無功功率的基本知識

1、無功功率的基本知識1.1什么是電力系統(tǒng)中的無功功率？1、電力系統(tǒng)從源頭發(fā)電機(jī)到終端設(shè)備都是由非純阻性元件組成的，因此必然存在無功功率的交換。2、電感元件或電容元件雖然不消耗功率，但功率P瞬時值按正弦規(guī)律正負(fù)交替變化，這說明元件與外電路在不斷的進(jìn)行著能量交換。因此電感電容元件的瞬時功率又稱為交換功率。元件交換功率的幅值越大，表面同樣時間內(nèi)“吞吐”的能量就越多，也即能量交換的規(guī)模越大?；谏厦娴姆治?，可得如下結(jié)論：電感元件的瞬時功率的幅值，可以作為衡量電感或電容元件與外電路能量交規(guī)模的指標(biāo)，并稱之為電感或電容元件的無功功率，用符號Q表示。則Q=UI無功功率的單位為var。3、然而電力系統(tǒng)中大部分的

2、無功功率并非無用的功率，相反在電力傳輸當(dāng)中起著什么重要的作用。許多用電設(shè)備均是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的，如配電變壓器、電動機(jī)等，它們都是依靠建立交變磁場才能進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換和傳遞，磁場交變就需要與電源進(jìn)行能量交換。為建立交變磁場和感應(yīng)磁通而需要的電功率稱為無功功率，因此，所謂的無功并不是無用的電功率，只不過它的功率并不轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、熱能而已；因此在供用電系統(tǒng)中除了需要有功電源外，還需要無功電源，兩者缺一不可。1.2為什么要進(jìn)行無功補(bǔ)償？一、減低電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)損耗。當(dāng)電力系統(tǒng)運(yùn)行時，在線路和變壓器中將要產(chǎn)生功率損耗和電能損耗。通常配電網(wǎng)的損耗是由兩部分組成的：一部分是與傳輸功率有關(guān)的損耗。它產(chǎn)生在輸電

3、線路和變壓器的串聯(lián)阻抗上，傳輸功率愈大則損耗愈大，這種損耗叫變動損耗，在總損耗中所占比重較大；另一部分損耗則僅與電壓有關(guān)，它產(chǎn)生在輸電線路和變壓器的并聯(lián)導(dǎo)納上，如輸電線路的電暈損耗、變壓器的勵磁損耗等，這種損耗叫固定損耗。電力系統(tǒng)的有功功率損耗不僅大大增加了發(fā)電廠和變電所的設(shè)備容量，同時也是對動力資源的額外浪費(fèi)。電能損耗還密切影響到電能成本，從而影響整個國民經(jīng)濟(jì)的效益。電力系統(tǒng)各元件中的無功功率損耗相對來說較有功功率損耗還大，由于無功功率損耗要有發(fā)電機(jī)或其他無功電源來供給，因此在眾多發(fā)、輸電設(shè)備視在容量為一定的條件下，無功功率的增大勢必相應(yīng)減少發(fā)、輸電的有功功率，即減少發(fā)、輸電容量。而且，當(dāng)通

4、過輸電線路和變壓器輸送無功功率時。也將引起有功功率損耗，這些對于電力系統(tǒng)來說都是非常不經(jīng)濟(jì)的。我們應(yīng)盡力采取措施去降低功率損耗和電能損耗，這從節(jié)約能源、降低電能成本、提高設(shè)備利用率等方面來看都是非常必要的。配電網(wǎng)的降損措施只要有合理的使用變壓器，采用節(jié)能型的變壓器，同時避免經(jīng)多級變壓；重視和合理進(jìn)行無功補(bǔ)償。合理地選擇無功補(bǔ)償方式、補(bǔ)償點(diǎn)及補(bǔ)償容量，能有效地穩(wěn)定系統(tǒng)的電壓水平，避免大量的無功通過線路遠(yuǎn)距離傳輸而造成有功網(wǎng)損。對電網(wǎng)的無功補(bǔ)償通常采用集中、分散、就地相結(jié)合的方式，具體選擇要根據(jù)負(fù)荷用電特點(diǎn)來確定。一般的電網(wǎng)中，無功補(bǔ)償裝置安裝在變壓器的低壓側(cè)；對電力線路改造，擴(kuò)大導(dǎo)線的載流水平調(diào)

