無功補償設(shè)備知識講座

無功補償設(shè)備知識講座第1頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六什么是無功功率電網(wǎng)中電力設(shè)備大多是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的，他們在能量轉(zhuǎn)換過程中建立交變的磁場，在一個周期內(nèi)吸收的功率和釋放的功率相等。電源能量在通過純電感或純電容電路時并沒有能量消耗，僅在負(fù)荷與電源之間往復(fù)交換，在三相之間流動，由于這種交換功率不對外做功，因此稱為無功功率。第2頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六什么是無功功率從物理概念來解釋感性無功功率：由于電感線圈是貯藏磁場能量的元件，當(dāng)線圈加上交流電壓后，電壓交變時，相應(yīng)的磁場能量也隨著變化。當(dāng)電壓增大，電流及磁場能量也就相應(yīng)加強，此時線圈的磁場能量就將外電源供給的能量以磁場能量形式貯藏起來；當(dāng)電流減小和磁場能量減弱時，線圈把磁場能量釋放并輸回到外面電路中。交流電感電路不消耗功率，電路中僅是電源能量與磁場能量之間的往復(fù)轉(zhuǎn)換。第3頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六什么是無功功率從物理概念來解釋容性無功功率：由于電容器是貯藏電場能量的元件，當(dāng)電容器加上交流電壓后，電壓交變時，相應(yīng)的電場能量也隨著變化。當(dāng)電壓增大，電流及電場能量也就相應(yīng)加強，此時電容器的電場能量就將外電源供給的能量以電場能量形式貯藏起來；當(dāng)電壓減小和電場能量減弱時，電容器把電場能量釋放并輸回到外面電路中。交流電容電路不消耗功率，電路中僅是電源能量與電場能量之間的往復(fù)轉(zhuǎn)換。第4頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六無功分類感性無功：電流矢量滯后于電壓矢量90°

如電動機、變壓器、晶閘管變流設(shè)備等容性無功：電流矢量超前于電壓矢量90°

如電容器、電纜輸配電線路等基波無功：與電源頻率相等的無功（50HZ）諧波無功：與電源頻率不相等的無功第5頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六什么是功率因數(shù)

實際供用電系統(tǒng)中的電力負(fù)荷并不是純感性或純?nèi)菪缘?，是既有電感或電容、又有電阻的?fù)載。這種負(fù)載的電壓和電流的相量之間存在著一定的相位差，相位角的余弦cosφ稱為功率因數(shù)，又稱力率。它是有功功率與視在功率之比。三相功率因數(shù)的計算公式為：

第6頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六什么是功率因數(shù)

式中：cosφ—功率因數(shù)

P—有功功率，KWQ—無功功率，KvarS—視在功率，KVA功率因數(shù)通常分為自然功率因數(shù)、瞬時功率因數(shù)和加權(quán)平均功率因數(shù)三種。在三相對稱電路中，各相電壓、電流為對稱，功率因數(shù)也相同。那么三相電路總的功率因數(shù)就等于各相的功率因數(shù)。第7頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六什么是功率因數(shù)非正弦電路的功率因數(shù)：

P=UI1cosφ1Q=UI1sinφ1S=UI

此時非正弦電路功率因數(shù)為：

式中：cosφ1—基波功率因數(shù)

I1—基波電流

I—總電流由上式可以看出：功率因數(shù)是由基波電流相移和電流波形畸變兩個因素決定的?？傠娏骺梢钥闯捎扇齻€分量，基波有功電流、基波無功電流和諧波電流組成。第8頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六什么是無功補償

電力系統(tǒng)中，不但有功功率要平衡，無功功率也要平衡。有功功率、無功功率、視在功率之間的相量關(guān)系如圖一由式cosφ=P/S可知，在一定的有功功率下，功率因數(shù)cosφ越小，所需的無功功率越大。為滿足用電的要求，供電線路和變壓器的容量就需要增加。這樣，不僅要增加供電投資、降低設(shè)備利用率，也將增加線路損耗。為了提高電網(wǎng)的經(jīng)濟運行效率，根據(jù)電網(wǎng)中的無功類型，人為的補償容性無功或感性無功來抵消線路的無功功率。

第9頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六無功補償?shù)淖饔脽o功補償?shù)闹饕饔镁褪翘岣吖β室驍?shù)以減少設(shè)備容量和功率損耗、穩(wěn)定電壓和提高供電質(zhì)量，在長距離輸電中提高輸電穩(wěn)定性和輸電能力以及平衡三相負(fù)載的有功和無功功率。安裝并聯(lián)電容器進行無功補償，可限制無功功率在電網(wǎng)中的傳輸，相應(yīng)減少了線路的電壓損耗，提高了配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量。第10頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六無功補償?shù)淖饔?．提高電壓質(zhì)量把線路中電流分為有功電流Ia和無功電流Ir，則線路中的電壓損失:

