電力系統無功分析

袁洋

摘 要：電力系統無功在電能傳輸、維持電網電壓起著至關重要的作用，但同時系統傳輸較多的無功會較低變壓器的利用率，也會減小電網的傳輸能力，因此電力系統無功的平衡就顯得尤為突出，對無功需求較大的地區進行合理的無功補償也是在電網和經濟發展應該合理考慮的重要問題。

關鍵詞：電力系統 無功 功率因素 無功補償

中圖分類號：TM743 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（c）-0087-01

在電網中，由電源供給負載的電功率有兩種：一種是有功功率，另一種是無功功率。有功功率是保持用電設備正常運行所需的電功率，也就是將電能轉換為其他形式能量如：機械能、光能、熱能等，這些能量我們能夠以視覺或觸覺感覺到。無功功率比較抽象，是我們無法憑視覺或觸覺發覺得，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。

無功功率決不是無用功率，它的用處很大。電動機需要建立和維持旋轉磁場，使轉子轉動，從而帶動機械運動，電動機的轉子磁場就是靠從電源取得無功功率建立的。變壓器也同樣需要無功功率，才能使變壓器的一次線圈產生磁場，在二次線圈感應出電壓。因此，沒有無功功率，變壓器也不能變壓，電動機就不會轉動，交流接觸器不會吸合。由此可見無功并不是無用之功。為了保證電力系統的正常運行，無功必不可少，在電網的能量傳輸中，必須考慮無功的傳輸。但是系統中過多的考慮無功的輸送，必定會減少有功的傳輸，這就制約負荷端對有功的需求，降低了對電網、變壓器的利用率這也不是電網發展追求的目的。輸送過多無功功率對供、用電產生的不良影響，主要表現在：

（1）視在功率一定時，增加無功功率就要降低輸、變電設備的供電能力。

（2）降低發電機有功功率的輸出。

（3）電網內過多無功功率的流動會造成線路電壓損失增大和電能損耗的增加。

（4）當無功缺額情況嚴重時，用戶將竭力調用大容量用電設備，使功率因數進一步降低，系統無功負荷愈加愈大，電壓水平更低，形成惡性循環，最后造成電壓崩潰，系統瓦解而大面積停電。

由上可見電力系統發送過多的無功而帶來的不足。如果電力系統只發送有功，那么系統中的變壓器由于缺少無功就無法正常進行變配電。所以發電機必須保證線路的無功損耗和變壓器的最小無功需要。那么負荷所需要的無功從哪里來，考慮到上面講述的內容，我們在輸電的過程中要盡可能的減少無功輸送，從發電機和高壓輸電線供給的無功功率，一般滿足不了負荷的需要，對于負荷側無功需求我們可以考慮通過無功補償進行實現。

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損耗、穩定電壓和提高供電質量，在長距離輸電中提高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。進行無功補償的具體作用表現如下：

（1）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，Ω

Xl—線路感抗，Ω

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。

（2）提高變壓器的利用率，減少投資

功率因數由cosφ1提高到cosφ2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ΔS%，可以帶更多的負荷，減少了輸變電設備的投資。

（3）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。

（4）提高電力網傳輸能力

有功功率與視在功率的關系式為：P=Scosφ。可見，在傳輸一定有功功率的條件下，功率因數越高，需要電網傳輸的功率越小。

在電網中影響功率因素變化的因素如此之多，所以要想維持電網中功率因素的穩定絕非易事，這就需要在電網中無功消耗多的用電設備加上無功補償裝置，無功補償通常采用的方法主要有3種：低壓集中補償、低壓個別補償、高壓集中補償。下面簡單介紹這3種補償方式的適用范圍及使用該種補償方式的優缺點：

（1）低壓集中補償，低壓集中補償是指將低壓電容器通過低壓開關接在配電變壓器低壓母線側，以無功補償投切裝置作為控制保護裝置，根據低壓母線上的無功負荷而直接控制電容器的投切。低壓集中補償的優點：接線簡單、運行維護工作量小，使無功就地平衡，從而提高配變利用率，降低網損，具有較高的經濟性，是目前無功補償中常用的手段之一。

