负荷功率因数自动补偿的研究——毕业设计论文.doc

前言近年来，由于电网容量的增加, 对电网无功的要求也与日增加。无功电源如同有功电源一样，是保证电力系统电能质量，电压质量，降低网络损耗以及安全运行所不可缺少的部分。在电力系统中，无功要保持平衡，否则，将会使系统的电压降低、设备损坏、功率因数下降，严重时会引起电压崩溃、系统解裂、导致设备损坏而造成大面积的停电事故，从而使电气设备得不到充分的利用，促使网络传输能力下降，损耗增加。因此，解决电网的无功容量不足，增加无功补偿设备，提高网络的功率因数，对电网的降损节电，安全可靠运行有着极为重要的意义。无功功率自动补偿装置就是本设计负荷功率因数自动补偿的研究所研究的重点。它正是基于电网自身的特点出发，能根据电网中无功功率的大小及性质并按电压整定范围和功率因数整定要求，通过检测功率因数而自动的投于或切除电容器组，从而提高电压质量，改善企业功率因数运行水平、节约电能、提高供用电设备的利用率。本设计要完成的主要内容有阐述功率因数的意义和无功补偿原理，分析各种功率因数自动补偿的方法，并设计出一种静态功率因数自动补偿新方案和对动态功率因数自动补偿作出一定程度的研究。 1 绪论随着国民经济的快速发展、生产机械化、自动化程度不断提高、人民生活大幅度改善、家用电器逐渐普及，促使用电量迅速增长。电力紧缺不仅成为众人皆知的普遍现象，而且也成为制约国民经济发展的瓶颈。因而节电工作是摆在所有电力用户面前的严峻问题，而节约电能充分发挥电能作用，减少电能损耗，提高电网功率因数，并保持在合适范围内是提高供电质量的有效途径。负荷功率因数自动补偿的研究就是为实现这一目的而开展的研究课题。1.1 研究的必要性功率因数自动补偿技术即无功补偿技术适用于电力系统及各行业用电单位。对于电力系统通过采用无功补偿技术可以降低线损、提高末端电压、保证供电质量、还能挖掘发供电设备的潜力、减少用户电费支出等。因此采用无功补偿可以提高功率因数，是一项投资少、收效快的节能措施。所以负荷功率因数自动补偿的研究这门课题就显得非常必要了。1.2 研究的方案探讨 合理的无功补偿方案研究是一条投资少、见效快、收益高、切实可行、能较大幅度降低线损，提高电能质量的有效途径。 补偿无功，提高功率因数主要是为了减少无功功率在网络的流动，减少线损，提高经济效益。采用电力电容器进行无功补偿是众所周知的节能降损，对改善电网电压质量最方便，最经济的方法之一。目前，采用的补偿方式主要是低压集中补偿和低压就地补偿。而就地补偿的补偿范围最大，补偿效果最好，但这种补偿方式总的投资较大，利用率较低，主要适用于负荷稳定，不可逆且容量较大的设备（如风机，水泵等）、容量虽小但数量多且是长期稳定运行的设备。其它各种场合仍以集中补偿为主。而国内目前采用的集中补偿技术全部是静态的，即均以电磁型电流接触器作为投切开关，由于该补偿装置受电容器承受涌流能力、放电时间及电容器分级，以及接触器操作频率、使用寿命等因数制约，因而存在许多不尽人意之处。因此，需要研制开发一种免维护、无噪音、无涌流、设计合理的快速补偿装置是势在必行。近几年，由于新型电子元器的不断发展，对补偿技术的分析研究，静态无功补偿装置就为一种新型快速补偿装置的研制开发提供了物质和技术上的支持和保证。无功功率动态补偿装置就是在这中情况下产生的。它是一种采用电力电子器件作为容性无触点开关来对电力电容器实行快速无涌流投入或切除进而实现对电网所需无功进行快速补偿的装置，是一种高科技含量的高效型节能产品。 该装置与传统的无功功率静态补偿装置相比具有明显的优点，并且它不仅适用与目前静补装置的所有场合，而且还适用于那些无功负荷变化快，冲击负荷较大的场合。是一种理想的补偿装置。 2 功率因数与补偿原理2.1 功率因数功率因数是电力系统特别是用电户的一项重要电气指标。提高负荷的功率因数可以使发、变电设备和输电线路的供电能力得到充分的发挥，并能降低各级线路和供电变压器的功率损失和电压损失，因而具有重要的意义。2.1.1 功率因数的概念 电力系统中，电动机及其它带有线圈（绕组）的设备很多。