論電網的無功補償

摘要：本文集中探討了無功補償對廣大供電企業的影響以及提高功率因數所帶來的經濟效益和社會效益，重點介紹了無功補償的主要原則和無功補償的幾種方法。

關鍵詞：電網；無功功率補償；補償原理

中圖分類號：TM71文獻標識碼：A

在電力系統中先天性地存在著大量的無功負荷，這些無功負荷來自電力線路、電力變壓器以及客戶的用電設備。系統運行中大量的無功功率將降低系統的功率因數，增大線路電壓損失和電能損失，嚴重的影響著電力企業的經濟效益。解決這些問題的一個行之有效的方法就是進行無功補償。合理選擇無功補償方案和補償容量，能有效提高系統的電壓穩定性，保證電網的電壓質量，提高發輸電設備的利用率，降低網損和減少發電費用。

一、無功補償的主要目的和作用

無功補償的主要作用就是提高功率因數以減少設備容量和功率耗損、穩定電壓和提高供電質量，在長距離輸電中提高系統輸電穩定性和輸電能力以及平衡三相負載的有功和無功功率。電網中的電力負荷如電動機、變壓器等，大部分屬于感性負荷，在運行過程中電網電源需向這些設備提供相應的無功功率。在電網中安裝并聯電容器等無功補償設備以后，可以補償感性負荷所消耗的無功功率，從而減少了通過電力線路輸送的由電網電源向感性負荷提供的無功功率。無功補償的具體目的是：

1、降低電網的功率損耗。由公式I=P/√3UCOSφ可知，負荷電流I與COSφ成反比。在輸送的有功功率P為定值時，加裝無功補償設備后提高了功率因數，將使線路中的負荷電流降低，從而使線路上的有功功率損耗降低。降低電網中的有功功率損耗，是安裝無功補償設備的主要目的。

2、提高設備的供電能力，挖掘現有設備的潛力。由公式P=SCOSφ可以看出，在設備的視在功率S不變的條件下，功率因數提高后可以多輸送有功功率。以50千伏安配變為例，當功率因數從0.7提高到0.9后，其輸出的有功功率由35千瓦提高到了45千瓦，明顯增加了配電變壓器的供電能力。

3、減少電網中的電壓損失，提高電壓質量。當電力負荷從線路上集中輸出到末端負荷點時，線路電壓損失ΔU的簡化式為：

ΔU=（PR+QX）/U

式中 ΔU-線路電壓損失 P-線路輸送的有功功率

Q-線路輸送的無功功率 R-線路的電阻

X-線路的電抗 U-線路額定電壓

由以上公式可知，加裝無功補償設備后，線路輸送的無功功率Q就要減少，線路中的電壓降隨之降低，提高了電壓質量。

4、減少設備容量，節省投資。由公式S = P /COSφ可知，在輸送的有功功率P為定值時，功率因數提高后可以減少視在功率S，也就是可以減小供電設備的安裝容量，客戶不但節約了購買設備的投資，還減少了支付供電部門按供電設備容量計算的基本電費。降低客戶電費開支，減少設備投資，無功補償給電力客戶帶來了直接的經濟效益。

二、電力電容器的補償原理

電容器在原理上相當于產生容性無功電流的發電機。其無功補償的原理是把具有容性功率負荷的裝置和感性功率負荷并聯在同一電容器上，能量在兩種負荷間相互轉換。這樣，電網中的變壓器和輸電線路的負荷降低，從而輸出有功能力增加。在輸出一定有功功率的情況下，供電系統的損耗降低。比較起來電容器是減輕變壓器、供電系統和工業配電負荷的最簡便、最經濟的方法。因此，電容器作為電力系統的無功補償勢在必行。當前，采用并聯電容器作為無功補償裝置已經非常普遍。

三、影響功率因數的主要因素

1、大量的電感性設備，如異步電動機、感應電爐、交流電焊機等設備是無功功率的主要消耗者。據有關的統計，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載率。

2、變壓器消耗的無功功率一般約為其額定容量的10％～15％，它的空載無功功率約為滿載時的1/3。因而，為了改善電力系統和企業的功率因數，變壓器不應空載運行或長期處于低負載運行狀態。

