无功补偿原理基础知识详解

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。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。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。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：P2+Q2cosφ=P=SP什么是功率因数式中：cosφ—功率因数P—有功功率，KWQ—无功功率，KvarS—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。什么是功率因数�非正弦电路的功率因数：P=UI1cosφ1Q=UI1sinφ1S=UI式中：cosφ1—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。此时非正弦电路功率因数为：λ=P=I1cosΦ1UII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。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�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:式中：P—有功功率，KWQ—无功功率，KvarU—额定电压，KVR—线路总电阻，ΩXl—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。∆U=3×(IR+IX)=3×PR+QXlUarl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cosφ1提高到cosφ2提高变压器由此可见，补偿后变压器的利用率比补偿前提高ΔS%，可以带更多的负荷，减少了输变电设备的投资。利用率为：∆S%=×100%=⎜1−cos1⎟×100%cosΦ2⎟S112⎝⎠S−S⎛Φ⎞⎜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。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�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。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%。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。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。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I=Ic+Irl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。ϖϖϖ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(tgφ1-tgφ2)或QC=Pav×qc式中：Pav—最大负荷的日平均功率φ1—补偿前的功率因数角，可取最大负载时的值φ2—补偿后的功率因数角，一般取0.90~0.95qc—电容器补偿率，qc=tgφ1-tgφ2，查表可知无功补偿容量的确定�(1)电容器组为星形接法时式中：UL—装设地点的电网线电压VIC—电容器组的线电流ACφ—电容器组每相的电容量则L(2)电容器组为三角形接法时则Q=Q=3UI×10−3=ωCU2×10−3cLCφLωU2Q×103CCφ=−3=3ωCU2×10−33UI×10φLLCc2Q×1033ωULCC=φ无功补偿容量的确定�2．就地补偿电容器容量计算其中电动机空载电流式中：ICN—电动机的额定电流A—电动机的自然功率因数Q=3UI×10−3×0.9cN0I0=2ICN(1−cosφN)COSφN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⎟⎟QNC⎝UNC⎠⎛U=WQC12⎞⎜⎜电容器直接补偿的危害及防范措施�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。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：Zn=nnX+nX−XCn⎠XnX⎜nX−SLC⎟sL⎞⎝⎛谐波的放大和电抗率的关系�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:（K为电抗率）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：KXLXCn==1XCK=XLn2X1XK=CL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K4%，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K11%，一般取12%～13%。等值电路阻抗：Z0−XC=nXnLn并联电容器、串联电抗器额定电压的选择�举例说明：某矿35KV站，低压侧6KV，根据实际情况计算需补偿7600Kvar的电容器组，运行电压为6.2KV。我们暂且选择额定电压为6.6/√3KV电容器，及电抗率为4.5%的电抗器，这样的配置方式是否合理？首先，式中：K—串联电抗器的电抗率XC—并联电容器组的每相容抗Ω(1-K)3⎦CC输出XU运行Q=3×2⎡1000×⎢⎣⎥⎤并联电容器、串联电抗器额定电压的选择所以可见，电容器的输出容量与运行电压的平方成正比，当电容器运行在额定电压时，输出额定容量；当电容器运行在额定电压以下时，则达不到额定输出容量，尤其是电容器的额定电压取过大的安全裕度时，将会出现较大的无功容量亏损。�已知：U运行=6.2KVK=4.5%2(6.6/3)2×1000=5.7Ω=X=7600/3QCCN