[科普中國]-無功補償原理

電網(wǎng)中的電力負荷如電動機、變壓器等，大部分屬于感性負荷，在運行過程中需向這些設(shè)備提供相應的無功功率。在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器等無功補償設(shè)備以后，可以提供感性負載所消耗的無功功率，減少了電網(wǎng)電源向感性負荷提供、由線路輸送的無功功率，由于減少了無功功率在電網(wǎng)中的流動，因此可以降低線路和變壓器因輸送無功功率造成的電能損耗，這就是無功補償1。

簡介無功補償原理
當電網(wǎng)電壓的波形為正弦波，且電壓與電流同相位時，電阻性電氣設(shè)備如白熾燈、電熱器等從電網(wǎng)上獲得的功率P等于電壓U和電流I的乘積，即：P=U×I。
電感性電氣設(shè)備如電動機和變壓器等由于在運行時需要建立磁場，此時所消耗的能量不能轉(zhuǎn)化為有功功率，故被稱為無功功率Q。此時電流滯后電壓一個角度φ。在選擇變配電設(shè)備時所根據(jù)的是視在功率S，即有功功率和無功功率的矢量和： 無功功率為2:

有功功率與視在功率的比值為功率因數(shù):
cosf=P/S
無功功率的傳輸加重了電網(wǎng)負荷，使電網(wǎng)損耗增加，系統(tǒng)電壓下降。故需對其進行就近和就地補償。并聯(lián)電容器可補償或平衡電氣設(shè)備的感性無功功率。當容性無功功率QC等于感性無功功率QL時，電網(wǎng)只傳輸有功功率P。根據(jù)國家有關(guān)規(guī)定，高壓用戶的功率因數(shù)應達到0.9以上，低壓用戶的功率因數(shù)應達到0.85以上。
如果選擇電容器功率為Qc，則功率因數(shù)為：
cosφ= P/ (P^2 + (QL-Qc)^2)^1/2

在實際工程中首先應根據(jù)負荷情況和供電部門的要求確定補償后所需達到的功率因數(shù)值，然后再計算電容器的安裝容量：
Qc = P(tanf1 - tanf2)=P〔(1/cos2f1-1)1/2-(1/cos2f2-1)1/2〕
式中:
Qc一電容器的安裝容量，kvar
P一系統(tǒng)的有功功率，kW
tanφ1--補償前的功率因數(shù)角, cosf1--補償前的功率因數(shù)
tanφ2--補償后的功率因數(shù)角, cosf2--補償后的功率因數(shù)

在大系統(tǒng)中，無功補償還用于調(diào)整電網(wǎng)的電壓，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

在小系統(tǒng)中，通過恰當?shù)臒o功補償方法還可以調(diào)整三相不平衡電流。按照wangs定理：在相與相之間跨接的電感或者電容可以在相間轉(zhuǎn)移有功電流。因此，對于三相電流不平衡的系統(tǒng)，只要恰當?shù)卦诟飨嗯c相之間以及各相與零線之間接入不同容量的電容器，不但可以將各相的功率因數(shù)均補償至接近1，而且可以使各相的有功電流達到平衡狀態(tài)。

基本原理無功補償電網(wǎng)輸出的功率包括兩部分：一是有功功率；二是無功功率。直接消耗電能，把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能、熱能、化學能或聲能，利用這些能作功，這部分功率稱為有功功率；不消耗電能，只是把電能轉(zhuǎn)換為另一種形式的能，這種能作為電氣設(shè)備能夠作功的必備條件，并且，這種能是在電網(wǎng)中與電能進行周期性轉(zhuǎn)換，這部分功率稱為無功功率，如電磁元件建立磁場占用的電能，電容器建立電場所占的電能3。電流在電感元件中作功時，電流滯后于電壓90°；而電流在電容元件中作功時，電流超前電壓90°。在同一電路中，電感電流與電容電流方向相反，互差180°。如果在電磁元件電路中有比例地安裝電容元件，使兩者的電流相互抵消，就可以使電流的矢量與電壓矢量之間的夾角縮小。

實現(xiàn)方式把具有容性功率負荷的裝置與感性功率負荷并聯(lián)接在同一電路，能量在兩種負荷之間相互交換。這樣，感性負荷所需要的無功功率可由容性負荷輸出的無功功率補償。

意義⑴補償無功功率，可以增加電網(wǎng)中有功功率的比例常數(shù)。

⑵減少發(fā)、供電設(shè)備的設(shè)計容量，減少投資，例如當功率因數(shù)cosΦ=0.8增加到cosΦ=0.95時，裝1Kvar電容器可節(jié)省設(shè)備容量0.52KW；反之，增加0.52KW對原有設(shè)備而言，相當于增大了發(fā)、供電設(shè)備容量。因此，對新建、改建工程，應充分考慮無功補償，便可以減少設(shè)計容量，從而減少投資。