式中：P—有功功率，KW Q—無功功率，Kvar U—額定電壓，KVR—線路總電阻，Ω Xl—線路感抗，Ω

因此，提高功率因數(shù)后可減少線路上傳輸?shù)臒o功功率Q，若保持有功功率不變，而R、Xl均為定值，無功功率Q越小，電壓損失越小，從而提高了電壓質(zhì)量。第11頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六無功補償?shù)淖饔?．提高變壓器的利用率，減少投資功率因數(shù)由cosφ1提高到cosφ2提高變壓器利用率為：由此可見，補償后變壓器的利用率比補償前提高ΔS%，可以帶更多的負(fù)荷，減少了輸變電設(shè)備的投資。第12頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六無功補償?shù)淖饔?．減少用戶電費支出（1）可避免因功率因數(shù)低于規(guī)定值而受罰。（2）可減少用戶內(nèi)部因傳輸和分配無功功率造成的有功功率損耗，電費可相應(yīng)降低。第13頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六無功補償?shù)淖饔?提高電力網(wǎng)傳輸能力有功功率與視在功率的關(guān)系式為：

P=Scosφ

可見，在傳輸一定有功功率的條件下，功率因數(shù)越高，需要電網(wǎng)傳輸?shù)墓β试叫　５?4頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六無功補償?shù)陌才欧绞?/p>

1．集中補償：裝設(shè)在企業(yè)或地方總變電所6~35KV母線上，可減少高壓線路的無功損耗，而且能提高本變電所的供電電壓質(zhì)量。

2．分散補償：裝設(shè)在功率因數(shù)較低的車間或村鎮(zhèn)終端變、配電所的高壓或低壓母線上。這種方式與集中補償有相同的優(yōu)點，但無功容量較小，效果較明顯。第15頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六無功補償?shù)陌才欧绞?．就地補償：裝設(shè)在異步電動機或電感性用電設(shè)備附近，就地進行補償。這種方式既能提高用電設(shè)備供電回路的功率因數(shù)，又能改變用電設(shè)備的電壓質(zhì)量。

*無功補償?shù)墓?jié)能只是降低了補償點至發(fā)電機之間的供電損耗，所以高壓側(cè)的無功補償不能減少低壓網(wǎng)側(cè)的損耗，也不能使低壓供電變壓器的利用率提高。根據(jù)最佳補償理論，就地補償?shù)墓?jié)能效果最為顯著。第16頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六補償方式的選擇

集中補償與分散補償相結(jié)合，以分散補償為主；調(diào)節(jié)補償與固定補償相結(jié)合，以固定補償為主；高壓補償與低壓補償相結(jié)合，以低壓補償為主。第17頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六電能損耗

線損是電流在輸變電設(shè)備和線路中流動產(chǎn)生的，因而它由線路損耗和變壓器損耗兩部分組成。按損耗的變化情況可劃分為可變損耗和固定損耗。前者指當(dāng)電流通過導(dǎo)體和變壓器所產(chǎn)生的損耗，包括變壓器的銅損和電力線路上的銅損，它與負(fù)荷率、電網(wǎng)電壓等因素有關(guān)，約占電網(wǎng)總損耗的80%~85%。后者指只要接通電源電力網(wǎng)就存在的損耗，包括變壓器的鐵損，電纜線路、電容器及其他電器上的介質(zhì)損耗及各種計量儀表、互感器線圈上的鐵損，它與電網(wǎng)運行電壓和頻率有關(guān)，占總損耗15%~20%。第18頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六電能損耗我國與發(fā)達國家相比，線損較大。發(fā)達國家的線損約為2%~3%，而我國在2006年的線損統(tǒng)計為7.1%，所以線損的解決顯得越來越重要。從前面的論述可知，線損與電力用戶的功率因數(shù)的平方成反比，故提高功率因數(shù)是降低損耗的有效措施。裝設(shè)并聯(lián)補償電容器可減少電網(wǎng)無功輸出量。在用戶或靠近用戶的變電站裝設(shè)自動投入的并聯(lián)電容器，以平衡無功功率，限制無功功率在電網(wǎng)中傳送，可減少電網(wǎng)的無功損耗，同時還可提高有功功率的輸送量。第19頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六功率因數(shù)指標(biāo)我國對功率因數(shù)的要求：對供電公司的要求：110KV站，功率因數(shù)在0.95~0.98之間。

220KV站，功率因數(shù)在0.95以上。對用戶的要求：100KVA以上的變壓器，功率因數(shù)大于0.9。對農(nóng)灌的要求：100KVA以上的變壓器，功率因數(shù)大于0.8。第20頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六電容器無功補償原理電力系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)元件的阻抗主要是感性的，需要容性無功來補償感性無功。第21頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六電容器無功補償原理將電容并入RL電路之后，電路如圖（a）所示。該電路電流方程為