这类设备除了从电源取得一部分电功率作有功用外，还将耗用一部分电功率用来建立线圈磁场。这就额外地加在了电源的负坦，功率因数cos(也称力率）就是反映总电功率中有功功率所占的比例大小。电力网除了要负担用电负荷的有功功率p,还要负担负荷的无功功率q。有功功率p、无功功率q和视在功率s之间存在下述关系，即 而 被定义为电力网的功率因数，其物理意义是线路的视在功率s供给有功功率的消耗所占百分数。2.1.2 提高功率因数的意义 1）能提高企业用电设备的利用率因为功率因数还可以表示成下述形式 其中 u线电压（kv）i线电流（a）可见，在一定的电压和电流下，提高cos，其输出的有功功率越大。因此，改善功率因数是充分发挥设备潜力，提高设备的利用率的有效方法。2）可减少电压损失，提高电压质量电力网电压损失可用下式表示 可以看出，影响u的因素有:线路的有功功率p、无功功率q、电阻r和电抗x。若采用容抗为的电容来补偿，则电压损失为 故采用补偿电容提高功率因数后，电压损失u减少，从而改善了电压质量。3）可减少线路的功率损失，提高电网输电效益当线路通过电流i时，起有功损耗 或 可见，线路的有功损耗p与 cos成反比，提高功率因数 cos，有功功率p减少，从而提高了电网的输电效益。4）能提高电力网的传输能力视在功率与有功功率成下述关系 可见，在传输一定有功功率p的条件下，cos越高，所需视在功率越小。5）可节约电能，降低生产成本，减少企业的电费开支由于从发电厂发出的电能有一定的总成本，提高功率因数可减少网络和变压器中的电能损耗。在发电设备容量不变的情况下，供给用户的电能就相应增多了，每度电的总成本就会降低。 总之，提高用户的功率因数具有重大的经济意义，所以国家奖励企业提高功率因数。2.1.3 提高功率因数的方法 提高功率因数的关键在于尽量减少电力系统中各个部分所需用的无功功率，特别是减少负荷从电网中取用的无功功率，使电网在输送一定的有功功率时，尽量少输送或不输送无功功率。提高功率因数的方法可分为两大类:1) 提高用电设备本身的功率因数（1） 正确选择电气设备 选气隙小，磁阻小的电气设备。如选电动机时，若没有调速和起动条件的限制，应尽量选择鼠笼式电动机。 同容量下，选择磁路体积小的电气设备。如高速开启式电机，在同容量下，体积小于低速封闭和隔爆型电机。 电机，变压器的容量选择要合适，尽量避免轻载运行。 对不需调速，持续运行的大容量电机，如主扇，压风机等，有条件时尽量选用同步电机。同步电机过激磁运行时，可以提供容性无功，提高用电系统的功率因数。（2）电气设备的合理运行 消除严重轻载运行的电机和变压器。对于负荷小于40额定功率的感应电动机，在能满足起动、工作稳定性等要求条件下，应以小容量电机更换或将原为三角形接法的绕组改为星形接法，降低激磁电压。对于变压器，当其平均负荷小于额定容量的30时，应更换变压器或调整负荷。 合理调度安排生产工艺流程，限制电气设备空载运行。 提高维护检修质量，保证电机的电磁特性符合标准。 进行技术改造，降低总的无功消耗。如改造电磁开关使之无压运行，即电磁开关吸合后，电磁铁合闸电源切除仍能维持开关合闸状态，减少运行中无功消耗；饶线式感应电动机同步化，使之提供容性无功功率等。2） 人工补偿提高功率因数人工补偿提高功率因数，这是一种使用供应无功功率的设备就地补偿用电设备所需要的无功功率，提高功率因数的方法。当用户在采用了各种“自身提高”的措施后仍达不到规定的要求时，就要考虑增设人工补偿装置，人工补偿法一般有四种类型:(1) 并联移相电容器组其原理主要是利用电容器产生的无功功率与电感负载的无功功率相互交换，从而减少负载向电网吸取的无功功率，使得补偿装置处以前的电网无功负荷减少，即提高了整个负荷相对电源的功率因数。并联电容补偿法具有投资省、有功功率损耗小、运行维护方便、故障范围小、无振动与噪声、安装地点较灵活等优点。其缺点是只能有级调节而不能随负荷无功功率需要量的变化进行连续平滑的自动调节。 (2) 采用同步调相机同步调相机实际上就是一个大容量的空载运行的同步电动机，其功率大多在5000kw及以上，在过激磁时，它相当于一个无功发电机。