（2）低壓個別補償：，低壓個別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（如大中型異步電動機）的無功消耗，以補勵磁無功為主。低壓個別補償的優點是：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、安裝容易、占位小、配置方便靈活、維護簡單、事故率低等優點。

（3）高壓集中補償，高壓集中補償是指將并聯電容器組直接裝在變電所的6～10 kV高壓母線上的補償方式。適用于用戶遠離變電所或在供電線路的末端，用戶本身又有一定的高壓負荷時，可以減少對電力系統無功的消耗并可以起到一定的補償作用；補償裝置根據負荷的大小自動投切，從而合理地提高了用戶的功率因數，避免功率因數降低導致電費的增加。同時便于運行維護，補償效益高。

電力系統中無功平衡是衡量電能質量的重要指標，無功過低或過高都會對電力系統造成影響，因此，無功深入分析是一項很重要的工作，也是這篇文章意義所在。

參考文獻

[1] 李梅蘭，盧文鵬.電力系統分析[M].中國電力出版社，2010.

[2] 李宏仲.地區電網無功補償與電壓無功控制[M].機械工業出版社，2012.endprint

摘 要：電力系統無功在電能傳輸、維持電網電壓起著至關重要的作用，但同時系統傳輸較多的無功會較低變壓器的利用率，也會減小電網的傳輸能力，因此電力系統無功的平衡就顯得尤為突出，對無功需求較大的地區進行合理的無功補償也是在電網和經濟發展應該合理考慮的重要問題。

關鍵詞：電力系統 無功 功率因素 無功補償

中圖分類號：TM743 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（c）-0087-01

在電網中，由電源供給負載的電功率有兩種：一種是有功功率，另一種是無功功率。有功功率是保持用電設備正常運行所需的電功率，也就是將電能轉換為其他形式能量如：機械能、光能、熱能等，這些能量我們能夠以視覺或觸覺感覺到。無功功率比較抽象，是我們無法憑視覺或觸覺發覺得，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。

無功功率決不是無用功率，它的用處很大。電動機需要建立和維持旋轉磁場，使轉子轉動，從而帶動機械運動，電動機的轉子磁場就是靠從電源取得無功功率建立的。變壓器也同樣需要無功功率，才能使變壓器的一次線圈產生磁場，在二次線圈感應出電壓。因此，沒有無功功率，變壓器也不能變壓，電動機就不會轉動，交流接觸器不會吸合。由此可見無功并不是無用之功。為了保證電力系統的正常運行，無功必不可少，在電網的能量傳輸中，必須考慮無功的傳輸。但是系統中過多的考慮無功的輸送，必定會減少有功的傳輸，這就制約負荷端對有功的需求，降低了對電網、變壓器的利用率這也不是電網發展追求的目的。輸送過多無功功率對供、用電產生的不良影響，主要表現在：

（1）視在功率一定時，增加無功功率就要降低輸、變電設備的供電能力。

（2）降低發電機有功功率的輸出。

（3）電網內過多無功功率的流動會造成線路電壓損失增大和電能損耗的增加。

（4）當無功缺額情況嚴重時，用戶將竭力調用大容量用電設備，使功率因數進一步降低，系統無功負荷愈加愈大，電壓水平更低，形成惡性循環，最后造成電壓崩潰，系統瓦解而大面積停電。

由上可見電力系統發送過多的無功而帶來的不足。如果電力系統只發送有功，那么系統中的變壓器由于缺少無功就無法正常進行變配電。所以發電機必須保證線路的無功損耗和變壓器的最小無功需要。那么負荷所需要的無功從哪里來，考慮到上面講述的內容，我們在輸電的過程中要盡可能的減少無功輸送，從發電機和高壓輸電線供給的無功功率，一般滿足不了負荷的需要，對于負荷側無功需求我們可以考慮通過無功補償進行實現。

