无功补偿的意义及原理

四、无功补偿的意义及原理人们对有功功率的理解非常容易，而要深刻认识无功功率却并不轻而易举的。在正弦电路中，无功功率的概念是清楚的，而在含有谐波时，至今尚无公认的无功功率定义。但是，对无功功率这一概念的重要性和无功补偿重要性的认识，却是一致的。无功功率应包含对基波无功功率的补偿和对谐波无功功率的补偿。无功功率对供电系统和负荷的运行都是十分重要的。电力系统网络元件的阻抗主要是电感性的。因此，粗略地说，为了输送有功功率，就要求送电端和受电端有一相位差，这在相当宽的范围内可以实现。而为了输送无功功率，则要求两端电压有一幅值差，这只能在很窄的范围内实现。不仅大多网络元件消耗无功功率，大多数负载也需要消耗无功功率。网络元件和负载所需要的无功功率必须从网络中某个地方获得。显然，这些无功功率如果都要由发电机提供并经过长距离传送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法应是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，这就是无功补偿。无功补偿的作用主要有以下几点：（1）提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗；（2）稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线路合适的地点设置动态无功补偿装置，还可以改善输系统的稳定性，提高输电能力；（3）在电气化铁道等三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三相的有功及无功负载。（一）．无功补偿的物理意义无功功率只是描述了能量交换的幅度，而并不消耗功率。图中的单相电路就是这方面的一个例子，其负载为一阻感负载。电阻消耗有功功率，而电感则在一周期内的一部分时间把从电源吸收的能量储存起来，另一部分时间再把储存的能量向电源和负载释放，并不消耗能量。无功功率的大小表示了电源和负载电感之间交换能量的幅度。电源向负载提供这种功率是阻感负载内在的需要，同时也对电源的输出带来一定的影响。下图是带有阻感负载的三相电路，为了和上图对照，假设u、R、L的参数均和上图相同，且为对称三相电路。这时无功功率的大小当然也表示了电源和负载电感之间能量交换的幅度。无功能量在电源和负载之间来回流动。同时可以证明，各相的无功功率分量（uir）的瞬时值之和在任一时刻都为零。因此，也可以认为无功能量是在三相之间流动的。这种流动是通过阻感负载进行的。（二）无功补偿的原理在实际电力系统中，大部分负载为异步电动机，包括异步电动机在内的绝大部分电气设备的等效电路可看作电阻R与电感L串联的电路，其功率因数为22cosLRRX式中LXL将R、L电路并联再接入电容C之后，电路如下图（a）所示。该电路的电流方程为：cRLIII由下图的相量图可知，并联电容后电压U与电流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I的相位滞后于电压U，这种情况称为欠补偿。图并联电容补偿无功功率的电路和相量图（a）电路；（b）相量图（欠补偿）；（c）相量图（过补偿）若电容C的容量过大，使得供电电流I的相位超前于电压U，这种情况称为过补偿，其相量图如图（c）所示。通常不希望出现过补偿的情况，因为这会引起变压器二次电压的升高，而且容性无功功率在电力线路上传输同样回增加电能损耗，如果供电线路电压因此而升高，还会增大电容器本身的功率损耗，使温升增大，影响电容器的寿命。二.增加无功补偿：当电力网中某一点增加无功补偿量后，从该点至电源所有串接的线路及变压器中的无功潮流都将减少，从而使该点以前串接的电能损耗减少，达到了降损节电和改善电能质量的目的。