其显著的优点是可以无级调节无功功率，但也有造价高，有功损耗大、需要专人维护等缺点。因而主要用于电力系统的大型枢纽变电所，来调整区域电网的功率因数。(3) 采用可控硅静止无功补偿器这是一种性能较优越的动态无功补偿装置，有移相电容器、饱和电抗器、可控硅励磁调节器及滤波器等组成。其特点是将可控的饱和电抗器与移相电容器并联作用，电容器可补偿设备产生的冲击无功功率的全部或大部。当无冲击无功功率时，则利用由饱和电抗器所构成的可调感性负载将电容器供给的过剩的无功吸收，从而使功率因数保持在要求的水平上。滤波器可以吸收冲击负荷产生的高次谐波，保证电压质量。这种补偿方式的优点是动态补偿反应迅速、损耗小、特别适合对功率因数变化剧烈的大型负荷进行单独补偿。(4) 采用进相机改善功率因数进相机也叫转子自激相位补偿机，是一种新型的感性无功功率补偿设备。只适用于对绕线式异步电动机进行单独补偿、电动机容量一般为95-1000kw。其补偿原理如下:工作时进相机与绕线式异步电动机的转子绕组串联运行，主机转子电流在进相机绕组上产生一个转速为=3000/p的旋转磁场；进相机由辅助电动机拖动顺着该旋转磁场的方向旋转；当进相机转速n时，其电枢上产生相位超前于主机转子电流90的感应电势迭加到主机转子电势上，改变了主电动机转子电流的相位，从而改变了主电动机定子电流的相位。调整就可以使主电动机在cos=1的条件下运行。这种补偿方法的优点是投资少，补偿效果好，而且彻底，还可以大大降低主电动机的负荷电流，因而节电效果也很显著，一般运行两、三个月后就可以收回装置进相机的投资。起缺点是进相机本身是一旋转机构，还要由一辅助电动机拖动，故增加了维护和检修的负担，另外它只适宜负荷变动不大的大容量饶线式电动机，故应用受到一定的限制。2.2 无功补偿理论 ，电网中的电力负荷如电动机、变压器等，大部分属于感性负荷，在运行过程中需向这些设备提供相应的无功功率。在电网中安装并联电容器等无功补偿设备以后，可以提供感性电抗所消耗的无功功率，减少了电网电源向感性负荷提供、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，因此可以降低线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗，这就是无功补偿。无功补偿可以提高功率因数，是一项投资少，收效快的降损节能措施。 2.2.1 无功补偿原理并联电容器的无功补偿线路，可以用r、l、c交流电路及相量图表示，当无电容器接入电路时（不进行补偿），电路中电流为，相角为，接入电容器c后，由于电容电流相位超前电压90而抵消一部分相位滞后电压90的感性电流，使电流减少到，从而功率因数从提高到采用并联电容器组提高功率因数的这种方法就是利用电容器产生的无功功率抵消一部分电感负载的无功功率。从相量图可以看出，由于并联电容器，使功率因数角发生了变化，所以该并联电容器又称为移相电容器。如果电容器容量选择得当，可把减少到0，cos提高到1，这就是并联补偿的工作原理。如图2-1所示: c l r - r、l、c交流电路 相量图 图2-12.2.2 无功补偿的意义1） 降低线路损失当电流通过电阻为r的线路时，其功率损失为 或 式中 i通过线路的电流，a q线路传输无功功率，kvar cos线路负荷的功率因数。 由于有功损耗与cos成反比，所以提高功率因数cos可以大大降低损失。2） 增加电网的传输能力，提高设备利用率。若和为补偿前后的有功功率，和为补偿前后的功率因数 ， 则 为补偿前后的有功功率增量。从上式可见，在视在功率s不变的前提下，线路传输功率将有所增加，其增加值为。3） 减少设备容量 在保证有功负荷p不变的条件下，增加无功补偿时，可以减少设备容量。这是因为 当cos提高后，在输送同样的有功功率的情况下，上式的是负值，即可以减少视在功率。4） 改善电压质量 配电线路电压损失的计算公式是 电压损失率的计算公式是 式中 r、x 线路的电阻和电抗， 线路电压， kv当线路加装补偿电容器后，则其电压损失减少值为 = =其中， =可见，当加装补偿电容器后，可使电压损失下降，起下降值为。