由圖（b）的向量圖可知，并聯(lián)電容后U與I的相位差變小了，即供電回路的功率因數(shù)提高了。此時供電電流的相位滯后于電壓，這種情況稱為欠補償。若電容C的容量過大，使得供電電流的相位超前于電壓，這種情況稱為過補償。其向量圖如（c）所示。通常不希望出現(xiàn)過補償?shù)那闆r，因為這樣會：（1）引起變壓器二次側(cè)電壓的升高（2）容性無功功率在電力線路上傳輸同樣會增加電能損耗（3）如果供電線路電壓因而升高，還會增大電容器本身的功率損耗，使溫升增大，影響電容器使用壽命。第22頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六無功補償容量的確定

電容器的補償容量與采用的補償方式、未補償時的負(fù)載情況、電容器的接法有關(guān)。

1．集中補償和分組補償電容器容量計算

QC=Pav(tgφ1-tgφ2)或QC=Pav×qc

式中：Pav—最大負(fù)荷的日平均功率

φ1—補償前的功率因數(shù)角，可取最大負(fù)載時的值

φ2—補償后的功率因數(shù)角，一般取0.90~0.95 qc—電容器補償率，qc=tgφ1-tgφ2，查表可知第23頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六無功補償容量的確定(1)電容器組為星形接法時

式中：UL—裝設(shè)地點的電網(wǎng)線電壓V IC—電容器組的線電流A Cφ—電容器組每相的電容量則

(2)電容器組為三角形接法時則 第24頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六無功補償容量的確定2．就地補償電容器容量計算

其中 電動機空載電流 式中：—電動機的額定電流A—電動機的自然功率因數(shù)第25頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六無功補償容量的確定

需要注意的是：若電容器的實際運行電壓與電容器的額定電壓不一致，則電容器的實際補償容量QC1為 式中：UW—電容器的實際運行電壓

UNC—電容器的額定電壓

QNC—電容器的額定容量第26頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六電容器直接補償?shù)奈：胺婪洞胧╇S著電力電子技術(shù)的飛躍發(fā)展，我國的工礦企業(yè)中大量的使用以晶閘管為主要開關(guān)器件的整流及變頻設(shè)備，這些設(shè)備都是產(chǎn)生大量諧波的發(fā)源地。我們在許多工礦企業(yè)中，經(jīng)常遇到這樣的情況，無功功率補償裝置（電容器直接補償）投入后，供電設(shè)備中的電器件（包括變壓器、電抗器、電容器、自動開關(guān)、接觸器、繼電器）經(jīng)常損壞，這就是諧波電流被電容器直接補償引起的諧波放大后而造成的。電網(wǎng)諧波與并聯(lián)電容器的運行有較大的關(guān)系，因為電容器可能使電網(wǎng)中的諧波電流放大，有時甚至在電網(wǎng)中產(chǎn)生諧振，使電器設(shè)備受到嚴(yán)重?fù)p壞，破壞第27頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六

電容器直接補償?shù)奈：胺婪洞胧?/p>

電網(wǎng)的正常運行。在供電系統(tǒng)中作為無功補償用的并聯(lián)電容器，對于某次諧波若與呈感性的系統(tǒng)電抗發(fā)生并聯(lián)諧振，則可能出現(xiàn)過電壓而造成危害。過大的諧波電流可能使電容器壽命縮短、鼓肚、熔絲群爆甚至燒損。對配電網(wǎng)來說，抑制諧波是很必要的。對于并聯(lián)電容器組，我們抑制諧波的方法主要是使用串聯(lián)電抗器，相當(dāng)于在電容旁邊串聯(lián)一個電抗，使得補償回路的阻抗在某次諧波相對于感性負(fù)載來說呈感性，從而消除由于電路呈容性而帶來的諧波震蕩。第28頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六諧波的放大和電抗率的關(guān)系

在同一條母線上，有非線性負(fù)荷形成的諧波電流源時（略去電阻），并聯(lián)電容器裝置的簡化模型如圖所示：

并聯(lián)諧波阻抗為：第29頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六諧波的放大和電抗率的關(guān)系當(dāng)上式中諧波阻抗的分子數(shù)值為零時，即從諧波源看入的阻抗為零，表示電容器裝置與電網(wǎng)在第n次諧波發(fā)生串聯(lián)諧振，可得電容支路的串聯(lián)諧振點:

（K為電抗率）當(dāng)電網(wǎng)中的諧波不可忽視時，則應(yīng)考慮使用電抗率較大的電抗器，使電容支路對于各次有威脅性諧波的最低次諧波阻抗呈感性。根據(jù)上式可得：第30頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六諧波的放大和電抗率的關(guān)系可以看出：對于諧波次數(shù)為5次的，應(yīng)有K>4%，這就是說選擇電抗率為4.5%～6%的電抗器，不僅可以限制電容器投入時的合閘涌流，而且能夠有效地防止電容器投入引起的對5次及以上諧波的放大。同理，對于諧波次數(shù)為3次的，應(yīng)有K>11%，一般取12%～13%。 等值電路阻抗：第31頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六并聯(lián)電容器、串聯(lián)電抗器額定電壓的選擇舉例說明：某礦35KV站，低壓側(cè)6KV，根據(jù)實際情況計算需補償7600Kvar的電容器組，運行電壓為6.2KV。我們暫且選擇額定電壓為6.6/√3KV電容器，及電抗率為4.5%的電抗器，這樣的配置方式是否合理？首先，式中：K—串聯(lián)電抗器的電抗率

XC—并聯(lián)電容器組的每相容抗Ω第32頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六并聯(lián)電容器、串聯(lián)電抗器額定電壓的選擇已知：U運行=6.2KVK=4.5%

所以

可見，電容器的輸出容量與運行電壓的平方成正比，當(dāng)電容器運行在額定電壓時，輸出額定容量；當(dāng)電容器運行在額定電壓以下時，則達不到額定輸出容量，尤其是電容器的額定電壓取過大的安全裕度時，將會出現(xiàn)較大的無功容量虧損。第33頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六并聯(lián)電容器、串聯(lián)電抗器額定電壓的選擇那么我們再來討論解決無功容量虧損問題的方法：

1．增加電容器組的容量

根據(jù)

可得

則第34頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六并聯(lián)電容器、串聯(lián)電抗器額定電壓的選擇

以上計算說明，在實際運行電壓為6.2KV的情況下，要得到7600Kvar的補償容量，需6.6/√3-7850Kvar的并聯(lián)電容器組。

2．提高串聯(lián)電抗器的電抗率

根據(jù)

可得K=5.8%取電抗率為6%的電抗器第35頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六并聯(lián)電容器、串聯(lián)電抗器額定電壓的選擇1．《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計規(guī)范》（GB50227-1995）中電容器額定電壓的選擇主要原則如下：

1）應(yīng)計入電容器接入電網(wǎng)處的運行電壓

2）電容器運行中承受的長期工頻過電壓，應(yīng)不大于電容器額定電壓的1.1倍

3）應(yīng)計入接入串聯(lián)電抗器引起的電容器運行電壓的升高，其中電壓升高值按下式計算： 式中：UC—電容器端子運行電壓（KV）

US—并聯(lián)電容器裝置的母線電壓（KV）

S—電容器組每相的串聯(lián)數(shù)

4)應(yīng)充分利用電容器的容量，并確保安全第36頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六并聯(lián)電容器、串聯(lián)電抗器額定電壓的選擇2．運行電壓高于電容器額定電壓的危害 眾所周知，電容器的輸出容量與運行電壓的平方成正比，當(dāng)電容器運行在額定電壓時則輸出額定容量；當(dāng)電容器運行在額定電壓以下時，則達不到額定額定容量。如果電容器的額定電壓取過大的安全裕度就會出現(xiàn)過大的容量虧損。但電容器的額定電壓取過小，運行電壓高于額定電壓，如超過1.1倍，將導(dǎo)致電容器的過載，電容器的內(nèi)部介質(zhì)將局部放電，其對絕緣介質(zhì)的危害極大。由于電子和離子直接撞擊介質(zhì)，固體和液體介質(zhì)就會分解產(chǎn)生臭氧和氮的氧化物等氣體，使介損受到化學(xué)腐蝕并使介損增大，局部過熱，可能會發(fā)展成絕緣擊穿。所以，額定電壓是電容器的一項重要參數(shù)。第37頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六并聯(lián)電容器、串聯(lián)電抗器額定電壓的選擇3．電容器額定電壓的合理選擇 在分析電容器端子上的預(yù)期電壓時，應(yīng)考慮以下五點：

1)并聯(lián)電容器裝置接入電網(wǎng)后引起的電網(wǎng)電壓升高

2)諧波引起電網(wǎng)電壓升高

3)裝設(shè)串聯(lián)電抗器引起的電容端電壓升高

4)相間和串聯(lián)段間的容差，將形成電壓分布不均，使部分電容器電壓升高

5)輕負(fù)荷引起的電網(wǎng)電壓升高第38頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六并聯(lián)電容器、串聯(lián)電抗器額定電壓的選擇根據(jù)以上五點，電容器的額定電壓可先由下式求出計算值，再從產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)系列中選取，計算公式如下： 式中：UCN—單臺電容器額定電壓（KV）