浅析无功补偿和改善功率因数

２００７年第１期　《贵州电力技术》　（总第９ｌ期）　浅析无功补偿和改善功率因数　贵州贵阳供电局赵海燕　［５５０００２］　摘　要本文从理论上阐述了改善功率因数的意义，以及如何从提高自然功率因数和人工补偿两方面改善功率因　数。根据无功功率的平衡原理，依据无功补偿的原则，介绍无功补偿和电压优化，并对各种方法进行了深入的　分析。　关键词功率因数　自然功率因数方爱电压优化迪生大师傅大师　电力工业迅猛壮大，电网逐步扩张，电力负荷增　长很快，电压等级越来越高，电网、发电厂以及单机　１　补偿容量不足时的无功功率平衡　容量也越来越大，电网覆盖的地理面积在不断扩大。　进行系统无功功率平衡的前提是保持系统的电　但是，由于地理环境、燃料运输、水资源及经济发展　压水平正常，否则，系统的电压质量就得不到保证。　规模等诸多因素的影响，致使电源（发电厂）分布不　在图１所示的系统无功功率负荷的静态电压特性曲　均衡，要保证系统的稳定和优良的电能质量，就必须　线中，在正常情况下，系统无功功率电源所提供的无　解决远距离输电、电压调节及无功补偿等问题。电　功功率Ｑｇｃｎ，由无功功率平衡的条件Ｑｇｃｎ—Ｑｌｄ—　压是电能质量的重要指标之一，电压质量对电网稳　Ｑｌ＝０决定的电压为ｕｎ，设此电压对应于系统正常　定及电力设备安全运行、线路损失、工农业安全生　的电压水平。但假如系统无功功率电源提供的无功　产、产品质量、用电单耗和人民生活用电都有直接影　功率仅为Ｑｇｃ（Ｑｇｃ＜ＱＧＣＮ），此时虽然系统中的无　响。无功电力是影响电压质量的一个重要因素，电　功功率也能平衡，但平衡条件所决定的电压水平为　压质量与无功是密不可分的，可以说，电压问题本质　ｕ，而ｕ显然低于ＵＮ。在这种情况下，虽然可以采　上就是无功问题。改善功率因数解决好无功补偿问　取某些措施，如改变某台变压器的变比来提高局部　题，具有十分重要的意义。　地区的电压水平，但整个系统的无功功率仍然不足，　无功功率平衡，欲维持电力系统电压的稳定性，　系统的电压质量得不到全面改善。这种平衡是系统　应使电力系统中的无功功率保持平衡，即系统中的　无功功率不足时达到的平衡，是由于系统的电压水　无功电源可发出的无功功率应大于或等于负荷所需　平下降，无功功率负荷本身具有的电压调节效应。使　的无功功率和网络中的无功损耗。系统中无功功率　全系统的无功功率需求有所下降而达到的。　的平衡关系式如下：　Ｑｇｃ—ＱＩｄ—Ｑｌ＝Ｑｒ　式中Ｑｇｃ——电源发出的无功功率之和；　Ｑｌｄ　Ｑｌｄ——无功负荷之和；　Ｑｌ——网络中的无功损耗之和；　Ｑｇｅ　Ｑ卜一系统可提供的备用无功功率。　Ｑｒ＞Ｏ，表示系统中无功功率可以平衡而且有适　当的备用；Ｑｒ＜Ｏ，表示系统中无功功率不足，此时，　为保证系统的运行电压水平，就应考虑加设无功补　偿装置。　图１　系统无功功率负荷静态电压特性曲线　Ｑｇｃ包括全部发电机发出的无功功率Ｑｇ和各　１．Ｉ　系统无功功率电源充足时的无功功率平衡　种无功补偿装置提供的无功功率Ｑｃ，即　在正常情况下（系统电压为额定电压），如图２　Ｑｇｃ：Ｑｇ＋Ｏｃ　所示，系统无功电源Ｑ同电压ｕ的关系为曲线１，负　荷的无功电压特性为曲线２，两者的交点ａ确定了　负荷节点的电压ｕａ。　．６３．　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００７年第１期　《贵州电力技术》　（总第９１期）　当负荷增加时，如曲线２所示，如果系统的无功　电源没有相应增加，电源的无功特性仍然是曲线ｌ，　这时曲线ｌ和曲线２的交点ａ就代表了新的无功功　率平衡点，并由此决定了负荷点的电压为Ｕａ　，显然　Ｕａ　＜ＵＡ，说明负荷增加后，系统的无功功率电源已　不能满足在电压ｕＡ下的无功平衡，只能降低电压　运行，以取得较低电压下的无功功率平衡；但如果系　统无功电源比较充足，通过补偿，电源的无功特性将　上移到曲线１　的位置，从而使曲线ｌ　与２　的交点Ｃ　所确定的负荷节点电压达到或接近原来的数值　ＵＡ。