1、無功補償基礎知識山東安高電氣有限公司 聯系人：毛志成 電 話么是無功功率 電網中電力設備大多是根據電磁感應原理工作的，他們在能量轉換過程中建立交變的磁場，在一個周期內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，僅在負荷與電源之間往復交換，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。感性無功功率 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，當線圈加上交流電壓后，電壓交變時，相應的磁場能量也隨著變化。當電壓增大，電流及磁場能量也就相應加強，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；

2、當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轉換。容性無功功率 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，當電容器加上交流電壓后，電壓交變時，相應的電場能量也隨著變化。當電壓增大，電流及電場能量也就相應加強，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轉換。什么是功率因數 實際供用電系統中的電力負荷并不是純感性或純容性的，是既有電感或電容、又有

3、電阻的負載。這種負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cos稱為功率因數，又稱力率。它是有功功率與視在功率之比。 三相功率因數的計算公式為： 22cosQPPSP什么是功率因數 式中：cos功率因數 P有功功率，KW Q無功功率，Kvar S視在功率，KVA 功率因數通常分為自然功率因數、瞬時功率因數和加權平均功率因數三種。 在三相對稱電路中，各相電壓、電流為對稱，功率因數也相同。那么三相電路總的功率因數就等于各相的功率因數。功率因數指標 我國對功率因數的要求： 對供電公司的要求：110KV站，功率因數在0.950.98之間。 220KV站，功率因數在0.95以上。 對用戶

4、的要求：100KVA以上的變壓器，功率因數大于0.92。 對農灌的要求：100KVA以上的變壓器，功率因數大于0.85。 無功補償的作用 1提高功率因數 2提高電壓質量 3提高變壓器的利用率，減少投資 4減少用戶電費支出 無功補償的作用 1 提高功率因數無功補償的作用 2提高電壓質量 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，KV R線路總電阻， Xl線路感抗， 因此，提高功率因數后可減少線路上傳輸的無功功率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，從而提高了電壓質量。UQXPR

5、XIRIUllra33無功補償的作用 3提高變壓器的利用率，減少投資 功率因數由cos1提高到cos2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S%，可以帶更多的負荷，減少了輸變電設備的投資。%100coscos1%100%21121SSSS無功補償的作用 4減少用戶電費支出 （1）可避免因功率因數低于規定值而受罰。 （2）可減少用戶內部因傳輸和分配無功功率造成的有功功率損耗，電費可相應降低。無功功率補償原理 無功功率補償的基本原理是把具有容性功率負荷的裝置與感性功率負荷并聯接在同一電路，當容性負荷釋放能量時，感性負荷吸收能量；而感性負荷釋放能量時，容性負荷卻在吸收能量，

6、能量在兩種負荷之間互相交換。這樣，感性負荷所吸收的無功功率可由容性負荷輸出的無功功率中得到補償，這就是無功功率補償的基本原理。 電容器無功補償原理 電力系統中網絡元件的阻抗主要是感性的，需要容性無功來補償感性無功。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，并聯電容后U與I的相位差變小了，即供電回路的功率因數提高了。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。通常不希望出現過補償的情況，因為這樣會： （1）引起變壓器二次側電壓的升高 （

7、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。rlIcII過補和欠補 欠補是指用電系統中感性無功大于容性無功。 過補是指用電系統中容性無功大于感性無功。 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、電纜輸配電線路等涌流及過電壓 涌流是將電容器投入時瞬間產生的電流如接觸器投入電容器時采用不過零點，所以當電容器投入時瞬間相當于短路，產生的電流會比電容器額定電流大幾十倍或上百倍同時會將電容器的極板的許多耐壓薄弱點擊

8、穿，造成電容器無法儲存能量，影響電容器的使用壽命所以接觸器式電容柜不可以頻繁投切。 電壓是將電容器切除時瞬間產生的電壓切除時由于電網電壓與電容器的端電壓產生迭加，從而產生過電壓。 過零投切 采樣及觸發可控硅（晶閘管）。是通過過零模塊對可控硅兩端進行采樣，當可控硅兩端電壓為零時，觸發可控硅，使電容器投入或切除。投入時無涌流，切除時無過電壓。 投切振蕩 當投入電容器時出現過補償，切除后又欠補償，造成電容器來回頻繁投切，產生振蕩。 響應速度 接觸器動作（機械）時間為幾百毫秒;可控硅(采樣和觸發) （電子無觸點）20毫秒就能將電容器投入;復合開關（采樣和觸發并能自檢）動作時間介于接觸器和可控硅之間。諧