5） 减少用户电费开支 用户电费的减少包括两个方面，一是因为线损降低而节约了电费开支，二是由于功率因数提高而节省费用；（1） 因线损降低而减少的电费： 1）直接按线路和变压器损失降低计算 2）用无功经济当量估算节约的电费开支 式中 f减少的电费开支，元； 减少的线路损失，kw； 减少的变压器损失，kw； 无功功率经济当量，kw/kvar； 无功补偿容量，kvar； t 补偿装置运行小时数，h； 单位有功电度价格，元/kwh； 补偿设备的介质损耗，kw/kvar。（2） 由于功率因数提高而减少的电费开支 1) 可以避免因功率因数低于规定值而受罚。2) 可以减少用户内部因传输和分配无功功率造成的有功功率损耗，因而相应可以减少电费的支出。综上所述，采用无功补偿可以提高功率因数，是一项投资少，收效快的节能措施。并联补偿电容器原理简单、使用方便、运行经济、投资省、可以分组投切保证电压合格率和合理的功率因数。我国各地区配网和农网很多地方平均功率因数偏低，有降低线损的潜力。通过计算，采用补偿电容器进行合理的补偿一定能取得显著的经济效益。2.2.3 无功补偿容量的确定用电容器改善功率因数可以获得经济效益，但是，电容性负荷过大会引起电压升高，带来不良的影响。所以，在用电容器进行无功补偿时，应适当选择电容器的安装容量。1） 从提高功率因数需要确定补偿容量如果电力网最大负荷月的平均有功功率为，补偿前的功率因数为补偿后的功率因数为，则补偿容量可用下述公式计算或写成有时需要将提高到大于，小于，则补偿容量应满足下述不等式式中所需补偿容量（kvar）最大负荷日平均无功功率（kvar）最大负荷日有功功率（kvar）应采用最大负荷日平均功率因数，确定必须适当，通常，将功率因数从0.9提高到1所需的补偿容量，与将功率因数从0.72提高到0.9所需的补偿容量相当。因此，在高功率因数下进行补偿其效益将显著下降。这是因为在高功率因数下，曲线的上升率变小，因此，提高功率因数所需的补偿容量将要相应的增加。2） 从降低线损需要来确定补偿容量线损是电力网经济运行一项重要指标，在网络参数一定的条件下，其与通过导线的电流平方成正比。如设补偿前流经电力网的电流为，其有、无功分量为和，则 =- 若补偿后，流经网络的电流为，其有、无功量为和，则 =- 但是，加装电容器后，将不会改变补偿前的有功分量，故有 如图2-2所示：= 图2-2 补偿前后无功电流变化图补偿前的线路损耗为 补偿后的线路损耗为 补偿后线损降的百分值 = 而补偿容量 因此，补偿容量与前面是一致的。3） 从提高运行电压需要来确定补偿容量在配电线路的末端，运行电压较低，加装补偿电容后，可以提高运行电压，这样就产生了按提高电压的要求来选择多大的补偿电容的问题。此外，在网络电压正常的线路中，装设补偿电容时，网络电压的压升不能越限，为此也必须求出补偿容量和网络电压增量之间的关系。当装设补偿电容以前，网络电压可以表示为： 补偿电容后，电源电压不变，变电所母线电压升到，且 所以 式中 投入电容后母线电压值（kv）； 投入电容后电压增量（kv）。 三相所需总容量 可见，三相补偿容量的表达式与单相补偿容量的表达式是一样的，唯一的区别是所包含的电压和电压的增量是线压和相压的区别而已。4） 用补偿当量来确定补偿容量由上面可知 当采用补偿当量来确定补偿容量时，可将线路分为n段，算出每段的有功损耗值，即 式中 第i段线路的补偿容量； 第i段线路的无功功率； 第i段线路的电阻。则n个线段有功损耗的减少的总值为 因此，补偿容量为 3.利用静电电容器的补偿方法3.1 概述补偿无功，提高功率因数主要是为了减少无功功率在网络的流动，减少线损，提高经济效益。而采用静电电容器进行无功补偿是众所周知的节能降损，对改善电网电压质量最方便，最经济的方法之一。将电容器与网络感性负荷并联是补偿无功功率的传统方法，并联电容器补偿无功功率具有结构简单，经济方便等优点，在国内外获得了广泛的应用。