談?wù)勲娏ο到y(tǒng)無功補償裝置

王鳴，范鈞偉

(寧波電業(yè)局，浙江 寧波 315600)

1 引言

電力系統(tǒng)中由于無功功率的不足，會使系統(tǒng)電壓及功率因數(shù)的降低，從而損壞用電設(shè)備，嚴重造成電壓崩潰，系統(tǒng)瓦解，從而造成大面積停電事故，功率因數(shù)和電壓的降低，還會使電氣設(shè)備得不到充分利用，造成電能損耗的增加，效率的降低，限制了線路的送電能力，影響電網(wǎng)的安全運行以及用戶的正常用電。電力系統(tǒng)需要采用裝設(shè)無功補償裝置，在變電站中普遍使用并聯(lián)電容器組來提高無功功率，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。

隨著科技的發(fā)展，原來人工根據(jù)電壓和功率因素的大小投切電容器組，現(xiàn)在借助VQC可以按照事先設(shè)定的條件投切電容器組，使電容器組投切更加合理、及時，保證電力系統(tǒng)的電壓質(zhì)量。

由于各位行家對無功補償?shù)囊饬x、電容器組電容器與電抗器組合壓制諧波，限制合閘涌流等許多問題各抒己見，百家爭鳴。本文從繁多的公式和推導(dǎo)中解放出來，從簡單明了的手法，對無功補償裝置進行分析。

2 電力系統(tǒng)無功補償裝置投入的意義

我們通過一組數(shù)據(jù)的分析，得到比較清晰的結(jié)論:電力系統(tǒng)補償裝置是必不可少的設(shè)備。

當功率因素從 cosφ1=0.6提高到 cosφ2=0.85時，單位有功功率節(jié)省的視在功率為:

式中，ΔS—視在功率的節(jié)省量，kVARP;P—負載的有功功率，kW;cosφ1—電容器投入前的功率因數(shù);cosφ2—電容器投入后的功率因數(shù)。

每kVAR電容器容量節(jié)省視在功率為:

減少輸電線路電能損失，變壓器銅損。當功率因素從cosφ1=0.6提高到cosφ2=0.85時，減少損失的百分值:

減少輸電線路個設(shè)備的容量，提高電網(wǎng)的輸送能力，cosφ2=0.85 比 cosφ1=0.60，提高輸送功率的百分比為:

減少線路的電壓降，提高受電端電壓，改善電壓的質(zhì)量。

式中，ΔU—線路電壓損失值，kV;U—線路電壓，kV;P—線路有功負載，kW;Q—線路無功負載，kVAR;X—線路感抗，Ω;R—線路電阻，Ω。

由于就地補償，線路Q減少，電壓損失ΔU減少，上述數(shù)據(jù)則是一個說明特例，變電站功率因素控制在更高，一般在0.92～0.97之間。由此可知，無功補償裝置是保證電能質(zhì)量，節(jié)能的最有效的方法，不但在變電站要裝無功補償裝置，在其他企業(yè)也要裝設(shè)，效果非常顯著。

3 無功補償裝置并聯(lián)電容器組和串聯(lián)電抗器等配合問題

3.1 電容器諧波放大特性及抑制高次諧波措施

式中，Icn—流入電容器組的n次諧波電流，A;In—非正弦用電設(shè)備所產(chǎn)生的n次諧波電流，A;Xs—該電力系統(tǒng)的電抗，Ω;Rs—該電力系統(tǒng)的電阻，Ω;R—電容器總電阻，Ω。

式中，UCN—被要求制造的電容器額定電壓，kV;US—變電站低壓側(cè)系統(tǒng)電壓，kV;n—設(shè)計確定需要諧波次數(shù)。

一般說來，整流負荷的生產(chǎn)廠家產(chǎn)生矩形恒諧波電流源，變壓器將產(chǎn)生3，5，7次諧波，但當變電站主變壓器的低壓側(cè)三角形接線時，3次諧波被短路，主要是5次諧波，電弧爐主要是3次諧波，電氣機車主要是3，5次諧波，通過電容器可放大幾十倍的諧波電流，為了抑制3次諧波，可以先用電容器容量的12% ～13%的串聯(lián)電抗器，為了抑制5次諧波，可以選用4.5% ～6%電抗器。

3.2 限制電容器組的合閘涌流

并聯(lián)電容器組根據(jù)系統(tǒng)電壓和無功補償?shù)淖兓M行投切，是操作頻繁的設(shè)備，設(shè)電容器組中感抗的百分值為X0，容抗百分值為Xc，以容抗為100%比較，則，突然合閘的涌流為基波電流的倍數(shù)為:

