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无功补偿 电仪部张胜春 什么是无功功率无功功率的作用无功分类什么是功率因数功率因数低的危害什么是无功补偿无功补偿的作用无功补偿方式无功补偿容量的确定十 无功补偿装置 一 什么是无功功率 许多用电设备均是根据电磁感应原理工作的 如配电变压器 电动机等 它们都是依靠建立交变磁场才能进行能量的交换和传递 为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率称为无功功率 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 因此 所谓的 无功 并不是 无用 的电功率 只不过它的功率并不转化为机械能 热能而已 因此在供用电系统中除了需要有功电源外 还需要无功电源 两者缺一不可 无功功率单位为乏 Var 二 无功功率的作用 无功功率决不是无用功率 它的用处很大 电动机需要建立和维持旋转磁场 使转子转动 从而带动机械运动 电动机的转子磁场就是靠从电源取得无功功率建立的 变压器也同样需要无功功率 才能使变压器的一次线圈产生磁场 在二次线圈感应出电压 因此 没有无功功率 电动机就不会转动 变压器也不能变压 交流接触器不会吸合 二 无功功率的作用 在正常情况下 用电设备不但要从电源取得有功功率 同时还需要从电源取得无功功率 如果电网中的无功功率供不应求 用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场 那么这些用电设备就不能维持在额定情况下工作 用电设备的端电压就要下降 从而影响用电设备的正常运行 三 无功分类 感性无功 电流矢量滞后于电压矢量90 如电动机 变压器 晶闸管变流设备等容性无功 电流矢量超前于电压矢量90 如电容器 电缆输配电线路等基波无功 与电源频率相等的无功 50HZ 谐波无功 与电源频率不相等的无功 四 什么是功率因数 四 什么是功率因数 实际供用电系统中的电力负荷并不是纯感性或纯容性的 是既有电感或电容 又有电阻的负载 这种负载的电压和电流的相量之间存在着一定的相位差 相位角的余弦cos 称为功率因数 又称力率 它是有功功率与视在功率之比 三相功率因数的计算公式为 四 什么是功率因数 式中 cos 功率因数P 有功功率 KWQ 无功功率 KvarS 视在功率 KVA当电网的负荷呈感性时 如电动机 电焊机等负载 这时电网的电流滞后电压一个角度 当负荷呈容性时 如过补偿状态 这时电网的电流超前于电压的一个角度 功率因数超前或滞后是指电流与电压的相位关系 五 功率因数低的危害 功率因数低无功分量占得比例大 对用电也产生一定的不良影响 主要表现在 1 降低发电机有功功率的输出 2 视在功率一定时 增加无功功率就要降低输 变电设备的供电能力 3 电网内无功功率的流动会造成线路电压损失增大和电能损耗的增加 4 系统缺乏无功功率时就会造成低功率因数运行和电压下降 使电气设备容量得不到充分发挥 六 什么是无功补偿 有功功率 无功功率 视在功率之间的相量关系如图一由式cos P S可知 在一定的有功功率下 功率因数cos 越小 所需的无功功率越大 为满足用电的要求 供电线路和变压器的容量就需要增加 这样 不仅要增加供电投资 降低设备利用率 也将增加线路损耗 为了提高电网的经济运行效率 根据电网中的无功类型 人为的补偿容性无功或感性无功来抵消线路的无功功率 六 什么是无功补偿 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 可以提供感性负载所消耗的无功功率 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 七 无功补偿的作用 无功补偿提高功率因数带来以下好处 1 降低电能损耗 2 改善电能质量 电网中无功补偿设备的合理配置 与电网的供电电压质量关系十分密切 合理安装补偿设备可以改善电压质量 3 挖掘发供电设备潜力 0 7与0 9 1 如需要的有功不变 则由于需要的无功减少 因此所需要的配变容量也相应地减少 电容器无功补偿原理 电力系统中网络元件的阻抗主要是感性的 需要容性无功来补偿感性无功 七 无功补偿的作用 2 在设备容量不变的条件下 由于提高了功率因数可以少送无功功率 因此可以多送有功功率 3 安装智能无功补偿设备 可使发电机多发有功功率 系统采取无功补偿后 使无功负荷降低 发电机就可少发无功 多发有功 充分达到铭牌出力 4 减少用户电费支出 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 功率因数指标 我国对功率因数的要求 对供电公司的要求 