它（又称移相电容器）是一种无功电源，它的主要用途是补偿电力网中感性负荷需要的无功，提高网络的功率因数，并兼有调压的辅助作用。并联电容器补偿的联结方式分为单相三相星形三相三角形三种。在实际接电中，为了满足补偿容量的需要，往往采用多台电容器并联或串联组成电容器组，若每台电容器的容量均为c0，则由m组并联，由n台串联组成的电容器组总容量为：cm/n* c0并联电容器发出的无功功率与电压平方成正比，当电网传输的无功较大，补偿点的电压偏低，需要大量无功使电压恢复时，电容器发出的无功反而随电压的下降成平方关系减小，促使电压更趋于下降。相反，当补偿点电压偏高，需要减少无功时，电容器随电压升高而增发无功，又促使电压升高。电容器这种无功特性满足不了电网调压要求，为此，常用带负荷调压变压器与并联电容补偿配合使用的运行方式。如果没有带负荷调压装置，一般是将电容器组分成若干组，实行分组投切。当电网电压降低或负荷功率因数减少时，投入部分电容器组；反之，则切除部分电容器组。并联电容器由于具有设备简单安装和维护方便本身损耗低节电效果显著等优点，在电力网的无功补偿中得到广泛的应用。3.2 并联电容器组的自动投切 对于电业和用户安装众多并联电容器组装置的管理控制，是关系到电能质量和电网安全经济运行的一个重要问题。电网中大多数电容器组是采用人工监控，在要求频繁投切的场所，人工操作对运行人员是件繁重的工作，且难以实现及时准确地操作。如电容器组该投的未投或该切的未切势必引起“过补偿”或“欠补偿”，加大了电网电压波动，影响了供电质量，严重是还会影响电气设备的使用寿命。所以并联电容器组实现自动投切是十分必要的。3.2.1 电容器的分组 为了既具有良好的补偿效果，又不使高压开关频繁通断，对电容器正确的分组几显得很必要了。在进行分组时，原则上把电容器的分组数分得越多，高压开关切换次数越高，投切速度越快，电网的补偿效果就越好，但是，组数越多，需要的控制设备越多，投资就会增大。因而，在满足用户的补偿要求时，要使电容器的组数较小为好。高压开关的投切速度也应该有一定的限制，从而减少高压开关的投切速度，因为在一些电器设备刚投于运行时，功率因数较低，如果投切速度较快，则会在起初时使电容器投入过多，而在正常运行时又要切除电容，从而使高压开关投切次数增多，使高压开关变坏。一般将电容器分成3-4组较适宜。同时根据电网运行规律，可以固接一组电容器用来补偿电网运行时在最轻负荷时的无功功率，这样不仅使电网无功功率适当减少，同时也可以使补偿器的补偿容量增大，还有利于电容的分组，同时也使控制部分线路得到简化，得到了比较理想的补偿效果。3.2.2 电容器的投切 电容器的投切顺序为：“先投先切，后投后切”，同时电容器的容量在前的大于后边的容量，这主要是因为高压电网在开始运行负荷时负荷变化较大，正常运行时负荷变化比较小，这样的投切顺序使先投入的电容器处于长期工作状态，目前电容器的热老化已不是最主要问题，只要电容器不过压，就不会出现严重的老化问题，同时这样的设置使线路得以简化，投资也相应的减少了。3.2.3 并联电容器的连接 并联补偿电容器与电力网连接时，额定电压应相等，在三相供电系统中，单相电容器的 与电力网 相同时，电容器应采用三角形接法，如果接为星形，则使电容工作在相电压即值，而电容器的补偿容量为 ，所以无功出力将为三角形接法时的倍，是电容器的不到充分的利用。另外，由于电容器脱离电流后，有残余电荷存在，如不放电的话，可能会使检修人员发生触电，因而必须装有放电电路，现在的一般厂家制造时都内设有放电电阻，当电容器从电网断开后会自行放电。而对没有放电电阻的电容器连接时还必须为其装上放电回路。3.3 利用静电电容器的补偿方法1）就地补偿就地补偿又称“个别补偿”，电容器直接装于用电设备附近，与电动机的供电回路相并联，常用于低压网络，其优点是可以减少配电网至用户的供电线路的无功负荷和用户内部配电变压器，低压线路的无功负荷，相应的减少线路和变压器的有功电能损耗；还有利于减少配电变压器的容量和配电线路的导线截面，因而补偿效果最好。