由此可见，若系统的无功功率电源比较充足，　系统就能具有较高的运行电压水平；反之，系统的无　功功率电源不足，则反映为系统运行电压水平偏低。　因此，应该力求实现在额定电压下的系统无功功率　平衡。　图２系统无工工率电源充足时的无功　功率平衡曲线　１．２无功补偿原则　国家《电力系统电压和无功电力技术导则》规　定，无功补偿与电压调节应以下列原则进行。　总体平衡与局部平衡相结合；　ｂ．电力补偿与用户补偿相结合；　ｃ．分散补偿与集中补偿相结合；　ｄ．降损与调压相结合，以降损为主。　无功补偿应尽量分层（按电压等级）和分区（按　地区）补偿，就地平衡，避免无功电力长途输送与越　级传输。　２　改善功率因数的意义　在交流电路中，由电源供给负载的电功率有两　种：一种是有功功率，一种是无功功率。有功功率是　保持用电设备正常运行所需的电功率，它是将电能　转换为其他形式能量（如机械能、光能、热能、化学　能等）的电功率。无功功率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，它不像有功功率那样将电能转换成其他能　．６４．　量而消耗掉。交流电路中所有的电感（容）性元件　都离不开无功功率，没有无功功率，电感（容）性元　件就无法工作。因此，需要电力系统提供无功功率。　如果不采取补偿措施，这些无功功率将由发电厂的　发电机供给。实行无功就地补偿后，可以减少大量　无功功率的流动。当有功功率为一定时，无功功率　增大，则供电系统的功率因数越小，对电源容量的需　求将越大，这将会引起：　（１）系统中输送的总电流增加，使得供电系统　中的电气元件，如变压器、电器设备、导线等容量增　大，从而使工厂内部的起动控制设备、测量仪表等规　格尺寸增大，因而增大了初投资费用；　（２）由于无功功率的增大而引起的总电流的增　加，使得设备及供电线路的有功功率损耗相应地　增大。　（３）由于供电系统中的电压损失正比于系统中　流过的电流，因此总电流增大，就使得供电系统中的　电压损失增加，使得调压困难。　（４）对电力系统的发电设备来说，无功电流的　增大，对发电机转子的去磁效应增加，电压降低，过　度增大激磁电流，则使转子绕组的温升超过允许范　围，为了保证转子绕组的正常工作，发电机就不能达　到预定的出力。此外原动机的出力是以有功功率衡　量的，当发电机发出的视在功率一定时，无功功率的　增加，导致原动机的出力相对降低。　３　提高自然功率因数　提高自然功率因数，就是不添置任何补偿设备，　采取措施减少供电系统中无功功率的需要量。它不　需要增加投资，是最经济的提高功率因数的方法。　在不进行任何人工补偿之前，首先从提高自然功率　因数着手来改善企业的功率因数，能收到既节电又　减少开支的效果。　在企业中提高自然功率因数的主要措施如下：　（１）调整工艺加工过程，改善设备的工作状况，　使电能得到最好的利用。　电动机、变压器等电感性负载，励磁无功功率在　满载和轻载时变化不大，而轻载时有功功率较小，所　以功率因数较低。此时可以采用小容量电动机代替　负荷不足的大容量电动机；或者将电动机的定予绕　组由△形改接成Ｙ形，减少无功功率。还应感　应电动机空载运行。　