電網(wǎng)中無功功率平衡淺談

唐智勇

（國網(wǎng)福建檢修公司 福建 福州 350001）

從發(fā)電廠到用戶端設備，中間要經(jīng)過許多輸配電設備和用電設備，電力系統(tǒng)中的無功損耗包括變壓器的損耗和電力線路的無功損耗，還有用戶側設備很多是根據(jù)電磁感應原理工作的，如配電變壓器、電動機等，它們都是依靠建立交變磁場才能進行能量的轉換和傳遞。為建立交變磁場和感應磁通而需要的電功率稱為無功功率，因此，用電系統(tǒng)中除了需要有功電源外，還需要無功電源，兩者缺一不可。

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(shù)cosφ，其計算公式為：

cosφ=P/S=P/（P2+Q2）1/2

在電力網(wǎng)的運行中，功率因數(shù)反映了電源輸出的視在功率被有效利用的程度，我們希望功率因數(shù)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。

一、影響功率因數(shù)的主要因素

首先是電力系統(tǒng)中無功損耗，包括變壓器的無功損耗。變壓器的無功損耗包括兩部分，一部分為勵磁損耗，這種無功損耗占額定容量的百分數(shù)，基本上等于空載電流1%-2%；另一部分為繞組中的無功損耗，在變壓器滿載時，基本上等于短路電壓Uk的百分值，約為10%。另一部分是電力線路的無功損耗。電力線路上的無功功率損耗也分為兩部分，即并聯(lián)電納和串聯(lián)電抗中的無功功率損耗。

其次是用戶側大量的感性設備，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(jù)有關的統(tǒng)計，在工礦企業(yè)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(shù)就要防止電動機的空載運行并盡可能提高負載率。

第三，供電電壓超出規(guī)定范圍也會對功率因數(shù)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(jù)有關資料統(tǒng)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(shù)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(tǒng)的供電電壓盡可能保持穩(wěn)定。

二、無功補償?shù)囊话惴椒?/p>

無功補償通常采用的方法主要有3種：低壓個別補償、低壓集中補償、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(yōu)缺點。

低壓個別補償就是根據(jù)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(xù)運行的無功消耗，以補勵磁無功為主。低壓個別補償?shù)膬?yōu)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(yōu)點。

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(jù)低壓母線上的無功負荷而直接控制電容器的投切。電容器的投切是整組進行，做不到平滑的調節(jié)。低壓集中補償?shù)膬?yōu)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(wǎng)損，具有較高的經(jīng)濟性，是目前無功補償中常用的手段之一。

高壓集中補償是指將并聯(lián)電容器組直接裝在變電所的高壓母線上的補償方式。它可以減少對電力系統(tǒng)無功的消耗并可以起到一定的補償作用；補償裝置根據(jù)負荷的大小自動投切，從而合理地提高了用戶的功率因數(shù)，避免功率因數(shù)降低導致電費的增加。同時便于運行維護，補償效益高。

三、 無功電源

電力系統(tǒng)的無功電源除了同步電機外，還有靜電電容器、靜止無功補償器以及靜止無功發(fā)生器，這四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。

同步發(fā)電機是唯一的有功電源，同時又是最基本的無功功率電源，當其在額定狀態(tài)下運行時，發(fā)電機容量得到最充分的利用：

Q=S×sinφ=P×tgφ

其中：Q、S、P、φ是相對應的無功功率、視在功率、有功功率和功率因數(shù)角。

發(fā)電機正常運行時，以滯后功率因數(shù)運行為主，向系統(tǒng)提供無功，但必要時，也可以減小勵磁電流，使功率因數(shù)超前，即所謂的"進相運行"，以吸收系統(tǒng)多余的無功。

同步調相機是實質上就是只能發(fā)無功功率的發(fā)電機。它能在欠勵或過勵的情況下向系統(tǒng)吸收或供出無功，裝有自勵裝置的同步電機能根據(jù)電壓平滑地調節(jié)輸入或輸出的無功功率，這是其優(yōu)點。但它的有功損耗大、運行維護復雜、響應速度慢，近來已逐漸退出電網(wǎng)運行。

并聯(lián)電容器補償是目前使用最廣泛的一種無功電源，由于通過電容器的交變電流在相位上正好超前于電容器極板上的電壓，相反于電感中的滯后，由此可視為向電網(wǎng)輸送無功功率：

Q=U2/Xc

其中：Q、U、Xc分別為無功功率、電壓、電容器容抗。

并聯(lián)電容器本身功耗很小，裝設靈活，節(jié)省投資；由它向系統(tǒng)提供無功可以改善功率因數(shù)，減少由發(fā)電機提供的無功功率。靜止無功補償器是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(shù)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(jié)，以滿足動態(tài)無功補償?shù)男枰瑫r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(chǎn)生高次諧波，為此需加裝專門的濾波器。

四、小結

本文集中探討了無功功率平衡，介紹了影響功率因數(shù)的主要因素和提高功率因數(shù)的幾種方法，討論了目前所通用的幾種無功電源及其特點，這對電力企業(yè)是十分有益的。