略談電力系統的無功功率補償

黃宏升

（玉林市蘇煙水庫水電管理處，廣西 玉林 537000）

在用電量日益增長和用電結構不斷變化的時代，電力系統如何有效保持良好的工作狀態，降低電能損失，與電網功率因數有很大的影響，為了提高電能的利用率，就要通過無功補償，提高電網的功率因數。

1 功率因數

無功功率補償裝置在電子供電系統中所承擔的作用是提高電網的功率因數，降低供電變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環境。所以無功功率補償裝置在電力供電系統中處在一個不可缺少的非常重要的位置。合理的選擇補償裝置，可以做到最大限度的減少網絡的損耗，使電網質量提高。反之，如選擇或使用不當，可能造成供電系統電壓波動、諧波增大等諸多因素。

在功率三角形中，有功功率P與視在功率S的比值，稱為功率因數cosφ，其計算公式為：

cosφ＝P/S

在電力網的運行中，功率因數反映了電源輸出的視在功率被有效利用的程度，我們希望的是功率因數越大越好，這樣電路中的無功功率可以降到最小，視在功率將大部分用來供給有功功率，從而提高電能輸送的功率，但在電路工作中，一般保證cosφ＜0.95，避免電路出現諧振現象，損壞電網供電設備和用電器。下面介紹影響功率因數的三種主要因數：

1.1 感性負載消耗的無功功率

大量的電感性設備，如異步電動機、感應電爐、交流電焊機等是無功功率的主要消耗者。據有關統計，在工礦企業所消耗的全部無功功率中，異步電動機的無功消耗占了60 %～70 %；而在異步電動機空載時所消耗的無功又占到電動機總無功消耗的60 %～70 %。所以要改善異步電動機的功率因數就要防止電動機的空載運行并盡可能提高負荷率。

1.2 變壓器消耗的無功功率

變壓器消耗的無功功率一般約為其額定容量的10 %～15 %，而空載無功功率約為滿載時的1/3。因此，要改善電網和企業的功率因數，變壓器應避免空載運行或長期處于低負載運行。

1.3 電網供電電壓不穩定

電網供電電壓超出規定范圍也會對功率因數造成很大的影響。當電網供電電壓高于額定值的10 %時，由于磁路飽和的影響，無功功率將增長得很快，據有關資料統計，當供電電壓為額定值的110 %時，一般無功將增加35 %左右。當供電電壓低于額定值時，無功功率也相應減少而使它們的功率因數有所提高，但供電電壓降低會影響電氣設備的正常工作。所以，應當采取措施使電力系統的供電電壓盡可能保持穩定。

2 無功電源

電力系統的無功電源除了同步電機外，還有電容器、靜止無功補償器以及靜止無功發生器，這4種裝置又稱為無功補償裝置。除電容器外，其余幾種既能吸收容性無功又能吸收感性無功。

2.1 同步電機

同步電機包括補償機、電動機和發電機這3種。

2.1.1 同步補償機

同步補償機又稱同期調相機，其實質上是一種不帶機械負荷、空載運行的同步電動機，是最早采用的一種無功補償設備，它能在欠勵或過勵的情況下向系統吸收或供出無功，裝有自勵裝置的同步補償機能根據電壓平滑地調節輸入或輸出無功功率，這是其優點。其主要缺點是投資大、有功損耗大、運行維護復雜、響應速度慢，在并聯電容器得到大量采用后，已逐漸退出電網運行。

2.1.2 同步電動機

同步電動機實際上就是“異步電動機同步化”。即將異步電動機三相轉子繞組適當連接并通入直流勵磁電流，使其呈同步電動機運行。

同步電動機過勵運行時，“發出”無功功率，相當于無功電源；欠勵運行時“吸收”無功功率，相當于無功負荷。通常電網的負荷為感性的，所以一般使同步電動機處于正常勵磁或過勵磁的情況下運行，以改善電網的功率因數。因此，對于恒速長期運行的大型機構設備可以采用同步電動機作為動力。

