无功功率补偿

2007年11月12日 星期一 06:51

   静止无功补偿技术

电压和频率是电能质量的重要指标，电压质量对电网稳定及电力设备安全运行、线路损失、工农业安全生产、产品质量、用电单耗和人民生活用电都有直接影响。无功电力是影响电压质量的一个重要因素，电压质量与无功是密不可分的，可以说，电压问题本质上就是无功问题。而频率的控制与有功功率控制密切相关。目前，国内电网采用的电容补偿技术主要是集中补偿与就地补偿技术。就地补偿技术主要适用于负荷稳定，不可逆且容量较大的异步电动机补偿(如风机、水泵等)，其它各种场合仍主要采用集中补偿技术。早期的无功功率补偿装置主要为同步调相机，多为高压侧集中补偿。同步调相机目前在现场仍有少量使用。

静止补偿器的基本作用是连续而迅速地控制无功功率，即以快速的响应，通过发出或吸收无功功率来控制它所连接的输电系统的节点电压。

静止补偿器由于其价格较低、维护简单、工作可靠，在国内仍是主流补偿装置。静止补偿器(SVC)先后出现过不少类型，目前来看，有发展前途的主要有直流助磁饱和电抗器型、可控硅控制电抗器型和自饱和电抗器型3种。上述第二种又可分为：固定连接电容器加可控硅控制的电抗器(fixed capacitor＆thyristor controlled reactor，FC－TCR)；可控硅开关操作的电容器加可控硅控制的电抗器(thyristor switched capacitor＆thyristor controlled reactor，TSC－TCR)。

所谓的无功功率

在交流电路中存在两种负载，产生两种不同的电功率。（1）消耗在纯电阻方面的电功率，P=IUCOS∮，转变为热能，可称“电热功率”，故起名为：“有功功率”。单位称“瓦”或“千瓦”。因为此电功率功率是转变为热能的，所以利用此公式计算与实践相矛盾。（2）消耗在感抗或容抗方面的电功率，Q=IUsin∮，转变为交变电磁场能，可称“电磁功率”，或者“无功功率”。单位称“乏”或“千乏”。计算公式：Q=IUsin∮ 式中sin∮=X/Z X代表感抗，Z代表总阻抗，它是两种阻抗的矢量和，Q代表做功的电功率。从此式中看出，导体电阻越小，无功功率因数越高，负载做功越大。因为电动机做功需要交变电磁场能，就应当利用电磁功率公式计算，此种计算理论符合实践。另外在电动机中的铜损和铁损虽然是有害的，但也是不可避免的，也必然要消耗一定的电能，所以在计算消耗的总电能中，不能丢掉消耗的有功功率，尤其是在从定子输入时也产生交变电磁场能。所谓的视在功率就是有功功率与无功功率的矢量和了。

中性点直接接地电网中接地短路

中性点直接接地系统发生单相接地故障时，接地短路电流很大.零序电流可以看成是在故障点出现一个l零序电压产生的，它经变压器接地的中性点构成回路。对零序电流的方向仍规定由毋线流向故障点为正，而零序电压的电位，是线路高于大地为正。故障点的零序电压最高，离故障点越远，零序电压越低。    零序电流的分布，决定于线路的零序阻抗和中性点接地变压器的零序阻抗及变压器接地中性点的数目和位置，而与电源的数量和位置无关。故障线路军序功率的方向与正序功率的方向相反，是由线路流向母线的。

2      不合理而造成的耗能

中小型三相异步电动机的额定功率因数一般不超过0.，例如Y系列低压电动机的额定功率为0.75kw-200kw，其额定的功率因数为0.70-0.；Y系列中型高压电动机额定功率为220kw-2800kw,其额定功率因数为0.73-0.。随着负载的降低，电动机的功率因数也随之降低，一般工矿企业的功率因数为0.65-0.84，这样一来就必需要在供电电源（企业变电所的变压器）供给大量的无功功率（无功电流）以维持电动机的正常运转。

为了提高系统的供电质量和能力，以及降低损耗电力部门要求各工矿企业采用集中补偿无功功率的措施，既在企业的高、低压配电所内设置若干组电容器组接在配电母线上，补偿该配电所范围内的无功功率，并使企业的总功率因数达到规定值（0.9或0.85）以上，这种补偿方法只能补偿高、低压母线之前（电源方向）线路上的无功功率，它们相当于把无功功率源移到了用电企业的配电所，使企业对供电系统要求的无功功率减少，但对配电母线以下的企业内部变压器和线路及用电设备的无功功率不能起到补偿作用，企业内部仍有大量的无功功率（无功电流）在企业内部线路上流动，并产生有功损耗。