（２）合理选用变压器；　根据变压器的最佳负荷系数合理选用变压器，　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００７年第１期　《贵州电力技术》　（总第９１期）　将变压器进行更换及调整，在负荷小的时候切除部　纯电容的电流则超前于电压９０７，电容中的电流与　分变压器，这样可以减少无功功率的需求量，使自然　功率因数得到提高。　电感中的电流相差１８０７，能相互抵消。　电力系统中的负载大部分是感性的，因此总电　流将滞后电压一个角度，如图１所示，将并联电容　（３）条件允许时，用同等容量的同步电动机代　替感应电动机。　在工艺条件允许的情况下，采用同步电动机代　器与负载并联，则电容器的电流将抵消一部分电感　电流，从而使总电流从减小到，功率因数将由此　　替感应电动机是提高工厂功率因数的经济方法。同　提高。步电动机与感应电动机比较具有以下的优点。　４．２并联电容器的补偿方法　并联电容器补偿应以无功就地平衡为原则，安　①调节同步机的励磁电流，就可以使其在超前　的功率因数下工作，改善电网的功率因数。　②同步电动机的转矩与电网电压的一次方成比　例，故对电网电压波动的敏感性小。　③由于电动机的外形尺寸主要由视在功率决　定，在相同的有功功率时，由于同步机的功率因数　装电容器进行无功补偿时，主要采用下列三种补偿　形式。　（１）个别补偿。即在用电设备附近按其本身无　功功率的需要量装设电容器组，与用电设备同时投　入运行和断开。这种补偿方法的效果较好，电容器　靠近用电设备，就地平衡无功电流，可避免无负荷时　大于感应机的，所以同步电动机的外形尺寸较感应　电动机小。　的过补偿，最大限度的降低无功损耗，使电压质量得　到保证。这种补偿方式适用于长期稳定运行，无功　４功率因数的人工补偿　在企业供电系统中通常采用电容器、调相机和　功率需要量较大，或距电源较远，不便于实现分组补　偿的场合。　（２）分组补偿。即将电容器组分组安装在车间　静止补偿器对功率因数进行补偿。这三种无功功率　电源中，调相机和静止补偿器可平滑地改变它们所　供应和吸取的无功功率，而电容器则只能成组地投　入、切除。调相机所供应的感性无功功率随端电压　的下降而增加。电容器与调相机相反；静止补偿器　配电室或变电所各分路出线上，它可与工厂部分负　荷的变动同时投入或切除。和个别补偿相比，它的　优点是利用率较高，同时所需的电容器总容量也会　少些。　可根据其端电压的变化迅速改变它的无功功率。调　相机的单位容量投资最大，静止补偿器次之，电容器　投资最少。此外电容器可分散安装，随意拆迁．从而　可靠近负荷中心安装，获得更理想的技术经济效果，　（３）集中补偿。即把电容器组集中安装在变电　所的一次或二次侧的母线上。这种补偿方法，安装　简便，运行可靠，利用率较高。　参考文献　调相机和静止补偿器则没有这一优点。下面就介绍　一１苏文成．工厂供电．机械工业出版社，１９９７，１０．　２　姜文贤．改善功率因数，降低电能损耗．哈尔滨铁道科技，　２０００，１．　下电容器如何补偿功率因数。　在交流电路中，纯电阻电路，负载中的电流与电　４．１并联电容器补偿　３陈珩．电力系统稳态分析．水利电力出版社，１９８５，５．　（收稿日期：２００６１０１０）　压同相位，纯电感负载中的电流滞后于电压９０７，而　匈　匈却　匈　【上接第３Ｏ页）　ＲＪ热继电器　经过这样的改造后，既满足了以往的运行方式，　说明：ｌＺＪ是扩容出Ｅｌ，３ＺＪ是停止出Ｅｌ，　２ＪＣ过流和温度启动冷却系统的接触器　４ＪＣ：带自保持的接触器。４ＪＣ１自保持接点。　３ＺＪｌ、２ＪＣ１是防止温度启动和远动不协调。　同　时防止是２ＪＣ启动后４ＪＣ自保持。　同时也增加了系统的可靠性，又满足了远方操作的　实。所以，今后的变压器的的冷却方式，应满足远方　切换方面的要求。才能达到全部远方操作。　（收稿日期：２００６１１０６）　４ＪＣ１、２ＪＣ１的主接点并接　・６５・