淺析供配電系統三相不平衡的無功補償

鄧治宇

【摘 要】單相電器在三相供電中數量多，引起三相不平衡的同時還導致無功補償難度加大。論文分析了三相不平衡的無功補償問題，采用先三相共同補償，再單相獨立補償的混合補償方法，避免在三相共同補償時出現過補償和欠補償情況。保證了無功補償的高效性、可靠性、經濟性，取得較好效果。

【Abstract】In the three-phase power supply， the number of single-phase power supply is more and more serious， which leads to the unbalance of three-phase power supply and increases the difficulties of reactive power compensation. In this paper， the problem of unbalanced three-phase reactive power compensation is analyzed， which is based on the method of three-phase compensation and single-phase independent compensation. It can avoid the overcompensation and under compensated phenomenon in the process of three-phase reactive power compensation， ensure the high efficiency， reliability and economy of reactive power compensation.

【關鍵詞】無功補償；三相不平衡；電容器

【Keywords】 reactive power compensation； three-phase unbalance； capacitor

【中圖分類號】TM714 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）05-0149-02

1 問題的提出

目前，在用電設備中大多數為感性負載，消耗有功功率的同時，還產生大量無功功率，導致功率因數（cosφ）偏低。功率因數低造成有功功率一定時線路電流和變壓器容量增加，電力系統無法得到充分利用，降低了電能質量、電網的經濟效益。我國供電企業每有向用戶收取電費，如平均功率因數低于規定值時，則要收取額外費用，以鼓勵用戶提高功率因數。100kV·A及以上高壓供電用戶功率因數為0.9以上，其他電力用戶和大、中型電力排灌站、躉購轉售電企業，功率因數0.85以上[1]。

在工廠中三相交流電動機、變壓器等三相對稱負載給三相電源每一相引起的無功功率是相同的，也就是說三相電源每一相的功率因數相同。但是在供配電系統中存在有大量的單相負荷，例如家電、辦公設備、手持電動工具、小功率電焊機、照明燈等，這類負荷的使用沒有規律，呈現出明顯的隨機性，因此電網三相不平衡問題非常普遍，并且電網中三相電源每一相的功率因數也有明顯差別。如何對三相不平衡電力系統的進行有效的無功補償，減小電能損耗，改善電網的運行是當前許多電力用戶面臨的問題。

2 并聯電容無功補償的種類

在工程技術中主要采用并聯電容的方法實現無功補償，感性電路的無功功率可和與電容電路的無功功率相互補償，從而減小與交流電源進行交換的無功功率，提高線路功率因數。

2.1 高壓集中補償

高壓集中補償一般是將高壓電容安裝在10kV電壓以上的母線上。這種方式可以補償高壓母線上的無功功率，對于用戶在母線以后和低壓則的無功功率作用不大，更無法有效解決三相不平衡時的功率補償。但是高壓集中補償投資少，維護方便，可以滿足單相設備容量少（單相容量小于總容量的15%）的大中型工廠的總功率因數要求。

2.2 低壓集中補償

低壓集中補償主要用于380V母線上，針對低壓側的無功功率進行有效的補償，成本低、效果好。采用低壓電容組，按Δ聯結，通常是取B相的功率因數后，對三相同時補償，三相平衡配電系統中表現優異。但是在解決三相不平衡時的無功功率補償問題上表現出其先天不足。因為補償后的三相功率因數不同，以B相為標準進行補償可以達到良好的效果，而A相、C相就有可能出現欠補償或者過補償的情況，不能從根本上解決問題。

2.3 單相補償

單相補償是對低壓三相負荷的功率因數進行分別計算，算出每一相所需要補償的電容量進行自動補償，完全避免低壓集中補償中出現的欠補償和過補償的情況。這種方式對三相不平衡系統可以獲得理想的補償效果，能從根本上解決問題。單相補償中注意電容器容量要與線路容量相匹配，大容量電容補償小容量線路會導致精度降低；小容量電容補償大容量線路會出現切換頻繁。為了提高補償的精度，將單個補償電容器的容量減小，總組數增加。由于每組電容器的投切都需要一只開關器件控制，更多的分組意味著開關器件使用量的增加，這將引起成本的上升[2]。

2.4 混合補償

混合補償是將低壓集中補償和單相補償相結合的方式，先用低壓電容組對三相負載中對稱分量進行集中補償，再采用單相電容器對三相負載的不對稱分量進行補償。混合補償能吸取優點，在滿足技術要求的前提下實現對成本的控制。混合補償可廣泛應用于居民小區、大型綜合建筑、單相設備比重大的企業等。

3 混合補償的應用

3.1 混合補償的結構

用JKGFF-3G3F型智能混合無功補償控制器實現某用戶的無功補償，如圖1所示。其中前3路為三相共補回路，后9路為分別為A單相補償回路、B單相補償回路、C單相補償回路。該控制器先執行三相共同補償，再通過分析計算，對每一相的無功功率進行單相補償，實現混合補償。在圖1中因篇幅限制未繪制出放電燈、保護裝置和端子等內容。

JKGFF-3G3F型智能混合無功補償控制器與電流互感器、電壓互感器相互配合，獲取三相線路上的電流、電壓、功率因數參數，按用戶預先設定的工作模式進行無功補償。JKGFF-3G3F的主要端子分配如表1。

3.2 補償電容器的保護

電容器對電壓較為敏感，對于電容器所受電壓不超過額定電壓的10%。在電容器應用的線路中如果易出現電壓波動要加入過電壓保護裝置，否則有可能導致補償電容器過壓擊穿。

在現在供配電系統中存在有大量的非線性負荷，使得電網中的諧波含量常常很高。在線路中變壓器電抗、電網電感和電容器形成一個振蕩回路。當該同路的固有頻率與電流諧波的頻率相互重合時，振蕩回路勵磁而產生很高的過電流，造成供電回路過載，甚至引起電容器的燒毀[2]。有必要在電容器支路中串聯一個電感用于防止產生諧振和吸收高次諧波電流。

4 結語

現代電網中負荷出現的多樣性、復雜性，電網的三相不平衡和無功功率補償等問題日益突出，是供電系統中一個重要的研究方向。電網的三相不平衡的綜合治理措施及智能換相GUI技術研究也得到發展，今后有希望從技術上解決一定范圍內的三相不平衡問題。新型的靜止無功補償裝置（SVC）、靜止無功發生器（SVG）等的研究與運用，會使得無功補償技術更加完善與智能。

【參考文獻】

【1】劉介才.工廠供電（第4版）[M].北京：機械工業出版社，2005.

【2】蔡金珠，劉文杰，胡建剛，等.一種不對稱負荷的無功功率混合補償方式[J]. 電器與能效管理技術，2009（17）：46-49.