⑶降低線損，由公式ΔΡ%=（1-cosφ/cosΦ）×100%得出其中cosφ為補償前的功率因數(shù)，cosΦ為補償后的功率因數(shù)則：

cosΦ>cosφ，所以提高功率因數(shù)后，線損率也下降了，減少設(shè)計容量、減少投資，增加電網(wǎng)中有功功率的輸送比例，以及降低線損都直接決定和影響著供電企業(yè)的經(jīng)濟效益。所以，功率因數(shù)是考核經(jīng)濟效益的重要指標，規(guī)劃、實施無功補償勢在必行4。

常用方式① 集中補償：在高低壓配電線路中安裝并聯(lián)電容器組；

② 分組補償：在配電變壓器低壓側(cè)和用戶車間配電屏安裝并聯(lián)補償電容器；

③ 單臺電動機就地補償：在單臺電動機處安裝并聯(lián)電容器等。

加裝無功補償設(shè)備，不僅可使功率消耗小，功率因數(shù)提高，還可以充分挖掘設(shè)備輸送功率的潛力。

確定無功補償容量時，應注意以下兩點：

① 在輕負荷時要避免過補償，倒送無功造成功率損耗增加，也是不經(jīng)濟的。

② 功率因數(shù)越高，每千伏補償容量減少損耗的作用將變小，通常情況下，將功率因數(shù)提高到0.95就是合理補償

就三種補償方式而言，無功就地補償克服了集中補償和分組補償?shù)娜秉c，是一種較為完善的補償方式：

⑴因電容器與電動機直接并聯(lián)，同時投入或停用，可使無功不倒流，保證用戶功率因數(shù)始終處于滯后狀態(tài)，既有利于用戶，也有利于電網(wǎng)。

⑵有利于降低電動機起動電流，減少接觸器的火花，提高控制電器工作的可靠性，延長電動機與控制設(shè)備的使用壽命。

無功就地補償容量可以根據(jù)以下經(jīng)驗公式確定：Q≤UΙ0式中：Q---無功補償容量（kvar）；U---電動機的額定電壓（V）；Ι0---電動機空載電流（A）；但是無功就地補償也有其缺點：⑴不能全面取代高壓集中補償和低壓分組補償；眾所周之，無功補償按其安裝位置和接線方法可分為：高壓集中補償、低壓分組補償和低壓就地補償。其中就地補償區(qū)域最大，效果也好。但它總的電容器安裝容量比其它兩種方式要大，電容器利用率也低。高壓集中補償和低壓分組補償?shù)碾娙萜魅萘肯鄬^小，利用率也高，且能補償變壓器自身的無功損耗。為此，這三種補償方式各有應用范圍，應結(jié)合實際確定使用場合，各司其職。

其他相關(guān)控制電容器投切的器件主要有投切電容器專用接觸器、復合開關(guān)、同步開關(guān)和晶閘管。投切電容器專用接觸器有一組輔助接點串聯(lián)電阻后與主接點并聯(lián)。在投入過程中輔助接點先閉合，與輔助接點串聯(lián)的電阻使電容器預充電，然后主接點再閉合，于是就限制了電容器投入時的涌流。復合開關(guān)就是將晶閘管與繼電器接點并聯(lián)使用，由晶閘管實現(xiàn)電壓過零投入與電流過零切除，由繼電器接點來通過連續(xù)電流，這樣就避免了晶閘管的導通損耗問題，也避免了電容器投入時的涌流。但是復合開關(guān)既使用晶閘管又使用繼電器，于是結(jié)構(gòu)就變得比較復雜，成本也比較高，并且由于晶閘管對過流、過壓及對dv/dt的敏感性也比較容易損壞。

在實際應用中，復合開關(guān)故障多半是由晶閘管損壞所引起的同步開關(guān)是近年來最新發(fā)展的技術(shù)，顧名思義，就是使機械開關(guān)的接點準確地在需要的時刻閉合或斷開。對于控制電容器的同步開關(guān)，就是要在接點兩端電壓為零的時刻閉合，從而實現(xiàn)電容器的無涌流投入，在電流為零的時刻斷開，從而實現(xiàn)開關(guān)接點的無電弧分斷。由于同步開關(guān)省略了晶閘管，因此不僅成本降低，而且可靠性提高。同步開關(guān)是傳統(tǒng)機械開關(guān)與現(xiàn)代電子技術(shù)完美結(jié)合的產(chǎn)物，使機械開關(guān)在具有獨特技術(shù)性能的同時，其高可靠性以及低損耗的特點得以充分顯示出來。晶閘管是動態(tài)無功補償裝置唯一可選的器件5，晶閘管的動作速度快，可以在一個交流周期內(nèi)完成電容器的投入與切除，并且對投切次數(shù)沒有限制。但是晶閘管的導通損耗大，價格高，可靠性差，除非用于動態(tài)補償，否則并沒有優(yōu)勢可言。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

陳波 - 副教授 - 中央財經(jīng)大學