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損耗、穩定電壓和提高供電質量，在長距離輸電中提高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。進行無功補償的具體作用表現如下：

（1）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，Ω

Xl—線路感抗，Ω

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。

（2）提高變壓器的利用率，減少投資

功率因數由cosφ1提高到cosφ2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ΔS%，可以帶更多的負荷，減少了輸變電設備的投資。

（3）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。

（4）提高電力網傳輸能力

有功功率與視在功率的關系式為：P=Scosφ。可見，在傳輸一定有功功率的條件下，功率因數越高，需要電網傳輸的功率越小。

在電網中影響功率因素變化的因素如此之多，所以要想維持電網中功率因素的穩定絕非易事，這就需要在電網中無功消耗多的用電設備加上無功補償裝置，無功補償通常采用的方法主要有3種：低壓集中補償、低壓個別補償、高壓集中補償。下面簡單介紹這3種補償方式的適用范圍及使用該種補償方式的優缺點：

（1）低壓集中補償，低壓集中補償是指將低壓電容器通過低壓開關接在配電變壓器低壓母線側，以無功補償投切裝置作為控制保護裝置，根據低壓母線上的無功負荷而直接控制電容器的投切。低壓集中補償的優點：接線簡單、運行維護工作量小，使無功就地平衡，從而提高配變利用率，降低網損，具有較高的經濟性，是目前無功補償中常用的手段之一。

（2）低壓個別補償：，低壓個別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（如大中型異步電動機）的無功消耗，以補勵磁無功為主。低壓個別補償的優點是：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、安裝容易、占位小、配置方便靈活、維護簡單、事故率低等優點。

（3）高壓集中補償，高壓集中補償是指將并聯電容器組直接裝在變電所的6～10 kV高壓母線上的補償方式。適用于用戶遠離變電所或在供電線路的末端，用戶本身又有一定的高壓負荷時，可以減少對電力系統無功的消耗并可以起到一定的補償作用；補償裝置根據負荷的大小自動投切，從而合理地提高了用戶的功率因數，避免功率因數降低導致電費的增加。同時便于運行維護，補償效益高。

電力系統中無功平衡是衡量電能質量的重要指標，無功過低或過高都會對電力系統造成影響，因此，無功深入分析是一項很重要的工作，也是這篇文章意義所在。

參考文獻

[1] 李梅蘭，盧文鵬.電力系統分析[M].中國電力出版社，2010.

[2] 李宏仲.地區電網無功補償與電壓無功控制[M].機械工業出版社，2012.endprint

摘 要：電力系統無功在電能傳輸、維持電網電壓起著至關重要的作用，但同時系統傳輸較多的無功會較低變壓器的利用率，也會減小電網的傳輸能力，因此電力系統無功的平衡就顯得尤為突出，對無功需求較大的地區進行合理的無功補償也是在電網和經濟發展應該合理考慮的重要問題。

關鍵詞：電力系統 無功 功率因素 無功補償

中圖分類號：TM743 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（c）-0087-01

在電網中，由電源供給負載的電功率有兩種：一種是有功功率，另一種是無功功率。有功功率是保持用電設備正常運行所需的電功率，也就是將電能轉換為其他形式能量如：機械能、光能、熱能等，這些能量我們能夠以視覺或觸覺感覺到。無功功率比較抽象，是我們無法憑視覺或觸覺發覺得，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。

無功功率決不是無用功率，它的用處很大。電動機需要建立和維持旋轉磁場，使轉子轉動，從而帶動機械運動，電動機的轉子磁場就是靠從電源取得無功功率建立的。變壓器也同樣需要無功功率，才能使變壓器的一次線圈產生磁場，在二次線圈感應出電壓。因此，沒有無功功率，變壓器也不能變壓，電動機就不會轉動，交流接觸器不會吸合。由此可見無功并不是無用之功。為了保證電力系統的正常運行，無功必不可少，在電網的能量傳輸中，必須考慮無功的傳輸。但是系統中過多的考慮無功的輸送，必定會減少有功的傳輸，這就制約負荷端對有功的需求，降低了對電網、變壓器的利用率這也不是電網發展追求的目的。輸送過多無功功率對供、用電產生的不良影響，主要表現在：