无功补偿对于需要集中补偿的可按无功经济当量来选择补偿点和补偿容量，对于用电客户可按提高功率因数的原则进行无功补偿，补偿分布首先考虑调压的要求，闭免无功长距离传输，补偿设备的配置要按照“分级补偿，就地平衡”的原则进行规划，就是要做到那里有无功负荷就在那里安装无功补偿装置，但要考虑它的经济性，无功补偿通常不希望出现过补偿，因为这样会使变压器二次电压升高且容性无功功率在电力线路上传输同样会增加电能损耗，也就是用电设备倒送无功功率到电网，这种情况绝大多数是电网无功过剩引起的，它可能将对电网造成过电压的危害，这样就要求安装电抗器，就进吸收无功，但还是要考虑经济投资。在电力系统中，无功要保持平衡，否则，将降低系统的电压下降，严重时，会导致设备损坏，系统解列。此外，网络的功率因数和电压的降低，使电气设备得不到充分利用，促使网络传输能力下降，损耗增加。因此，解决好网络补偿问题，对改善电压质量、提高功率因数及降低系统损耗和提高系统供电效率有极为重要的意义。下面对无功作一介绍：电力系统中的无功损耗，主要包括变压器中的无功功率损耗、输电线路上的无功功率损耗、晶闸管控制电路中吸收的无功功率及感性无功补偿设备所吸收的无功功率等。一.电力系统中的无功负荷及无功损耗：1.变压器中的无功功率损耗包括两部分：（1）励磁支路上的无功功率损耗，基本上可以认为是与变压器负荷无关的空载损耗，数值上约与变压器空载电流的百分数（I0%）相等，其值约为1%—2%.（2）绕组漏抗中的无功损耗与变压器的负荷有关，当变压器为额定负荷时，约与短路电压的百分数(US%)相等其值为10%。Y接法时:线电压U=线电压3U。线电流I=相电流I。接法时：线电压U=相电压U。线电流I=相电流3I。变压器中的漏抗比电阻大很多。空载损耗只与加在它上的电压及容量有关，空载损耗指铁芯损耗。负载损耗又称短路损耗，指绕组中的损耗，它与负荷有关，当变压器通过负荷时有功功率损耗等与绕组中的铜耗，无功功率等于绕组中的漏抗损耗。2.输电线路中的无功功率损耗也包括两部分：（1）串联电抗中消耗的无功功率，与线路中负荷电流的平方成正比，呈感性。由于线路电抗远大于电阻，因此线路上的无功功率损耗比有功损耗大。（2）联电纳中消耗的无功功率，又称充电功率，与线路电压的平方成正比，呈容性。（3）感性无功补偿设备所吸收的无功功率主要是指为补偿系统中过剩的容性无功功率而设置的并联电抗器所吸收的无功功率，与电压的平方成正比。如在高压原距离输电线路上，用以吸取轻载或空载线路上过剩的感性无功功率，可以降低过过电压。输电线路在35kv及以下可不计输电线路电纳和电导的影响Z=R+Jx在110kv及以上L300km时则需要考虑电阻，电抗，电纳，电导，的分布参数特性。电阻：由于导线上通过的电流与导线材料、截面、和温度有关则导线电阻有：（1）导线基本恒定分量（2）导线发热阻抗（3）导线周围空气温度的影响电抗：交流电流在其导线内部和外部产生交变磁场，引起的导线内部的交变磁场与自感有关，引起的外部不仅与交变磁场有关还与尺寸、排列方式、和相间距离及分裂跟数有关。由于导线互感不等，个相中电抗数值不等，影响输送容量，故需要换位。电导：线路除（空气电离有关的有功损耗-电晕损耗）外还与（沿线绝缘子泄漏电流所致有功损耗和绝缘子介质中的有功损耗）有关，及这类有功损耗在线路等效电路中用电导表示。35kv以下不考虑电导的影响，110kv中因选用导线截面总大于电晕出现最大截面，故也不考虑，绝缘子产生的泄漏损耗一般按线路损耗的20%计算。电纳：是由导线间的电容及导线对地电容所决定的(1)如用分裂导线的,电阻用分裂导线等效半径Re代替。(2)一般可粗略地认为kmsb/107.260(3)在同一杆塔的双回路电纳为单回路的一倍。(4)电纳使线路中产生一个超前电压090的容性电流，在线路无负载时任有电容电流通过。(5)线路电纳在110kv及以上超高压电力网中才考虑在及以下可忽略不计。3.用电设备中主要的异步电动机吸收的无功功率与负载大小有关，一般满载时功率因数约为0.7—0.9，轻载运行时会降低。