5、整用電負(fù)荷。保持均衡用電。調(diào)整用電設(shè)備運(yùn)行方式，合理分配負(fù)荷，降低電網(wǎng)高峰時段的用電，增加低谷時段的用電；改造不合理的局域配電網(wǎng)，保持三相平衡，使用電均衡，降低線損。二、提高電壓質(zhì)量衡量電能質(zhì)量的指標(biāo)主要是電壓、頻率、波形、電壓波動與閃變和三廂不平衡度等。其中電壓質(zhì)量對各類用電設(shè)備的安全運(yùn)行都有直接影響。影響電力系統(tǒng)電壓的主要因素是無功功率。只有系統(tǒng)有能力向負(fù)荷提供足夠的無功功率時，系統(tǒng)電壓才可能維持在正常水平；如果系統(tǒng)內(nèi)無功電源不足，系統(tǒng)的端電壓就將被迫降低。所以，電力系統(tǒng)無功功率平衡與維持電力系統(tǒng)的電壓水平有著不可分割的關(guān)系。1.3電力系統(tǒng)的無功平衡影響電力系統(tǒng)電壓的主要因素是無功功率。只

6、有系統(tǒng)有能力向負(fù)荷提供足夠的無功功率時。系統(tǒng)電壓才有可能維持在正常水平；如果系統(tǒng)內(nèi)的無功電源不足，系統(tǒng)的端電壓就將被迫降低。所以電力系統(tǒng)無功功率平衡與維持電力系統(tǒng)的電壓水平有著不可分割的關(guān)系。（1）電力系統(tǒng)的無功負(fù)荷及無功損耗電力系統(tǒng)的無功功率負(fù)荷各用電設(shè)備中，除了相對很小的白熾燈負(fù)荷只消耗有功功率、為數(shù)不多的同步電動機(jī)可發(fā)出一部分無功功率外，大多數(shù)都要消耗無功功率因此，無論工業(yè)或農(nóng)業(yè)用戶都也之后功率因數(shù)運(yùn)行，其值約為0.60.9。其中，較大的數(shù)值對應(yīng)于采用大容量同步電動機(jī)的場合。無功功率的負(fù)荷曲線的變化規(guī)律雖大體上也有功功率相似，也并非完全亦步亦趨。其最大值可能出現(xiàn)在白晝而不是傍晚。原因在于

7、，系統(tǒng)總負(fù)荷的成分一晝夜間各不相同。白晝，工業(yè)用電比重大；傍晚，生活用電等比重將增加，而二者的功率因數(shù)不同。大致可認(rèn)為，如白晝和傍晚有功功率負(fù)荷的峰值約略相等，白晝無功功率負(fù)荷的峰值將大于傍晚；反之，如白晝有功功率負(fù)荷的峰值遠(yuǎn)小于傍晚，白晝和傍晚無功功率負(fù)荷的峰值將約略相等。但無論是電力系統(tǒng)的運(yùn)行或設(shè)計(jì)部門。一般都不編制無功功率負(fù)荷曲線而只編制無功功率平衡表或各樞紐點(diǎn)電壓曲線。而且，這些表格或曲線也只是隔一段時間制作一次。無功功率損耗：變壓器中的無功損耗和電力線路上的無功損耗變壓器中的無功功率損耗分兩部分，即勵磁支路和繞組支路中損耗。其中，勵磁支路損耗的百分?jǐn)?shù)基本上等于空載電流的百分?jǐn)?shù)，約為1

