無功補償原理

電網中的電力負荷如電動機、變壓器等，大部分屬於感性負荷，在運行過程中需向這些設備提供相應的無功功率。在電網中安裝並聯電容器等無功補償設備以後，可以提供感性負載所消耗的無功功率，減少了電網電源向感性負荷提供、由線路輸送的無功功率，由於減少了無功功率在電網中的流動，因此可以降低線路和變壓器因輸送無功功率造成的電能損耗，這就是無功補償。

基本介紹

• 中文名：無功補償原理
• 外文名：Principle of reactive power compensation
• 類型：原理
• 領域：物理
• 相關：感性負荷

簡介

無功補償原理
當電網電壓的波形為正弦波，且電壓與電流同相位時，電阻性電氣設備如白熾燈、電熱器等從電網上獲得的功率P等於電壓U和電流I的乘積，即：P=U×I。
電感性電氣設備如電動機和變壓器等由於在運行時需要建立磁場，此時所消耗的能量不能轉化為有功功率，故被稱為無功功率Q。此時電流滯後電壓一個角度φ。在選擇變配電設備時所根據的是視在功率S，即有功功率和無功功率的矢量和： 　無功功率為:

有功功率與視在功率的比值為功率因數:
cosf=P/S
無功功率的傳輸加重了電網負荷，使電網損耗增加，系統電壓下降。故需對其進行就近和就地補償。並聯電容器可補償或平衡電氣設備的感性無功功率。當容性無功功率QC等於感性無功功率QL時，電網只傳輸有功功率P。根據國家有關規定，高壓用戶的功率因數應達到0.9以上，低壓用戶的功率因數應達到0.85以上。
如果選擇電容器功率為Qc，則功率因數為：
cosφ= P/ (P^2 + (QL-Qc)^2)^1/2

在實際工程中首先應根據負荷情況和供電部門的要求確定補償後所需達到的功率因數值，然後再計算電容器的安裝容量：
Qc = P(tanf1 - tanf2)=P〔(1/cos2f1-1)1/2-(1/cos2f2-1)1/2〕
式中:
Qc一電容器的安裝容量，kvar
P一系統的有功功率，kW
tanφ1--補償前的功率因數角, cosf1--補償前的功率因數
tanφ2--補償後的功率因數角, cosf2--補償後的功率因數

在大系統中，無功補償還用於調整電網的電壓，提高電網的穩定性。

在小系統中，通過恰當的無功補償方法還可以調整三相不平衡電流。按照wangs定理：在相與相之間跨接的電感或者電容可以在相間轉移有功電流。因此，對於三相電流不平衡的系統，只要恰當地在各相與相之間以及各相與零線之間接入不同容量的電容器，不但可以將各相的功率因數均補償至接近1，而且可以使各相的有功電流達到平衡狀態。

基本原理

無功補償

電網輸出的功率包括兩部分：一是有功功率；二是無功功率。直接消耗電能，把電能轉變為機械能、熱能、化學能或聲能，利用這些能作功，這部分功率稱為有功功率；不消耗電能，只是把電能轉換為另一種形式的能，這種能作為電氣設備能夠作功的必備條件，並且，這種能是在電網中與電能進行周期性轉換，這部分功率稱為無功功率，如電磁元件建立磁場占用的電能，電容器建立電場所占的電能。電流在電感元件中作功時，電流滯後於電壓90°；而電流在電容元件中作功時，電流超前電壓90°。在同一電路中，電感電流與電容電流方向相反，互差180°。如果在電磁元件電路中有比例地安裝電容元件，使兩者的電流相互抵消，就可以使電流的矢量與電壓矢量之間的夾角縮小。

實現方式

把具有容性功率負荷的裝置與感性功率負荷並聯接在同一電路，能量在兩種負荷之間相互交換。這樣，感性負荷所需要的無功功率可由容性負荷輸出的無功功率補償。

意義

⑴補償無功功率，可以增加電網中有功功率的比例常數。

⑵減少發、供電設備的設計容量，減少投資，例如當功率因數cosΦ=0.8增加到cosΦ=0.95時，裝1Kvar電容器可節省設備容量0.52KW；反之，增加0.52KW對原有設備而言，相當於增大了發、供電設備容量。因此，對新建、改建工程，應充分考慮無功補償，便可以減少設計容量，從而減少投資。