这种集中补偿方式是对电力系统起到了补偿作用，而且初期投资较少，便于集中管理，可根据负荷变动的需要调整电容器容量及数量的投入，能合理的补偿无功功率和提高企业总的功率因数，提高供电质量等优点，就整个供电系统来看，这是必要的，也是供电部门所规定的必须要装置的补偿方式，所以一般企业也都在配电所安装了集中补偿装置，但是众多企业对另外两种无功补偿方式：就地补偿和分组补偿的重视还是不够的，许多企业应用很少，甚至没有安装，这就造成了大量的无功功率（无功电流）在企业内部的供电线路中的流动而引起的有功损耗。

二、三相异步电动机无功就地补偿。

所谓就地补偿就是在用电设备的附近设置补偿装置，这种补偿方式相当于把无功电源直接搬移到三相异步电动机旁边，使异步电机所需求的无功功率不在由电力系统供给，直接由就地补偿装置供给，这样一来无功功率（无功电流）仅在电动机与就地补偿装置之间流动，从而消除了无功功率（无功电流）在高低压电网上的流动，减少了线路电流和有功功率损耗，这是一种最好的也是最彻底的补偿方式。

1 减少线路电能损耗及相应的电费

如企业中对于电动机容量较大，且长期处于轻负载状态下运行，供电线路较长，采用就地补偿后，可取得较显著的节电效果。例某自来水公司一台电动机，额定功率为40kw，电压380V，4极，供电线路长350米，铝芯35平方，补偿前供电线路电流为59.8A，功率因数为0.87，无功就地补偿15kvar后，线路电流为50.2A，功率因数为0.978，安装后全年运行节约电能6043kwh，节约电费3626元（按0.60元/kwh计算）仅4个月就可收回投资。

2 提高功率因数和减少相应电费

如果企业用电没有达到国家规定的总功率因数标准值，则按照国家“功率因数调整电费办法”的规定，要受到供电部门的罚款，此时如对企业内较大功率且长期运行的电动机进行就地补偿，可提高功率因数，不但不可减少甚至于不罚款，还可以得到奖励减少电费支出。

另外，电动机进行就地补偿后，效率也相应的提高了，在输出相当功率的情况下（既拖动相同负载）输入功率减少，从而使相应的电费支出减少。

3 增加电功率和减少用电贴费

采用就地补偿后，异步电动机所需要的大部分无功功率（无功电流）由补偿器供给，电动机的有功功率仍有电源（配电所变压器）供给，这样就减轻了电源（变压器）的负荷，相应的提高了变压器的供电能力，一般可提高15%-20%左右。如果企业要扩大生产增容值在20%左右，就完全可用就地补偿的办法来满足增容要求，无需再购置变压器和其他的配套电器设备，节约了投资费用和基本电费的支出。

4 电器开关和供电线路负荷，减少维修量，延长电器设备使用寿命，提高安全可靠性

由于电动机采用无功就地补偿后，电器设备和供电线路的电流减少了，开关触点的故障也因电流的下降而减少了，供电线路也随着电流下降发热也降低了，从而使安全可靠性得到提高。

5 改善电机运行状况

电动机采用就地补偿后，除电动机的效率和功率因数得到提高外，由于供电线路的电流下降，相应的线路电压降减少，电动机的端电压升高，电磁转矩提高，特别对供电线路较长的电动机，启动状况得到改善，减少了启动时间和启动困难的情况。

从上面的分析可看出，电动机就地补偿技术是一个很好的办法，综合效益显著，是一种简便易行、行之有效的节能技改措施。

某煤矿水泥厂供电系统如图1。

图1中1600kVA变压器型号为SJL1，输送功率980kW；400kVA变压器型号为为SL7，输送功率250kW。在未采用就地补偿前，高压供电线路电流为98A。功率因数由补偿前的0.84(1600kVA变压器)和0.85(400kVA变压器)提高到补偿后的0.98。

现计算该水泥厂三相异步电动机无功就地补偿后高压供电线路和变压器的节电量和节约电费。

⑴高压供电线路电阻：

R=0.27×3＝0.81 Ω

高压供电线路节约电力：

△P＝3×

全年节约电量:

△W＝△P×h＝6.192×8000＝49536

折回电费：

0.    6×49536＝29722元

⑵变压器节电(同法计算)

1600变压器节电:

补偿前后变压器铜损分别为10.35及7.6 ，节约2.75 ,全年节约电量为22000 ,折回电费13200元；

400kVA变压器节电:

补偿前后变压器铜损分别为3.2及2.41 ，节约0.79 ,全年节约电量为6320 ,折回电费3792元。

四、结束语

电动机是电力需求则最基层的地方，无功就地补偿最重要，可以减少在它以上各级电压电网中的无功流动数量和距离。大量实践证明，电动机无功就地补偿节能效益显著，投资回收时间短，是一种很好的无功动态补偿方式。

参考文献

[1] 

6、改善用电质量，能提高电动机的端电压3-5% 。

7、每千乏补偿容量每年可节约用电150-300千瓦时（按电动机每年运行时间1500-3000小时计算）。

三、特点

1、损耗低、温升低：产品内部元件采用金属化聚丙烯膜为电介质，自身能量损耗极小，在额定条件下使用时，其损耗仅为0.2瓦/千乏，其箱壳温度仅比环境温度高出3-5℃。

2、有自愈功能：自愈能力强，提高了产品的使用可靠性和寿命。

3、自放电特性：断开电源后3分钟，剩余电压降为50V以下。

4、防火防爆装置和器体内充有无毒惰性颗粒，当产品出现故障时，能起防火防爆作用。

5、体积小，重量轻，安装方便，维护简单。

6、投资少，不到一年可从电费中收回投资。

四、使用条件

1、海拔高度不超过2000米。

2、温度类别：-40℃~+45℃

3、湿度：小于85%RH

4、安装地点应无剧烈振动，无腐蚀性气体，无较强热源，同是应是干燥通风的室内。

五、技术参数及安装尺寸

额定电压：400VAC

额定容量：1-100KVar

损耗角正切值：低于0.10%

最高充许过电压：额定电流的130%

符合标准：IEC831-1（1988）　

1、对于用Y-<>起动的电动机，其连接线应如图1所示：

2、对于采用其他起动方式的电动机，补偿器的接线与电动机的电子始终通电的三只端子并联即可.

3、对于频繁起动，频繁正反转的（即通、断电时间少于3分钟以下的）电动机，不宜采用本补偿器进行无功就地补偿。

感性电流就是超前电流，容性电流就是滞后电流。

无功功率比较抽象，它是用于电路内电场与磁场的交换，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。它不对外作功，而是转变为其他形式的能量。凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就要消耗无功功率。比如40瓦的日光灯，除需40多瓦有功功率(镇流器也需消耗一部分有功功率)来发光外，还需80乏左右的无功功率供镇流器的线圈建立交变磁场用。由于它不对外做功，才被称之为“无功”。无功功率的符号用Q表示，单位为乏(Var)或千乏(kVar)。

窗体顶端

　　在交流电路中，电压与电流之间的相位差(Φ)的余弦叫做功率因数，用符号cosΦ表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即cosΦ=P/S

　　功率因数的大小与电路的负荷性质有关， 如白炽灯泡、电阻炉等电阻负荷的功率因数为1，一般具有电感或电容性负载的电路功率因数都小于1。功率因数是电力系统的一个重要的技术数据。功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大， 从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。所以，供电部门对用电单位的功率因数有一定的标准要求。

　　(1) 最基本分析：拿设备作举例。例如：设备功率为100个单位，也就是说，有100个单位的功率输送到设备中。然而，因大部分电器系统存在固有的无功损耗，只能使用70个单位的功率。很不幸，虽然仅仅使用70个单位，却要付100个单位的费用。(我们日常用户的电能表计量的是有功功率，而没有计量无功功率，因此没有说使用70个单位而却要付100个单位的费用的说法，使用了70个单位的有功功率，你付的就是70个单位的消耗)在这个例子中，功率因数是0.7 (如果大部分设备的功率因数小于0.9时，将被罚款)，这种无功损耗主要存在于电机设备中(如鼓风机、抽水机、压缩机等)，又叫感性负载。功率因数是马达效能的计量标准。

　　(2) 基本分析：每种电机系统均消耗两大功率，分别是真正的有用功(叫千瓦)及电抗性的无用功。功率因数是有用功与总功率间的比率。功率因数越高，有用功与总功率间的比率便越高，系统运行则更有效率。

(3) 高级分析：在感性负载电路中，电流波形峰值在电压波形峰值之后发生。两种波形峰值的分隔可用功率因数表示。功率因数越低，两个波形峰值则分隔越大。

对于功率因数改善

　　电网中的电力负荷如电动机、变压器、日光灯及电弧炉等，大多属于电感性负荷，这些电感性的设备在运行过程中不仅需要向电力系统吸收有功功率，还同时吸收无功功率。因此在电网中安装并联电容器无功补偿设备后，将可以提供补偿感性负荷所消耗的无功功率，减少了电网电源侧向感性负荷提供及由线路输送的无功功率。由于减少了无功功率在电网中的流动，因此可以降低输配电线路中变压器及母线因输送无功功率造成的电能损耗，这就是无功补偿的效益。 无功补偿的主要目的就是提升补偿系统的功率因数。因为供电局发出来的电是以KVA或者MVA来计算的，但是收费却是以KW，也就是实际所做的有用功来收费，两者之间有一个无效功率的差值，一般而言就是以KVAR为单位的无功功率。大部分的无效功都是电感性，也就是一般所谓的电动机、变压器、日光灯……，几乎所有的无效功都是电感性，电容性的非常少见。也就是因为这个电感性的存在，造成了系统里的一个KVAR值，三者之间是一个三角函数的关系： 