其缺点是由于电动机经常开停，电容器的利用率较低，投资较大；电容器安装在电动机和用电设备附近可能会受到震动；如果电容器容量选择不当，还有可能使电动机产生自励磁现象，使电动机受到损坏。因此，就地补偿通常适用于经常投入运行，负荷比较稳定的中小型低压电动机，如拖动水泵，风机，空气压缩机，球磨机等设备的电动机等。对变速运行，正反方向运行，点动，堵转，反接制动的电动机则不宜用。2）分散补偿实践中常用的有以下几种方式：（1）高压电容器分组安装于城乡电网10(6)kv配电线路的杆架上。(2)低压电容器安装在公用配电变压器的低压侧。(3)低压电容器安装于电力用户各车间的配电母线上。其优点是：补偿设备的利用率比就地补偿高。缺点是：只能减少高压配电线路和变压器的无功负荷，而低压配电线路的无功负荷未能减少，由于分散安装，维护上也比较不方便。3) 集中补偿通常只装于地区变电所或高压供电电力用户降压变电站母线上的高压电容器组，也包括集中装设于电力用户总配电室低压母线上的电容器组。其优点是：易于实现自动投切，利用率高，维护方便，事故少，能减少配电网，用户变压器及专供线的无功负荷和电能损耗。缺点是不能减少电力用户内部各条配电线路的无功负荷和电能损耗。4）静态补偿电容柜的控制器测出电路的功率因数并决定要补偿的电容器，并投入电容器补偿，需要一定的时间。特别是某个或几个电容器从电路中切除后需要有一定的时间间隔进行放电，才可以再次投入。有的负载变化快，这时电容器的切除、投入的速度跟不上负载的变化，所以称为静态补偿。 静态补偿的优点是价格低，初期的投资成本少，无漏电流；其缺点是涌流大，即使采用了限流接触器，涌流仍可达到电容器工作电流的十几倍。寿命短，故障多，维修费用多。 5) 动态补偿。采用可控硅控制电容器的接人和切除，选择电路上电压和电容器上电压相等时投入、切除，此时流过可控硅和电容器的电流为零。解决了电容投入时的涌流问题。动态补偿的优点：无涌流，无触点，使用寿命长，维修少，投切速度快(20ms)；其缺点是价格高，发热严重，耗能，有漏电流。 6）静、动结合的补偿实际上就是静态与动态补偿的混合，一部分电容器组使用接触器投切，而另一部分电容器组使用电力半导体器件。这种方式在一定程度上可做到优势互补，但就其控制技术，目前还见到完善的控制软件，该方式用于通常的网络如工矿、小区、域网改造，比起单一的投切方式拓宽了应用范围，节能效果更好。补偿装置选择非等容电容器组，这种方式补偿效果更加细致，更为理想。还可采用分相补偿方式，可以解决由于线路三相不平行造成的损失。总之，在无功功率补偿装置的应用方面，选择那一种补偿方式，还要依电网的状况而定，首先对所补偿的线路要有所了解，对于负荷较大且变化较快的工况，电焊机、电动机的线路采用动态补偿，节能效果明显。对于负荷相对平稳的线路应采用静态补偿方式，也可使用动态补偿装置。对于一些特殊的工作环境就要慎重选择补偿方式，尤其线路中含有瞬变高电压、大电流冲击的场合是不能采用动态。补偿的。一般电焊工作时间均在几秒钟以上，电动机启动也在几秒钟以上，而动态补偿的响应时间在几十毫秒，按40毫秒考虑则从40毫秒到5秒钟之内是一个相对的稳态过程，动态补偿装置能完成这个过程。如果线路中没有出现这么一段相对的稳态过程并能量又有较大的变化，我们把它称为瞬变或闪变，采用动态补偿就要出问题并可能引发事故。 3.4 利用静电电容器自动补偿时应注意的问题 3.4.1 过电流 电容器允许长期过电流为额定电流的130%，如果电流再大，将会使电容器过热而损坏电容器。1) 电容器组投入电网时产生的合闸涌流电容器组投入电网时，由于在这瞬间电容器两端电压不能跃变，相当于电流合闸到短路上，因而产生频率很高，幅值很大的电流，该电流就称为合闸涌流，一般为正常幅值的6-8倍。由于合闸涌流的频率高达khz，幅值也大，故对断路器的灭弧产生了很大的机械应力，是灭弧受到破坏，为防止合闸涌流造成的破坏 ，应尽量避免频繁投切或在电容器组串入小值电抗器来降低频率和幅值。2) 运行电压升高使电容器过电流电容器的无功功率与运行电压的平方成正比，所以电压升高，无功电流也增大，将会使电容器的温度升高而损坏其质量，缩短其使用寿命。