2.1.3 同步發電機

同步發電機是唯一的有功電源，同時又是最基本的無功電源，當其在額定狀態下運行時，可以發出無功功率：

Q＝S×sinφ＝P×tgφ

其中：Q：無功功率；

S：視在功率；

P：有功功率；

φ：功率因數角。

發電機正常運行時，以滯后功率因數運行為主，向系統提供無功，但必要時，也可以減小勵磁電流，使功率因數超前，即所謂的“進相運行”，以吸收系統多余的無功。

2.2 并聯電容器

作為無功補償設備，由它向電網提供無功可以改善功率因數，減少由發電機提供的無功功率。電容器有以下顯著優點：安裝方便、建設周期短、造價低、運行維護簡便、自身損耗小、效率高。現代電容器的損耗只有本身容量的0.02 %左右。補償機除了本身的損耗外，其附屬設備還需用一定的所用電，損耗2 %～30 %，遠遠高于電容器；電容器是靜止設備，運行維護簡單，沒有噪音。補償機為旋轉電機，運行維護很復雜；并聯電容器是電網中用得最多的一種無功功率補償設備，目前國內外電力系統中90 %的無功補償設備是并聯電容器。蘇煙水庫的壩后電站就是通過加裝并聯電容器組來調整發電機的無功不足的，電站有2臺200 kW發電機組，1臺500 kva主變壓器，由于機組老化等多種因素的影響，功率因素常在0.85～0.95之間運行，這樣就造成輸送無功不足、功率因素不滿足系統要求，經常被供電部門罰款，在主變10 kv高壓側加裝并聯電容器組調整無功后，不但不再被罰款，還提高了發電機的有功出力，保證了機組的穩定運行，減少了發電機的維修次數，從而延長了機組壽命，提高了電站的經濟效益。

2.3 靜止無功補償器

靜止無功補償器是運用電力電子技術的可調節無功補償裝置，它由晶閘管所控制投切電抗器和電容器組成，由于晶閘管對于控制信號反應極為迅速，而且通斷次數也可以不受限制。當電壓變化時靜止補償器能快速、平滑地調節，以滿足動態無功補償的需要，同時還能做到分相補償；對于三相不平衡負荷及沖擊負荷有較強的適應性；但由于晶閘管控制對電抗器的投切過程中會產生高次諧波，為此需加裝專門的濾波器，這種方法在許多電站已得到了廣泛的應用。

2.4 靜止無功發生器

它的主體是一個電壓源型逆變器，由可關斷晶閘管適當的通斷，將電容上的直流電壓轉換成為與電力系統電壓同步的三相交流電壓，再通過電抗器和變壓器并聯接入電網。適當控制逆變器的輸出電壓，就可以靈活地改變其運行方式，使其處于容性、感性或零負荷狀態。

與靜止無功補償器相比，靜止無功發生器響應速度更快，諧波電流更少，而且在系統電壓較低時仍能向系統注入較大的無功。

3 無功補償方式

從電網無功功率消耗的基本狀況可以看出，各級網絡和輸配電設備都要消耗一定數量的無功功率，尤其是低壓配電網所占比重最大。為了最大限度的減少無功功率的傳輸損耗，提高輸配電設備的效率，無功補償設備的配置，應按照“分級補償，就地平衡”的原則，全面規劃，合理布局。

無功補償是借助于無功補償設備提供必要的無功功率，以提高系統的功率因數，降低電能的損耗，改善電網電壓質量。無功補償通常采用的方式主要有3種：隨機就地補償、低壓集中補償、高壓集中補償。

3.1 隨機就地補償

隨機就地補償就是根據個別用電設備對無功的需要量將單臺或多臺低壓電容器組分散地與用電設備并接，它與用電設備共用一套斷路器。通過控制、保護裝置與電機同時投切。隨機補償適用于補償個別大容量且連續運行的無功消耗，以補勵磁無功為主。隨機補償的優點是：用電設備運行時，無功補償投入，用電設備停運時，補償設備也退出，因此不會造成無功倒送。具有投資少、占位小、安裝容易、配置方便靈活、維護簡單、事故率低等優點。蘇煙水庫2009年1月份的臨時抽水系統就是采用了這種無功補償的方法，電容器組與3臺110 kW電動機并接，通過控制、保護裝置與電動機同時投切，提高了電動機功率因數，改善了電壓質量，提高了電動機出力，從而減少了電能損耗，減少電費支出，提高了經濟效益。

3.2 低壓集中補償

低壓集中補償是指在低壓母線上裝設自動投切的并聯電容器，成套裝置主要補償變壓器本身及以上輸電線路的無功功率損耗，而在配電線路上產生的損耗并未減少，因此，補償不宜過大，否則變壓器輕載或空載運行時，將造成過補償，補償容量應以變壓器額定容量的30 %～40 %確定，即：Qb＝（0.3～0.4）SN，其中 Qb是補償容量、SN是變壓器額定容量，也可以從提高功率因數的角度考慮Qb＝P（tgφ1－tgφ2），其中tgφ1、tgφ2是補償前后功率因數角的正切值。

3.3 高壓集中補償

高壓集中補償是指在變電站10（6）kV母線上集中裝設高壓并聯電容器組，用以補償主變的空載無功損耗和線路漏補的無功功率。這是目前在農網上常用的補償方式。比如：某縣各變電站在未進行人工補償以前 cosφ＝0.85，根據功率因數（0.85）調整電費標準，每月罰款為月總電費的2.6 %，在各站裝設了電容器補償后，平均cosφ＝0.91，每月電費減少0.6 %，一年下來，功率因數獎電費約為50萬元，為企業增加了效益。

4 結束語

本文討論了影響功率因數的3種主要因數，介紹了常用的幾種無功電源和3種常用的無功補償方式，闡明了通過無功補償可以改善系統功率因數、降低損耗、減少發供電設備的設計容量、減少投資，給供電部門及廣大用戶帶來經濟效益。