　　KVA的平方=KW的平方+KVAR的平方

　　简单来讲，在上面的公式中，如果今天的KVAR的值为零的话，KVA就会与KW相等，那么供电局发出来的1KVA的电就等于用户1KW的消耗，此时成本效益最高，所以功率因数是供电局非常在意的一个系数。用户如果没有达到理想的功率因数，相对地就是在消耗供电局的资源，所以这也是为什么功率因数是一个法规的。目前就国内而言功率因数规定是必须介于电感性的0.9～1之间，低于0.9时需要接受处罚。 

　　供电局为了提高他们的成本效益要求用户提高功率因数，那提高功率因数对我们用户端有什么好处呢？

　　① 通过改善功率因数，减少了线路中总电流和供电系统中的电气元件，如变压器、电器设备、导线等的容量，因此不但减少了投资费用，而且降低了本身电能的损耗。

　　② 藉由良好功因值的确保，从而减少供电系统中的电压损失，可以使负载电压更稳定，改善电能的质量。 

　　③ 可以增加系统的裕度，挖掘出了发供电设备的潜力。如果系统的功率因数低，那么在既有设备容量不变的情况下，装设电容器后，可以提高功率因数，增加负载的容量。

　　举例而言，将1000KVA变压器之功率因数从0.8提高到0.98时：

　　补偿前：1000×0.8=800KW 

　　补偿后：1000×0.98=980KW 

　　同样一台1000KVA的变压器，功率因数改变后，它就可以多承担180KW的负载。 

　　④ 减少了用户的电费支出；透过上述各元件损失的减少及功率因数提高的电费优惠。 

　　此外，有些电力电子设备如整流器、变频器、开关电源等；可饱和设备如变压器、电动机、发电机等；电弧设备及电光源设备如电弧炉、日光灯等，这些设备均是主要的谐波源，运行时将产生大量的谐波。谐波对发动机、变压器、电动机、电容器等所有连接于电网的电器设备都有大小不等的危害，主要表现为产生谐波附加损耗，使得设备过载过热以及谐波过电压加速设备的绝缘老化等。

　　并联到线路上进行无功补偿的电容器对谐波会有放大作用，使得系统电压及电流的畸变更加严重。另外，谐波电流叠加在电容器的基波电流上，会使电容器的电流有效值增加，造成温度升高，减少电容器的使用寿命。

　　谐波电流使变压器的铜损耗增加，引起局部过热、振动、噪音增大、绕组附加发热等。 

　　谐波污染也会增加电缆等输电线路的损耗。而且谐波污染对通讯质量有影响。当电流谐波分量较高时，可能会引起继电保护的过电压保护、过电流保护的误动作。

因此，如果系统量测出谐波含量过高时，除了电容器端需要串联适宜的调谐（detuned）电抗外，并需针对负载特性专案研讨加装谐波改善装置。

改善电能质量的理由

　　为什么说提高用户的功率因数可以改善电压质量？ 

　　电力系统向用户供电的电压，是随着线路所输送的有功功率和无功功率变化而变化的。当线路输送一定数量的有功功率是，如输送的无功功率越多，线路的电压损失越大。即送至用户端的电压就越低。如果110KV以下的线路，其电压损失可近似为：△U=(PR+QX)/Ue

　　其中：△U－线路的电压损失，KV

　　Ue－－线路的额定电压，KV

　　P－－线路输送的有功功率，KW

　　Q－－线路输送的无功功率，KVAR

　　R—线路电阻，欧姆 

　　X－－线路电抗，欧姆 

　　由上式可见，当用户功率因数提高以后，它向电力系统吸取的无功功率就要减少，因此电压损失也要减少，从而改善了用户的电压质量。

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　　在直流电路里，电压乘电流就是有功功率。但在交流电路里，电压乘电流是视在功率，而能起到作功的一部分功率（即有功功率）将小于视在功率。有功功率与视在功率之比叫做功率因数，以COSΦ表示，其实最简单的测量方式就是测量电压与电流之间的相位差，得出的结果就是功率因数。