⑶降低線損，由公式ΔΡ%=（1-cosφ/cosΦ）×100%得出其中cosφ為補償前的功率因數，cosΦ為補償後的功率因數則：

cosΦ>cosφ，所以提高功率因數後，線損率也下降了，減少設計容量、減少投資，增加電網中有功功率的輸送比例，以及降低線損都直接決定和影響著供電企業的經濟效益。所以，功率因數是考核經濟效益的重要指標，規劃、實施無功補償勢在必行。

常用方式

① 集中補償：在高低壓配電線路中安裝並聯電容器組；

② 分組補償：在配電變壓器低壓側和用戶車間配電屏安裝並聯補償電容器；

③ 單台電動機就地補償：在單台電動機處安裝並聯電容器等。

加裝無功補償設備，不僅可使功率消耗小，功率因數提高，還可以充分挖掘設備輸送功率的潛力。

確定無功補償容量時，應注意以下兩點：

① 在輕負荷時要避免過補償，倒送無功造成功率損耗增加，也是不經濟的。

② 功率因數越高，每千伏補償容量減少損耗的作用將變小，通常情況下，將功率因數提高到0.95就是合理補償

就三種補償方式而言，無功就地補償克服了集中補償和分組補償的缺點，是一種較為完善的補償方式：

⑴因電容器與電動機直接並聯，同時投入或停用，可使無功不倒流，保證用戶功率因數始終處於滯後狀態，既有利於用戶，也有利於電網。

⑵有利於降低電動機起動電流，減少接觸器的火花，提高控制電器工作的可靠性，延長電動機與控制設備的使用壽命。

無功就地補償容量可以根據以下經驗公式確定：Q≤UΙ0式中：Q---無功補償容量（kvar）；U---電動機的額定電壓（V）；Ι0---電動機空載電流（A）；但是無功就地補償也有其缺點：⑴不能全面取代高壓集中補償和低壓分組補償；眾所周之，無功補償按其安裝位置和接線方法可分為：高壓集中補償、低壓分組補償和低壓就地補償。其中就地補償區域最大，效果也好。但它總的電容器安裝容量比其它兩種方式要大，電容器利用率也低。高壓集中補償和低壓分組補償的電容器容量相對較小，利用率也高，且能補償變壓器自身的無功損耗。為此，這三種補償方式各有套用範圍，應結合實際確定使用場合，各司其職。

其他相關

控制電容器投切的器件主要有投切電容器專用接觸器、複合開關、同步開關和晶閘管。投切電容器專用接觸器有一組輔助接點串聯電阻後與主接點並聯。在投入過程中輔助接點先閉合，與輔助接點串聯的電阻使電容器預充電，然後主接點再閉合，於是就限制了電容器投入時的涌流。複合開關就是將晶閘管與繼電器接點並聯使用，由晶閘管實現電壓過零投入與電流過零切除，由繼電器接點來通過連續電流，這樣就避免了晶閘管的導通損耗問題，也避免了電容器投入時的涌流。但是複合開關既使用晶閘管又使用繼電器，於是結構就變得比較複雜，成本也比較高，並且由於晶閘管對過流、過壓及對dv/dt的敏感性也比較容易損壞。

在實際套用中，複合開關故障多半是由晶閘管損壞所引起的同步開關是近年來最新發展的技術，顧名思義，就是使機械開關的接點準確地在需要的時刻閉合或斷開。對於控制電容器的同步開關，就是要在接點兩端電壓為零的時刻閉合，從而實現電容器的無涌流投入，在電流為零的時刻斷開，從而實現開關接點的無電弧分斷。由於同步開關省略了晶閘管，因此不僅成本降低，而且可靠性提高。同步開關是傳統機械開關與現代電子技術完美結合的產物，使機械開關在具有獨特技術性能的同時，其高可靠性以及低損耗的特點得以充分顯示出來。晶閘管是動態無功補償裝置唯一可選的器件，晶閘管的動作速度快，可以在一個交流周期內完成電容器的投入與切除，並且對投切次數沒有限制。但是晶閘管的導通損耗大，價格高，可靠性差，除非用於動態補償，否則並沒有優勢可言。