3、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。

四、無功補償的原則

無功補償設備的配置，應按照全面規劃、合理布局、分級補償、就地平衡的原則，使電網的無功補償取得最佳的綜合效益。

1、供電部門補償與客戶補償相結合，以就地平衡為主。安裝無功補償設備，提高功率因數可以減少客戶內部因傳輸和分配無功功率造成的有功功率損耗，因而可以少支付相應的電費；另外，從合理利用電能出發，鼓勵客戶為提高功率因數而多安裝無功補償設備的積極性，在國家現行的電價政策中，制定了功率因數調整電費政策。因此，只有供電部門與客戶配合起來，共同搞好無功補償的配置和管理，才能取得最大的無功補償效益。

2、集中補償與分散補償相結合，以分散補償為主。既要在變電站進行大量的集中補償，又要對配電線路、配電變壓器和用電設備進行分散補償，且以分散補償為主，實現無功就地平衡，提高無功補償的最大經濟效益。

3、降損與調壓相結合，以降損為主。無功補償的主要作用和最大的經濟效益是降損，同時兼顧滿足調整電壓的要求，以保證電壓質量。對于有些輕載運行的線路，因電壓偏高，配電變壓器的鐵損占線損的70%以上，不宜再裝電容器組，否則特別是后半夜往往使線路電壓升得過高，會使配電變壓器鐵損進一步增加，反而使線損增高。

五、輸配電網的無功補償

1、輸電網的無功補償

電網無功補償的基本原則是：按電壓分層，按電網分區，就地平衡，避免無功功率的遠距離輸送，以免占用線路輸送容量和增加有功損耗。具體補償方法如下：

（1）電抗器補償

電抗器是超高壓長距離輸電線路的常用補償設備，用以補償輸電線路對地電容所產生的充電功率，以抑制工頻過電壓。電抗器的容量根據線路長度和過電壓限制水平選擇，其補償度(電抗器容量與線路充電功率之比)國外統計大多為70－85，個別為65，一般不低于60。電抗器一般常設置在線路兩湍，且不設斷路器。

（2）串連電容補償

串聯電容用來補償輸電線路的感抗，起到縮短電氣距離提高穩定性水平和線路的輸電容量的作用。串聯電容器組多為串、并聯組合而成，并聯支數由線路輸送容量而定，串聯個數則由所需的串聯電容補償度(串聯電容的容抗與所補償的線路感抗之比)而定。串聯電容補償一般在50以下，不宜過高，以免引起系統的次同步諧振。

（3）中間同步或靜止補償

在遠距離輸電線路中間裝設同步調相機或靜止補償裝置，利用這些裝置的無功調節能力，在線路輕載時吸收線路充電功率，限制電壓升高；在線路重載時發出無功功率，以補償線路的無功損耗，支持電壓水平，從而提高線路的輸送容量。中間同步或靜止補償通常設在線路中點，若設在線路首末端，則調節作用消失。

2、配電網的無功補償

配電網的無功補償主要以相位補償和保證用戶用電電壓質量為主，具體方法為相位補償。 用電電器多為電磁結構，需要大量的勵磁功率，致使用戶的功率因數均為滯相且較低，一般約為0.7左右。勵磁功率--滯相的無功功率在配電網中流動，不僅占用配電網容量，造成不必要的損耗，而且導致用戶電壓降低。相位補償是以進相的無功補償設備(如并聯電容器)就近供給用戶或配電網所需要的滯相無功功率，減少在配電網中流動的無功功率，降低網損，改善電壓質量。

六、電力電容器的安全運行

第一，允許運行電流。正常運行時，電容器應在額定電流下運行，最大運行電流不得超過額定電流的1.3倍，三相電流差不超過5%。

第二，允許運行電壓。電容器對電壓十分敏感，因電容器的損耗與電壓平方成正比，過電壓會使電容器發熱嚴重，電容器絕緣會加速老化，壽命縮短，甚至電擊穿。因此，電容器裝置應在額定電壓下運行，一般不宜超過額定電壓的1.05倍，最高運行電壓不宜超過額定電壓的1.1倍。當母線超過1.1倍額定電壓時，須采取降溫措施。

第三，諧波問題。由于電容器回路是一個