8、%2%；繞組漏抗中損耗在變壓器滿載時，基本上等于短路電壓的百分?jǐn)?shù)，約為10%。因此，對一臺變壓器或一級變壓的網(wǎng)絡(luò)而言，變壓器中的無功功率損耗并不大，滿載時約為它額定容量的百分之十幾。相對多電壓級網(wǎng)絡(luò)，變壓器中的無功功率損耗就相當(dāng)可觀。以一個五級變壓器的網(wǎng)絡(luò)為例，設(shè)電廠中10/200KV升壓，網(wǎng)絡(luò)中220/110、110/35、35/10、10/0.4KV降壓至用戶，典型計(jì)算的結(jié)果表明系統(tǒng)中變壓器的無功功率損耗占相當(dāng)大比例，較有功功率損耗大得多。電力線路上的無功功率損耗也分兩部分，即并聯(lián)電納和串聯(lián)電抗中的無功功率損耗，并聯(lián)電納中的這種損耗又稱充電功率，與線路電壓的平方成正比，呈容性。串聯(lián)電抗中的

9、這種損耗與負(fù)荷電流的平方成正比，呈感性。因此，線路作為電力系統(tǒng)的一個元件究竟消耗容性或感性無功功率就不能肯定。根據(jù)自然功率的概念，可做一個大致的估計(jì)：當(dāng)通過線路輸送的有功功率大于自然功率時，線路將消耗容性無功功率。而所以能作這樣估計(jì)的前提是線路“無損耗“且負(fù)荷功率因數(shù)為1。一般，通過110KV及以下線路輸送的功率往往大于自然功率；通過500KV線路輸送的功率大致等于自然功率。通過220KV線路輸送的功率則因線路長度而異，線路較長時，小于自然功率；線路較短時，大于自然功率。（2）電力系統(tǒng)的無功電源發(fā)電機(jī)同步發(fā)電機(jī)既是有功功率電源。又是最基本的無功功率電源。電容器和調(diào)相機(jī)并聯(lián)電容器只能向系統(tǒng)供應(yīng)感

10、性無功功率。它說供應(yīng)的感性無功功率與其端電壓的平方成正比。調(diào)相機(jī)實(shí)質(zhì)上是只能發(fā)無功功率的發(fā)電機(jī)。它在過激運(yùn)行時容量的50%。這些也就是作為無功功率電源的調(diào)相機(jī)的運(yùn)行極限。靜止補(bǔ)償器和靜止調(diào)相機(jī)靜止補(bǔ)償器和靜止調(diào)相機(jī)是分別與電容器和調(diào)相機(jī)相對應(yīng)而又同屬“靈活交流輸電系統(tǒng)”范疇的兩種無功功率電源。目前常用的有晶閘管控制電抗器型（TCR型）、晶閘管開關(guān)電容器型（TSC型）和飽和電抗器型（SR型）三種。1.4怎么進(jìn)行無功補(bǔ)償？與系統(tǒng)中的有功功率電源是集中在各類發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)不同的是，無功功率的電源除發(fā)電機(jī)外。還有電容器、調(diào)相機(jī)、和靜止補(bǔ)償器等，分散在各變電所。供應(yīng)有功功率和電能必須消耗能源，但無功功率

11、電源一旦設(shè)置后，就可以隨時使用而不再有其他經(jīng)常性耗費(fèi)。系統(tǒng)中無功功率損耗遠(yuǎn)大于有功功率損耗。正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，全系統(tǒng)頻率相同，頻率調(diào)整集中在發(fā)電廠，而全系統(tǒng)電壓水平各點(diǎn)不同，而且，電壓調(diào)整可分散進(jìn)行，調(diào)壓手段也多種多樣。無功功率的補(bǔ)償原則：無功補(bǔ)償措施：利用同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償利用調(diào)相機(jī)進(jìn)行無功補(bǔ)償利用電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償利用靜止補(bǔ)償器進(jìn)行無功補(bǔ)償4并聯(lián)電抗器就感性無功功率聞言，并聯(lián)電抗器顯然不是電源而是負(fù)荷，但在某些電力系統(tǒng)中的確裝有這種設(shè)施，用以吸取輕載或空載線路過剩的感性無功功率。而對高壓遠(yuǎn)距離輸電線路而言，它還有提高輸送能力，降低過電壓等作用。（1減輕空載或輕載線路上的電容小于，以降低工頻暫

