无功补偿设备知识讲座

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。
什么是无功功率

从物理概念来解释容性无功功率：由于电容器是贮 藏电场能量的元件，当电容器加上交流电压后，电 压交变时，相应的电场能量也随着变化。当电压增 大，电流及电场能量也就相应加强，此时电容器的 电场能量就将外电源供给的能量以电场能量形式贮 藏起来；当电压减小和电场能量减弱时，电容器把 电场能量释放并输回到外面电路中。交流电容电路 不消耗功率，电路中仅是电源能量与电场能量之间 的往复转换。
U
无功补偿的作用
2．提高变压器的利用率，减少投资
功率因数由cosφ1提高到cosφ2提高变压器利 用率为：
cos1 S1 S 2 S % 100% 1 100% S1 cos 2
由此可见，补偿后变压器的利用率比补偿前 提高ΔS%，可以带更多的负荷，减少了输变 电设备的投资。
无功补偿基础知识
什么是无功功率
电网中电力设备大多是根据电磁感应原理工
作的，他们在能量转换过程中建立交变的磁 场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率 相等。电源能量在通过纯电感或纯电容电路 时并没有能量消耗，仅在负荷与电源之间往 复交换，在三相之间流动，由于这种交换功 率不对外做功，因此称为无功功率。

需要注意的是：若电容器的实际运行电压与 电容器的额定电压不一致，则电容器的实际 补偿容量QC1为
UW QC1 U NC Q NC
2
式中：UW—电容器的实际运行电压 UNC—电容器的额定电压 QNC—电容器的额定容量
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，我国的工矿企业中 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。我们 在许多工矿企业中，经常遇到这样的情况，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
补偿方式的选择
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。

电能损耗

线损是电流在输变电设备和线路中流动产生的，因 而它由线路损耗和变压器损耗两部分组成。按损耗 的变化情况可划分为可变损耗和固定损耗。前者指 当电流通过导体和变压器所产生的损耗，包括变压 器的铜损和电力线路上的铜损，它与负荷率、电网 电压等因素有关，约占电网总损耗的80%~85% 。 后者指只要接通电源电力网就存在的损耗，包括变 压器的铁损，电缆线路、电容器及其他电器上的介 质损耗及各种计量仪表、互感器线圈上的铁损，它 与电网运行电压和频率有关，占总损耗15%~20% 。
无功补偿的作用
无功补偿的主要作用就是提高功率因数以减
少设备容量和功率损耗、稳定电压和提高供 电质量，在长距离输电中提高输电稳定性和 输电能力以及平衡三相负载的有功和无功功 率。安装并联电容器进行无功补偿，可限制 无功功率在电网中的传输，相应减少了线路 的电压损耗，提高了配电网的电压质量。
无功补偿的作用
无功补偿容量的确定

电容器的补偿容量与采用的补偿方式、未补偿时的 负载情况、电容器的接法有关。 1．集中补偿和分组补偿电容器容量计算 QC=Pav(tgφ1- tgφ2) 或 QC=Pav ×qc 式中：Pav—最大负荷的日平均功率 φ1—补偿前的功率因数角，可取最大负载时的值 φ2—补偿后的功率因数角，一般取0.90~0.95 qc—电容器补偿率，qc= tgφ1- tgφ2，查表可知
无功补偿的作用
3．减少用户电费支出
（1）可避免因功率因数低于规定值而受罚。 （2）可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，电费可相应降低。
无功补偿的作用
4
提高电力网传输能力 有功功率与视在功率的关系式为： P=Scosφ 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。
2
QC 10 3 C 2 3U L
无功补偿容量的确定
2．就地补偿电容器容量计算
Qc 3U N I 0 103 0.9
I 2I 1 cos 其中 电动机空载电流 式中：I —电动机的额定电流A COSN —电动机的自然功率因数
0 CN N
CN
无功补偿容量的确定

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。 *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。
谐波的放大和电抗率的关系

在同一条母线上，有非线性负荷形成的谐波 电流源时（略去电阻），并联电容器装置的 简化模型如图所示：
并联谐波阻抗为：
X nX s nX L C n Zn X nX S nX L C n
谐波的放大和电抗率的关系

当上式中谐波阻抗的分子数值为零时，即从谐波源 看入的阻抗为零，表示电容器装置与电网在第n次 谐波发生串联谐振，可得电容支路的串联谐振点: XC 1 X n K L （K为电抗率）
UI I
式中：cosφ1—基波功率因数 I1—基波电流 I—总电流 由上式可以看出：功率因数是由基波电流相移和电 流波形畸变两个因素决定的。总电流可以看成由三 个分量，基波有功电流、基波无功电流和谐波电流 组成。
什么是无功补偿

电力系统中，不但有功功率要平衡，无 功功率也要平衡。 有功功率、无功功率、视在功率之间的 相量关系如图一 由式cosφ=P/S可知，在一定的有功功率 下，功率因数cosφ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。
无功补偿的安排方式
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。
无功补偿的安排方式
电能损耗

我国与发达国家相比，线损较大。发达国家的线损 约为2%~3%，而我国在2006年的线损统计为7.1%， 所以线损的解决显得越来越重要。从前面的论述可 知，线损与电力用户的功率因数的平方成反比，故 提高功率因数是降低损耗的有效措施。装设并联补 偿电容器可减少电网无功输出量。在用户或靠近用 户的变电站装设自动投入的并联电容器，以平衡无 功功率，限制无功功率在电网中传送，可减少电网 的无功损耗，同时还可提高有功功率的输送量。
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cosφ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：
cos P P S P2 Q2
什么是功率因数
式中：cosφ—功率因数 P—有功功率，KW Q—无功功率，Kvar S—视在功率，KVA

1．提高电压质量 把线路中电流分为有功电流Ia和无功电流Ir，则线路中的 电压损失: PR QX l
U 3 I a R I r X l 3
式中： P—有功功率，KW Q—无功功率，Kvar U—额定电压，KV R—线路总电阻，Ω Xl—线路感抗，Ω 因此，提高功率因数后可减少线路上传输的无功功率Q，若 保持有功功率不变，而R、Xl均为定值，无功功率Q越小， 电压损失越小，从而提高了电压质量。
无功补偿容量的确定

(1)电容器组为星形接法时
Qc 3U L I C 103 CU L 103
2
式中：UL—装设地点的电网线电压V IC—电容器组的线电流A Cφ—电容器组每相的电容量 则
C
(2)电容器组为三角形接法时 则Q
c
QC 103 U L 2

3U L I C 103 3CU L 103
XL K
XC
当电网中的谐波不可忽视时，则应考虑使用电抗率 较大的电抗器，使电容支路对于各次有威胁性谐波 的最低次谐波阻抗呈感性。 根据上式可得： X 1
K
L
XC

n2
谐波的放大和电抗率的关系
可以ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ出：对于谐波次数为5次的，应有
K>4%，这就是说选择电抗率为4.5%～6%的 电抗器，不仅可以限制电容器投入时的合闸 涌流，而且能够有效地防止电容器投入引起 的对5次及以上谐波的放大。同理，对于谐波 次数为3次的，应有K>11%，一般取12%～ 13%。 XC 等值电路阻抗： Z n nX L n 0
功率因数指标
我国对功率因数的要求：