9、 波 是由于非線性負載所引起電壓及電流的畸變，污染電網，是電氣設備的一種公害。 反送無功的害處 反送無功與無功欠補償同樣會使電壓電流產生電位差，造成功率因數過低。如果長期向電網反送大量的無功，將會引起電網電壓升高造成對電網的污染，嚴重時會造成電網崩潰耗（電業局不允許長期向電網反送無功）。 接觸器和晶閘管的比較 采用接觸器投切電容器的沖擊電流大，影響電容器和接觸器的使用壽命；用晶閘管投切電容器能解決接觸器投切電容器存在的問題，但明顯缺點是裝置存晶閘管功率損耗，需要安裝風扇和散熱器來通風與散熱，而散熱器會增大裝置的體積，風扇則影響裝置的可靠性。 無功補償的安排方式 1集中補償：裝設在企業或地方總變

10、電所635KV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量。 2分散補償：裝設在功率因數較低的車間或村鎮終端變、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點，但無功容量較小，效果較明顯。無功補償的安排方式 3就地補償：裝設在異步電動機或電感性用電設備附近，就地進行補償。這種方式既能提高用電設備供電回路的功率因數，又能改變用電設備的電壓質量。 *無功補償的節能只是降低了補償點至發電機之間的供電損耗，所以高壓側的無功補償不能減少低壓網側的損耗，也不能使低壓供電變壓器的利用率提高。根據最佳補償理論，就地補償的節能效果最為顯著。補償方式 低壓無功補償是指在配電變壓器低

11、壓400(380)伏網絡中安裝補償裝置，包括隨機補償、隨器補償、跟蹤補償幾種方式。 隨機補償：隨機補償就是將低壓電容器經過熔斷器與電動機并接，通過控制，保護裝置與電動機同時投切。 隨器補償：隨器補償是將低壓電容器經過熔斷器固定接在配電變壓器低壓側，以補償變壓器的勵磁及漏磁無功損耗。 跟蹤補償：跟蹤補償是指以無功補償投、切裝置作為控制保護裝置，將低壓電容器組并接在大用戶400伏母線上。這種補償方式，相當于隨器補償的作用。另選幾組低壓電容器作為手動或自動投切，隨時補償400伏網絡中變動的無功負荷。 電能損耗 線損是電流在輸變電設備和線路中流動產生的，因而它由線路損耗和變壓器損耗兩部分組成。按損耗的

12、變化情況可劃分為可變損耗和固定損耗。前者指當電流通過導體和變壓器所產生的損耗，包括變壓器的銅損和電力線路上的銅損，它與負荷率、電網電壓等因素有關，約占電網總損耗的80%85% 。后者指只要接通電源電力網就存在的損耗，包括變壓器的鐵損，電纜線路、電容器及其他電器上的介質損耗及各種計量儀表、互感器線圈上的鐵損，它與電網運行電壓和頻率有關，占總損耗15%20% 。 電能損耗 我國與發達國家相比，線損較大。發達國家的線損約為2%3%，而我國在2010年的線損統計為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的平方成反比，故提高功率因數是降低損耗的有效措施。裝設并聯

13、補償電容器可減少電網無功輸出量。在用戶或靠近用戶的變電站裝設自動投入的并聯電容器，以平衡無功功率，限制無功功率在電網中傳送，可減少電網的無功損耗，同時還可提高有功功率的輸送量。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、未補償時的負載情況、電容器的接法有關。1集中補償和分組補償電容器容量計算 QC=Pav(tg1- tg2) 或 QC=Pav qc 式中：Pav最大負荷的日平均功率 1補償前的功率因數角，可取最大負載時的值 2補償后的功率因數角，一般取0.900.95 qc電容器補償率，qc= tg1- tg2，查表可知無功補償容量的確定 (1)電容器組為星形接法時式中：UL裝設地點

14、的電網線電壓V IC電容器組的線電流A C電容器組每相的電容量 則 (2)電容器組為三角形接法時則 32310103LCLcUCIUQ2310LCUQC323103103LCLcUCIUQ23310LCUQC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 9 . 010330IUQNcNCNIIcos120CNINCOS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NCNCWCQUU