12、態(tài)過電壓；2改善長距離輸電線路上的電壓分布；3使輕負(fù)荷時線路中的無功功率盡可能就地平衡，防止無功功率不合理流動，同時也減輕了線路上的功率損失；4在大機(jī)組與系統(tǒng)并聯(lián)時，降低高壓母線上工頻穩(wěn)態(tài)電壓，便于發(fā)電機(jī)同期并列；5防止發(fā)電機(jī)帶長線路可能出現(xiàn)的自勵磁諧振現(xiàn)象；6當(dāng)采用電抗器中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地裝置時，還可用小電抗器補(bǔ)償線路相間及相地電容，以加速潛供電流自動熄滅，便于采用單相快速重合閘。）無功功率的平衡電源供應(yīng)的無功功率由兩部分組成，即發(fā)電機(jī)供應(yīng)的無功功率和補(bǔ)償設(shè)備供應(yīng)的無功功率，而補(bǔ)償設(shè)備供應(yīng)的無功功率又分調(diào)相機(jī)供應(yīng)的無功功率、并聯(lián)電容器供應(yīng)的無功功率和靜止補(bǔ)償器供應(yīng)的無功功率三部分。無功功率損

13、耗的無功功率包括三部分：變壓器中的無功功率損耗、線路電抗中的無功功率損耗和線路電納中的無功功率損耗。進(jìn)行無功功率平衡計(jì)算的前提應(yīng)是系統(tǒng)的電壓水平正常。而如果不能在正常電壓水平下保證無功功率的平衡，系統(tǒng)的電壓質(zhì)量總不能保證無功補(bǔ)償?shù)脑砭W(wǎng)絡(luò)未加無功補(bǔ)償設(shè)備前，負(fù)荷的有功功率、無功功率為P、O。與網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓β氏嗟?。加裝了一部分無功補(bǔ)償設(shè)備后。網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)挠泄β什蛔?，傳輸?shù)臒o功功率變?yōu)闇p少了，相當(dāng)于無功消耗減少了。補(bǔ)償后的電力網(wǎng)的功率因數(shù)得到了提高。無功補(bǔ)償?shù)囊饬x加裝無功補(bǔ)償設(shè)備后，電網(wǎng)的功率因數(shù)提高。具有以下幾個方面的意義。減少系統(tǒng)元件的容量，換個角度看是提高電網(wǎng)的輸送能力。加裝了無功補(bǔ)償后，減

14、少了電網(wǎng)無功輸送量，在輸送同樣的有功功率情況下，設(shè)備安裝的容量可以減少，就能節(jié)約大量的有色金屬，也節(jié)約了投資。對運(yùn)行中的電氣設(shè)備而言，無功補(bǔ)償后其中通過的無功功率減少了，有功的輸送能力提高，使設(shè)備容量得到充分利用。降低網(wǎng)絡(luò)功率損耗和電能損耗當(dāng)符合電流流過線路是，其功率損耗為線路輸送的無功由補(bǔ)償?shù)腝減少到Q1時，線路的功率損耗下降，每年在線路上和變壓器上的電能損耗也下降。改善電壓質(zhì)量減少線路輸送的無功功率，則電壓損耗有所下降，改善了電力網(wǎng)和用戶的電壓質(zhì)量?？蓪o功補(bǔ)償是保證電能質(zhì)量的重要措施。電力系統(tǒng)的無功功率補(bǔ)償原則電網(wǎng)的無功補(bǔ)償原則是按分層分區(qū)和就地平衡原則考慮。并應(yīng)能隨負(fù)荷或電壓進(jìn)行調(diào)整，

15、保證系統(tǒng)各樞紐點(diǎn)的電壓在正常和事故后均能滿足規(guī)定的要求，避免經(jīng)長距離線路或多級變壓器傳送無功功率。電力系統(tǒng)中無功功率的最優(yōu)分布無功功率的最優(yōu)分布包括無功功率電源的最優(yōu)分布和無功負(fù)荷的最優(yōu)補(bǔ)償兩個方面。但在討論這兩個方面問題之前，有必要對提高負(fù)荷的自然功率因數(shù)，既減低負(fù)荷對無功功率需求，因?yàn)槊鎸κ值土拥呢?fù)荷自然功率因數(shù)談?wù)摕o功功率的最優(yōu)分布，顯然是舍本逐末。將負(fù)荷的自然功率因數(shù)盡可能提高后，才考慮采用補(bǔ)償設(shè)備人為地提高負(fù)荷功率因數(shù)，以及包括這些補(bǔ)償設(shè)備在內(nèi)的各種無功功率電源的最優(yōu)分布問題。無功功率電源的最優(yōu)分布等網(wǎng)損微增率準(zhǔn)則優(yōu)化無功功率電源分布的目的在降低網(wǎng)絡(luò)中的有功功率損耗。因此，這里的目