110KV站 功率因数在0 95 0 98之间 220KV站 功率因数在0 95以上 对用户的要求 100KVA以上的变压器 功率因数大于0 9 对农灌的要求 100KVA以上的变压器 功率因数大于0 8 七 无功补偿的作用 七 无功补偿的作用 5提高电力网传输能力有功功率与视在功率的关系式为 P Scos 可见 在传输一定有功功率的条件下 功率因数越高 需要电网传输的功率越小 八 无功补偿方式 1 集中补偿 装设在企业或地方总变电所6 35KV母线上 可减少高压线路的无功损耗 而且能提高本变电所的供电电压质量 2 分散补偿 装设在功率因数较低的车间或村镇终端变 配电所的高压或低压母线上 这种方式与集中补偿有相同的优点 但无功容量较小 效果较明显 八 无功补偿方式 3 就地补偿 装设在异步电动机或电感性用电设备附近 就地进行补偿 这种方式既能提高用电设备供电回路的功率因数 又能改变用电设备的电压质量 配置参考 对于小容量负载 按照负载总功率的25 40 配置智能电容器容量 无功补偿的节能只是降低了补偿点至发电机之间的供电损耗 所以高压侧的无功补偿不能减少低压网侧的损耗 也不能使低压供电变压器的利用率提高 根据最佳补偿理论 就地补偿的节能效果最为显著 无功补偿原则 集中补偿与分散补偿相结合 以分散补偿为主 调节补偿与固定补偿相结合 以固定补偿为主 高压补偿与低压补偿相结合 以低压补偿为主 九 无功补偿容量的确定 1 用电能平衡测试仪测取运行中三相异步电动机的输入功率和功率因数 如要提高到cos 2 则无功功率补偿容量为 Qc P tg 1 tg 2 KvarP为异步电动机的输入功率KW 1 补偿前的功率因数角 2 补偿后的功率因数角 一般取0 90 0 95qc 电容器补偿率 qc tg 1 tg 2 查表可知 九 无功补偿容量的确定 2 按异步电动机空载电流的计算方法确定其中电动机空载电流式中 电动机的额定电流A 电动机的自然功率因数 无功补偿容量的确定 十 无功补偿装置 电力系统的无功装置包括 同步电机并联电容器静止无功补偿器静止无功发生器这4种装置又称为无功补偿装置 也称无功电源 除电容器外 其余几种既能吸收容性无功又能吸收感性无功 1 同步电机 同步发电机 同步发电机是唯一的有功电源 同时又是最基本的无功电源发电机正常运行时 以滞后功率因数运行为主 向系统提供无功 但必要时 也可以减小励磁电流 使功率因数超前 即所谓的 进相运行 以吸收系统多余的无功 1 同步电机 同步调相机 同步调相机是空载运行的同步电机 它能在欠励或过励的情况下向系统吸收或供出无功 装有自励装置的同步电机能根据电压平滑地调节输入或输出的无功功率 这是其优点 但它的有功损耗大 运行维护复杂 响应速度慢 已逐渐退出电网运行 2 并联电容器 并联电容器补偿是目前使用最广泛的一种无功电源 由于通过电容器的交变电流在相位上正好超前于电容器极板上的电压 相反于电感中的滞后 由此可视为向电网 发出无功功率 并联电容器本身功耗很小 装设灵活 节省投资 由它向系统提供无功可以改善功率因数 减少由发电机提供的无功功率 电容器直接补偿的危害及防范措施 随着电力电子技术的飞跃发展 大量的使用以晶闸管为主要开关器件的整流及变频设备 这些设备都是产生大量谐波的发源地 无功功率补偿装置 电容器直接补偿 投入后 供电设备中的电器件 包括变压器 电抗器 电容器 自动开关 接触器 继电器 经常损坏 这就是谐波电流被电容器直接补偿引起的谐波放大后而造成的 电网谐波与并联电容器的运行有较大的关系 因为电容器可能使电网中的谐波电流放大 有时甚至在电网中产生谐振 使电器设备受到严重损坏 破坏 电容器直接补偿的危害及防范措施 电网的正常运行 在供电系统中作为无功补偿用的并联电容器 对于某次谐波若与呈感性的系统电抗发生并联谐振 则可能出现过电压而造成危害 过大的谐波电流可能使电容器寿命缩短 鼓肚 熔丝群爆甚至烧损 对配电网来说 抑制谐波是很必要的 对于并联电容器组 我们抑制谐波的方法主要是使用串联电抗器 相当于在电容旁边串联一个电抗 使得补偿回路的阻抗在某次谐波相对于感性负载来说呈感性 从而消除由于电路呈容性而带来的谐波震荡 3 静止无功补偿器 由晶闸管所控制投切电抗器和电容器组成 由于晶闸管对于控制信号反应极为迅速 而且通断次数也可以不受限制 当电压变化时静止补偿器能快速 平滑地调节 以满足动态无功补偿的需要 同时还能做到分相补偿 对于三相不平衡负荷及冲击负荷有较强的适应性 但由于晶闸管控制对电抗器的投切过程中会产生高次谐波 为此需加装专门的滤波电抗器 4 静止无功发生器 SVG的特点是可实现对动态连续无功补偿 并可实现感性无功和容性无功的补偿 使电网的功率因数稳定在0 98以上 SVG不仅对无功功率进行补偿 而且可对谐波电流实现补偿 它的主体是一个电压源型逆变