15、Q21電容器直接補償的危害及防范措施 隨著電力電子技術的飛躍發展，我國的工礦企業中大量的使用以晶閘管為主要開關器件的整流及變頻設備，這些設備都是產生大量諧波的發源地。我們在許多工礦企業中，經常遇到這樣的情況，無功功率補償裝置（電容器直接補償）投入后，供電設備中的電器件（包括變壓器、電抗器、電容器、自動開關、接觸器、繼電器）經常損壞，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。 電網諧波與并聯電容器的運行有較大的關系，因為電容器可能使電網中的諧波電流放大，有時甚至在電網中產生諧振，使電器設備受到嚴重損壞，破壞 電容器直接補償的危害及防范措施 電網的正常運行。在供電系統中作為無功補償用

16、的并聯電容器，對于某次諧波若與呈感性的系統電抗發生并聯諧振，則可能出現過電壓而造成危害。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。 對配電網來說，抑制諧波是很必要的。對于并聯電容器組，我們抑制諧波的方法主要是使用串聯電抗器，相當于在電容旁邊串聯一個電抗，使得補償回路的阻抗在某次諧波相對于感性負載來說呈感性，從而消除由于電路呈容性而帶來的諧波震蕩。并聯電容器、串聯電抗器額定電壓的選擇 舉例說明：某礦35KV站，低壓側6KV，根據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

17、方式是否合理？ 首先， 式中：K串聯電抗器的電抗率 XC并聯電容器組的每相容抗 CCXKUQ23-110003運行輸出并聯電容器、串聯電抗器額定電壓的選擇 已知：U運行=6.2KV K=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，當電容器運行在額定電壓時，輸出額定容量；當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，將會出現較大的無功容量虧損。7 . 53/760010003/6 . 622CCNCQUXvar7600var73953-1100032kkXKUQCC運行輸出并聯電容器、串聯電抗器額定電壓的選擇 那么我們再來討論解決

18、無功容量虧損問題的方法： 1增加電容器組的容量 根據 可得 則CCXKUQ23-110003運行輸出55. 576003%5 . 412 . 6100032CXKVARXUQCCNC785055. 536 . 63322并聯電容器、串聯電抗器額定電壓的選擇 以上計算說明，在實際運行電壓為6.2 KV的 情況下，要得到7600Kvar的補償容量，需6.6/3-7850Kvar的并聯電容器組。 2提高串聯電抗器的電抗率 根據 可得 K=5.8% 取電抗率為6%的電抗器CCXKUQ23-110003運行輸出并聯電容器、串聯電抗器額定電壓的選擇 1并聯電容器裝置設計規范（GB50227-1995）中電

19、容器額定電壓的選擇主要原則如下： 1）應計入電容器接入電網處的運行電壓 2）電容器運行中承受的長期工頻過電壓，應不大于電容器額定電壓的1.1倍 3）應計入接入串聯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并聯電容器裝置的母線電壓（KV） S電容器組每相的串聯數 4)應充分利用電容器的容量，并確保安全KSUUSC113并聯電容器、串聯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 ，當電容器運行在額定電壓時則輸出額定容量；當電容器運行在額定電壓以下時，則達不到額定額定容量。如

20、果電容器的額定電壓取過大的安全裕度就會出現過大的容量虧損。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，將導致電容器的過載，電容器的內部介質將局部放電，其對絕緣介質的危害極大。由于電子和離子直接撞擊介質，固體和液體介質就會分解產生臭氧和氮的氧化物等氣體，使介損受到化學腐蝕并使介損增大，局部過熱，可能會發展成絕緣擊穿。所以，額定電壓是電容器的一項重要參數。2CUQC并聯電容器、串聯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期電壓時，應考慮以下五點： 1) 并聯電容器裝置接入電網后引起的電網電壓升高 2) 諧波引起電網電壓升高 3) 裝設串聯電抗器引起的電容端電壓升高 4) 相間和串聯段間的容差，將形成電壓分布不均，使部分電容器電壓升高 5) 輕負荷引起的電網電壓升高并聯電容器、串聯電抗器額定電壓的選擇 根據以上五點，電容器的額定電壓可先由下式求出計算值，再從產品標準系列中選取，計算公式如下：式中：UCN單臺電容器額定電壓（KV） USN并聯電容器接