設(shè)主變壓器的電抗為電容器感抗比值的0.1%～1%，則代入上式為11～32.3倍。為了便于計算，取1%，當選擇13%的濾去3次諧波的電抗器。則:

如果濾去5次諧波的6%電抗器則為:

僅僅是限制合閘涌流的1%電抗器，則為:

可見，限制效果很明顯，因此對電容器的保護非常有效。

3.3 放電線圈的電阻放電和保護

并聯(lián)電容器組的投切，在切除電容器組的時候，應(yīng)在短時間內(nèi)將電容器上的電荷放掉，以防止再次合閘時產(chǎn)生的大電流沖擊和過電壓，對單只電容器可以采用并聯(lián)電阻或放電線圈自放電，對密集型電容器采用并在電容器兩端的放電線圈，放電線圈一般設(shè)有二次繞組，可以作為測量和保護用。同時放掉了電容器上的剩余電荷，給安全帶來了保證，但是如果單個熔絲熔斷的電容器，需要個別放電才能工作，保證檢修人員的安全。

放電線圈的設(shè)計較為簡單，其實是個電阻，這里不再多討論。

3.4 電容器過電壓分析

并聯(lián)電容器組的過電壓，主要是由于投切電容器組引起的，如電容器上還有剩余電荷，短時間內(nèi)再次合閘將會產(chǎn)生過電壓，另外，合閘過電壓的大小和斷路器合閘相角密切相關(guān)。因此，選擇三相合閘同時性較好的斷路器對于防止高電壓的產(chǎn)生是很有效的措施，同樣，斷路器分閘過程中也會產(chǎn)生過電壓，分閘過電壓包括截流過電壓和重燃過電壓，如果截流電流很少則截流過電壓可以不考慮，過去的少油斷路器經(jīng)常損壞，就是這個原因，所以要選擇重燃少的斷路器，優(yōu)質(zhì)的真空斷路器或SF6斷路器，是防止過電壓產(chǎn)生的有效措施，另外，可以采用氧化物避雷器對過電壓加以限制。

4 并聯(lián)電容器組的運行分析

并聯(lián)電容器的接線一般分為三角形或星形接線(包括雙三角形或雙星形接線)，三角形接線的優(yōu)點是不受電容器三相容抗不平衡的影響，可補償不平衡電荷，可形成3n次諧波通道，對消除3n次諧波有利，缺點是短路電流大，選用繼電保護方式少，只用于6kV的以下的小容量電容器組。

星形接線優(yōu)點設(shè)備故障電流較少，繼電保護構(gòu)成方便，設(shè)備布置清晰，缺點是對3n次諧波沒有通道，廣泛應(yīng)用與6kV以上的并聯(lián)電容器組，加裝串聯(lián)電抗器后可以濾去高次諧波。

電容器組運行條件比較苛刻，電容器的運行溫度是保證其安全運行的重要條件之一，根據(jù)不同的介質(zhì)材料，給定一個最高允許溫度，只要控制在規(guī)定的溫度內(nèi)才可以保證不受損壞。

運行電壓對電容器的影響。電容器的無功功率與電壓的平方成正比，因此過高的電壓對電容器的容量有影響，同時，電壓的升高，會使電容器的溫度升高，壽命減少和損壞。一般控制電壓在電容器的額定電壓的1.1倍。

電壓的升高也會引起電容器的過流，電容器組應(yīng)能在1.3倍額定電流內(nèi)長期工作，超過1.3倍則應(yīng)退出運行。

電壓波形畸變和升高對電容器的影響，雖然經(jīng)過電抗器的作用，消除了大部分諧波電流，但是安裝6%電抗器，只消除5次諧波，對于3次諧波還是存在潛在的威脅。

此外在運行中，雷擊，低壓側(cè)母線短路等，對電容器的損壞也時有發(fā)生。個別擊穿也時有發(fā)生，加強對電容器的設(shè)備巡視，和借助紅外線測溫等手段，是防止電容器組故障的重要手段。

5 結(jié)束語

本文從理論上分析電容器組的各電氣組成部分的各種數(shù)據(jù)和計算，避開復(fù)雜的計算，采用較為現(xiàn)實的計算方法，系統(tǒng)地概述了電容器組各電氣設(shè)備的配合問題，同時分析運行工況，對于電容器組的各元件設(shè)備的定型，電力安裝設(shè)計，運行注意點具有一定的意義。

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［6］范鈞偉，水航東.談各種串聯(lián)電抗器設(shè)計在無功補償裝置中的應(yīng)用［C］//電力電容器學(xué)會2000年論文集.中國電機工程學(xué)會.

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