补偿前负荷侧功率因数

式3—3 补偿后负荷侧功率因数 式3—4 比较以上四式（3—1、2、3、4）可知，并联电容器补偿无功不仅减小了网络的有

功损耗，还提高了电网的传送能力和负荷侧的功率因数。在负荷侧安装并联电容器，不仅能改变网络中的无功分布，提高负荷侧的功率因数，还可以达到调压的目的。如（式3—5）所示，假设补偿前后V0不变，不计电压横分量，补偿后末端电压增量为

式3—5： 3、补偿容量和电容器台数的确定

式3—6： Qcc=P （tg φ1－tg φ2）

式中，Qcc 为补偿容量；P 为平均有功负荷，P =αPc 或Wa/t ，Pc

为负荷计算得到

的有功计算负荷，α为有功负荷系数，Wa 为时间t 内消耗的电能； tg φ1为补偿前平R V Q P P 20

22+=∆R V Q Q P P C 20

2

2)(-+=∆22cos L L L Q P P +=θ2

2)(cos C L L L Q Q P P -+=θ0

00222)(V X

Q V QX PR V X Q Q PR V V V C C =+-++=-'=∆