预防措施是设法降低运行电压，如调分头等。3) 电源电压波形畸变造成电容器过电流电力系统中，由于采用了大功率可控硅整流器作为直流电源的广泛应用，电解工艺和电气化铁路的发展，变压器铁芯的饱和等都将会使电压的波形发生畸变，而由波形畸变而造成的谐波将会是电容器产生严重的过负荷现象。为防止高次谐波造成的影响，用户首先应采取相应的有关措施来降低高次谐波的分量，其次是与电容串联电抗器，电抗器的选择应使得补偿回路对基波来说呈容性，对高次谐波来说是呈感性，同时，电抗器电抗值应大于最低次谐波谐振值，并使其它次谐波也不谐振。4) 重合过电流电容器使用后停用，如果很快又投入的话，因残余电荷未充分放电而存在残压，将会出现大冲击电流，因而在进行手动投切时应控制好投切时间，不应在刚切除后又将改组投入，应保证一定的时间使电容充分的放电后，其残余不会超过额定的10%。3.4.2 过电压加于电容器两端的电压高于电容器的额定电压时，将对电容器的使用寿命不利。一方面使温度升高，甚至导致热不平衡；另一方面。使油浸纸绝缘介质在交电场作用产生老化，使绝缘强度降低而发生击穿，因而应尽量避免过电压的出现，当无法避免时应装设过电压保护装置。1） 开关设备性能导致的过电压电容器在切除时，如果开关不重燃，开断时不会产生过电压，当开关性能不符要求时将产生过电压，在切断某相电容时，此时电流为零，则电容器端子上电压达到最高为电源电压最大值，此时电弧很小很容易熄灭，但是半个周期后，电源电压达到反相最大值，则电容器的电压将与电源电压行成 的电压加于开关断口上，此时，若开关断口的距离还未达到足够的距离或者断口去游离作用不够时，断口就有可能被击穿，此时行成的充电回路就可能出现高频振荡。因此，对开关设备来说应选用灭弧性能强的开关，如真空断路器和真空接触器，其灭弧性能强又适宜于频繁操作，对补偿装置来说是比较理想的开关设备。2） 运行电压过高造成的过电压装于送电端的电容器，由于变电所母线电压概要高于电容额定电压，也将电容器处于长期过电压情况下运行，对于这种过电压，对高压用户来说是较少的，如果不可避免的话，可以适当降低电网电压或改变补偿方式。3） 防谐振引起的过电压当电容器组与电抗串联为防止高次谐波谐振，接入电力网相电压时，加于电容器的电压可能超过额定电压，因而在防谐振引入串联电抗时应注意电抗值的大小，防止出现过电压。 4. 静态功率因数自动补偿方案设计4.1 功率因数自动补偿装置4.1.1自动补偿原理 众所周知，是电压与电流之间的相位差角，当纯电阻时，电压与电流同相，相位差角为零，这时的功率因数最大，（cos0=1），但是在一般供电系统中属于感性负载，负载增加时呈现的感性增加，功率因数值随之下降，为了提高功率因数值，就应当及时投入补偿电容器；当负载减少时，呈现得感性减弱，为了避免因过补偿而造成功率因数值得下降，则应当及时切除部分补偿电容。为了实现功率因数自动补偿，必须对电网的功率因数进行实时在线监测。矿山供电系统采用三相交流电，为了能真实反应三相电功率数值，应从a、c两相取电压信号，从b相取电流信号，相量图如图4-1所示： 图4-1 相量图当供电系统得功率因数为1，则与一定同相，也就是与相位差/2，超前/2。实际上系统的功率因数不为1。即与之间总存在一个夹角，因此，电压信号与电流信号之间得相位差角为。当角小于90时，负载呈容性，为过补偿；当角大于90时，负载呈感性，为欠补偿。测量角时即可得知供电系统当前得补偿状态，测量角时认为电源频率为稳定的50hz，测量电流信号与电流在过零之间的时间差为t，再乘以电源角频率即相位角4.1.2 补偿装置的基本结构及分类 现有无功自动补偿装置的种类很多，设计也各不相同，但基本上都是由四个部分组成：检测单元、主控单元、执行单元和电源。其逻辑关系框图如图4-2所示： 检测单元 主控单元 执行单元 电 源 图4-2 无功自动补偿装置的基本结构各部分功能如下：检测单元是从电网中检测到和网络功率因数直接或间接相关得参数，并将此参数信号转换成主控单元能接收得信号，传送给主控单元，由主控单元作出投切决策。