16、標(biāo)函數(shù)就是網(wǎng)絡(luò)基于季節(jié)特性的討論一般，火電廠以承擔(dān)基本不變的負(fù)荷為宜，這樣可避免頻繁的開停設(shè)備或增減負(fù)荷。其中，高溫高壓電廠因效率最高，應(yīng)優(yōu)先投入，而且，由于它們可靈活調(diào)節(jié)的范圍較窄，在負(fù)荷曲線的更基底部分運(yùn)行更恰當(dāng)其次是中溫中壓電廠。低溫低壓電廠設(shè)備陳舊，效率很低，應(yīng)及早淘汰。而在淘汰之前只能在高峰負(fù)荷期間用以發(fā)必要的功率。原子能電廠的可調(diào)容量雖大，但因原子能電廠的一次投資大，運(yùn)行費(fèi)用小，建成后應(yīng)盡可能利用，原則上應(yīng)持續(xù)承擔(dān)額定容量負(fù)荷，在負(fù)荷曲線的最基底部分運(yùn)行。無調(diào)節(jié)水庫水電廠的全部功率和有調(diào)節(jié)水庫水電廠的強(qiáng)迫功率都不可調(diào)，應(yīng)首先投入。有調(diào)節(jié)水電廠的可調(diào)功率，在洪水季節(jié)，為防止棄水，往往

17、也優(yōu)先投入；在枯水季節(jié)則恰相反，應(yīng)承擔(dān)高峰負(fù)荷。在耗盡日耗水量的前提下，枯水季節(jié)將水電廠的可調(diào)功率移在后面投入，不僅可使火電廠的負(fù)荷更平穩(wěn)，從而減少因開停設(shè)備或增減負(fù)荷而額外消耗的燃料，而且可使系統(tǒng)中的功率分配更合理，從而節(jié)約總的燃料消耗。更何況水電廠還有快速起動、快速增減負(fù)荷的突出優(yōu)點(diǎn)。抽水蓄能電廠在低谷負(fù)荷時，其水輪發(fā)電機(jī)組作電動機(jī)水泵方式運(yùn)行，因而應(yīng)作負(fù)荷考慮；在高峰負(fù)荷時發(fā)電，與常規(guī)水電廠無異。雖然這一抽水蓄能、放水發(fā)電循環(huán)的總效率只有70%左右，但因這類電廠的介入，使火電廠的負(fù)荷進(jìn)一步平穩(wěn)，就系統(tǒng)總體而言，是很合理的。這類電廠常伴隨原子能電廠出現(xiàn)，其作用是確保原子能電廠有平穩(wěn)的負(fù)荷。但系統(tǒng)中嚴(yán)重缺乏調(diào)節(jié)手段時，也應(yīng)考慮建設(shè)這類電廠。所以枯水季節(jié)。各類發(fā)電廠承擔(dān)負(fù)荷的順序大致排列如下：（1）無調(diào)節(jié)水電廠（2）有調(diào)節(jié)水電廠的強(qiáng)迫功率（3）熱電廠的強(qiáng)迫功率（4）原子能電廠（5）燃燒劣質(zhì)、當(dāng)?shù)厝剂系幕痣姀S（6）熱電廠的可調(diào)功率（7）高溫高壓火電廠（8）中溫中壓火電廠（9）低溫低壓火電廠（不一定投入）（10）有調(diào)節(jié)水電廠的可調(diào)功率（11）抽水蓄能水電廠洪水季節(jié)和枯水季節(jié)的不同在于這時有調(diào)節(jié)水電廠的可調(diào)功率往往也歸入強(qiáng)迫功率成為不