（1）視在功率一定時，增加無功功率就要降低輸、變電設備的供電能力。

（2）降低發電機有功功率的輸出。

（3）電網內過多無功功率的流動會造成線路電壓損失增大和電能損耗的增加。

（4）當無功缺額情況嚴重時，用戶將竭力調用大容量用電設備，使功率因數進一步降低，系統無功負荷愈加愈大，電壓水平更低，形成惡性循環，最后造成電壓崩潰，系統瓦解而大面積停電。

由上可見電力系統發送過多的無功而帶來的不足。如果電力系統只發送有功，那么系統中的變壓器由于缺少無功就無法正常進行變配電。所以發電機必須保證線路的無功損耗和變壓器的最小無功需要。那么負荷所需要的無功從哪里來，考慮到上面講述的內容，我們在輸電的過程中要盡可能的減少無功輸送，從發電機和高壓輸電線供給的無功功率，一般滿足不了負荷的需要，對于負荷側無功需求我們可以考慮通過無功補償進行實現。

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損耗、穩定電壓和提高供電質量，在長距離輸電中提高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。進行無功補償的具體作用表現如下：

（1）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，Ω

Xl—線路感抗，Ω

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。

（2）提高變壓器的利用率，減少投資

功率因數由cosφ1提高到cosφ2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ΔS%，可以帶更多的負荷，減少了輸變電設備的投資。

（3）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。

（4）提高電力網傳輸能力

有功功率與視在功率的關系式為：P=Scosφ。可見，在傳輸一定有功功率的條件下，功率因數越高，需要電網傳輸的功率越小。

在電網中影響功率因素變化的因素如此之多，所以要想維持電網中功率因素的穩定絕非易事，這就需要在電網中無功消耗多的用電設備加上無功補償裝置，無功補償通常采用的方法主要有3種：低壓集中補償、低壓個別補償、高壓集中補償。下面簡單介紹這3種補償方式的適用范圍及使用該種補償方式的優缺點：

（1）低壓集中補償，低壓集中補償是指將低壓電容器通過低壓開關接在配電變壓器低壓母線側，以無功補償投切裝置作為控制保護裝置，根據低壓母線上的無功負荷而直接控制電容器的投切。低壓集中補償的優點：接線簡單、運行維護工作量小，使無功就地平衡，從而提高配變利用率，降低網損，具有較高的經濟性，是目前無功補償中常用的手段之一。

（2）低壓個別補償：，低壓個別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（如大中型異步電動機）的無功消耗，以補勵磁無功為主。低壓個別補償的優點是：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、安裝容易、占位小、配置方便靈活、維護簡單、事故率低等優點。

（3）高壓集中補償，高壓集中補償是指將并聯電容器組直接裝在變電所的6～10 kV高壓母線上的補償方式。適用于用戶遠離變電所或在供電線路的末端，用戶本身又有一定的高壓負荷時，可以減少對電力系統無功的消耗并可以起到一定的補償作用；補償裝置根據負荷的大小自動投切，從而合理地提高了用戶的功率因數，避免功率因數降低導致電費的增加。同時便于運行維護，補償效益高。

電力系統中無功平衡是衡量電能質量的重要指標，無功過低或過高都會對電力系統造成影響，因此，無功深入分析是一項很重要的工作，也是這篇文章意義所在。

參考文獻

[1] 李梅蘭，盧文鵬.電力系統分析[M].中國電力出版社，2010.

[2] 李宏仲.地區電網無功補償與電壓無功控制[M].機械工業出版社，2012.endprint