主控单元接收到检测信号后，将其和目标值进行比较，并根据比较结果发出命令，经延时送给执行单元。执行单元接到命令后，通过投切开关（常为交流接触器）控制电容器组的投切，完成补偿任务。现在国内外自动补偿装置总括起来有以下两大类：1） 直接控制型这类控制器是以控制无功功率或功率因数为控制原则，因此可根据无功负荷的变化，实现最佳补偿，虽然它有成本较高、装置较复杂、不易维修的缺点，但是它有较高得补偿精度，适用于各类负荷。因此目前国内外广泛采用此控制原则。2） 间接控制型这类控制器是以控制与功率因数或无功功率相关的物理量（如时间、电流、电压）为控制原则，它的优点是在于装置简单可靠、成本低、易维修，但它只适用于无功负荷与其它物理量（时间、电压、电流）密切相关的条件下，因此不能普遍采用。4.1.3 功率因数自动控制器的发展概括功率因数自动控制器发展至今大体经历了三个阶段：1）早期产品其原理方框图如图4-3所示： 节拍信号 检测电路 放大 延时 脉冲 执行机构 发生器 检测单元 主控单元 执行单元 图4-3 早期产品的原理方框图检测单元由相敏放大器构成，它输出直流电压的大小标志无功电流得大小，输出直流电压的极性反映了无功电流是感性还是容性。主控单元由放大、延时电路组成，由射极跟随器构成的放大、延时电路对检测部分输出的直流信号进行放大，并按极性使相应的极性继电器动作，接通延时电路，经延时后使执行单元工作。执行单元由节拍发生器、继电器和步进选择器构成。延时继电器动作后，使节拍脉冲发生器产生周期性动作，驱使步进选择器每跳跃一步，即可投入或切除一组电容器。它们存在一个共性得缺点就是相敏放大器的晶体管始终工作在放大区。因此，相敏放大器输出电压的大小不可避免地受到了负载电流变化得干扰，给调试带来很大得困难，严重时还会损坏晶体管。2） 中期产品为了克服早期产品得缺点，生产厂家在线路上作了改进，采用了数字电子技术，其原理方框图如图4-4所示： 零封锁 m控制线 m 计 相 电 数及 可 输 信 角电 平 控延 逆 译 出号 检路 转 制时 计 码 电 测 换 逻电 数 器 路 辑路 器 振荡 电路 清零 全投封锁 检测单元 主控单元 执行单元 图4-4 中期产品原理方框图 工作原理是：检测单元利用运算放大器将用电网络中得电压和电流得相位差转换为不同极性得直流信号，电流信号取自于一相电流互感器次极取样电阻的两端，电压信号时由另外两相间线电压互感器降压后取得。检测单元将检测信号传给主控单元的电平转换电路, 当用电网络呈感性时, 电平转换输出高电平, 计数控制逻辑和延时电路输出低电平，由于此时m控制线呈高电平，可逆计数器做加法计算，经译码后向输出单元发出投入信号。执行单元接收到主控单元发出的命令后动作，控制主回路交流接触器将电容器分组投入。当功率因数逐渐达到0.95以上时，检测单元输出为零，主控单元停止工作，功率因数保持在最佳值。当用电网络呈容性时，检测单元输出的信号经主控单元的电平转换输出低电平，计数控制逻辑和延时电路输出低电平。由于此时m控制线呈低电平，可逆计数器做减法计算，经译码器译码发出切命令。输出单元接到命令后，控制主回路交流接触器将电容器分组切除。当电容器全部切除或投入的情况下，还不能使功率因数在设定范围时，装置主控单元的自锁功能起作用以防止装置损坏。如上的反复动作就是功率因数自动补偿的全部过程。3）目前产品从中期产品的工作原理可以看出它主要在主控单元做了改进，采用了可逆计数器，并增加了自保护功能。但是由于硬件线路复杂使得故障率高且不易维修，还不能实现循环投切使得电容器使用机率不高，自诊能力、抗干扰能力也差，因而仍需要许多方面的改进。近几年，由于微计算机技术的应用与发展，使功率因数自动补偿装置的发展步入了一个新的阶段。现已有这方面的产品出现即微电脑功率因数自动控制器，其基本原理框图如图4-5所示：信 相位检测电路 微处理器 输出电路号 常数 显示 设定 报警 检测单元 主控单元 执行单元图4-5 微电脑功率因数自动控制器原理方框图工作原理为：检测单元通过电压、电流互感器采得