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無功補償原理、方法

人氣：3838次發表時間：2018-09-05

無功補償的原理

在交流電路中，由電源供給負載的電功率有兩種;一種是有功功率，一種是無功功率。有功功率是保持用電設備正常運行所需的電功率，是將電能轉換為其他形式能量(機械能、光能、熱能)的電功率。

無功功率比較抽象，它是電路內電場與磁場的交換，在電氣設備中建立和維持磁場的電功率。它不對外作功，而是轉變為其他形式的能量。凡是有電磁線圈的電氣設備，要建立磁場，就要消耗無功功率。

無功功率決不是無用功率，它的用處很大。電動機需要建立和維持旋轉磁場，使轉子轉動，從而帶動機械運動，電動機的轉子磁場就是靠從電源取得無功功率建立的。變壓器也同樣需要無功功率，才能使變壓器的一次線圈產生磁場，在二次線圈感應出電壓。因此，沒有無功功率，電動機就不會轉動，變壓器也不能變壓，交流接觸器不會吸合。(打個比方，農村修水利需要開挖土方運土，運土時用竹筐裝滿土，挑走的土好比是有功功率，挑空竹筐就好比是無功功率，竹筐并不是沒用，沒有竹筐泥土怎么能運到堤上?)

在正常情況下，用電設備不但要從電源取得有功功率，同時還需要從電源取得無功功率。如果電網中的無功功率供不應求，用電設備就沒有足夠的無功功率來建立正常的電磁場，這些用電設備就不能維持在額定情況下工作，用電設備的端電壓就要下降，從而影響用電設備的正常運行。

但是從發電機和高壓輸電線供給的無功功率遠遠滿足不了負荷的需要，所以在電網中要設置一些無功補償裝置來補充無功功率，以保證用戶對無功功率的需要，這樣用電設備才能在額定電壓下工作。

無功補償是把具有容性功率負荷的裝置與感性功率負荷并聯接在同一電路，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。

采用無功補償可以收到以下效果：

1) 根據用電設備的功率因數，可測算輸電線路的電能損失。通過現場技術改造，可使低于標準要求的功率因數達標，實現節電目的。

2) 采用無功補償技術，提高低壓電網和用電設備的功率因數，已成為節電工作的一項重要措施。

3) 無功補償，它就是借助于無功補償設備提供必要的無功功率，以提高系統的功率因數，降低能耗，改善電網電壓質量，穩定設備運行。

4) 減少電力損失，一般工廠動力配線依據不同的線路及負載情況，其電力損耗約2%--3%左右，使用電容提高功率因數后，總電流降低，可降低供電端與用電端的電力損失。

5) 改善供電品質，提高功率因數，減少負載總電流及電壓降。于變壓器二次側加裝電容可改善功率因數提高二次側電壓。

6) 延長設備壽命。改善功率因數后線路總電流減少，使接近或已經飽和的變壓器、開關等機器設備和線路容量負荷降低，因此可以降低溫升增加壽命(溫度每降低10°C，壽命可延長1倍)

7) 最終滿足電力系統對無功補償的監測要求，消除因為功率因數過低而產生的罰款。

8) 無功補償可以改善電能質量、降低電能損耗、挖掘發供電設備潛力、無功補償減少用戶電費支出，是一項投資少，收效快的節能措施。

9) 無功補償技術對用電單位的低壓配電網的影響以及提高功率因數所帶來的經濟效益和社會效益，確定無功功率的補償容量，確保補償技術經濟、合理、安全可靠，達到節約電能的目的

無功補償的合理配置原則：

從電力網無功功率消耗的基本狀況可以看出，各級網絡和輸配電設備都要消耗一定數量的無功功率，尤以低壓配電網所占比重最大。為了最大限度地減少無功功率的傳輸損耗，提高輸配電設備的效率，無功補償設備的配置，應按照“分級補償，就地平衡”的原則，合理布局。

1) 總體平衡與局部平衡相結合，以局部為主。

2) 電力部門補償與用戶補償相結合。

在配電網絡中，用戶消耗的無功功率占50%～60%，其余的無功功率消耗在配電網中。為了減少無功功率在網絡中的輸送，要盡可能地實現就地補償，就地平衡，所以必須由電力部門和用戶共同進行補償。

3) 分散補償與集中補償相結合，以分散為主。

集中補償，是在變電所集中裝設較大容量的補償電容器。分散補償，指在配電網絡中分散的負荷區，如配電線路，配電變壓器和用戶的用電設備等進行的無功補償。集中補償，主要是補償主變壓器本身的無功損耗，以及減少變電所以上輸電線路的無功電力，從而降低供電網絡的無功損耗。但不能降低配電網絡的無功損耗。因為用戶需要的無功通過變電所以下的配電線路向負荷端輸送。所以為了有效地降低線損，必須做到無功功率在哪里發生，就應在哪里補償。所以，中、低壓配電網應以分散補償為主。

4) 功補償的原則。提高用電單位的自然功率因數,應該遵循：全面規劃,合理布局,分級補償,就地平衡;集中補償與分散補償相結合,以分散補償主;高壓補償與低壓補償相結合,以低壓補償為主;調壓與降損相結合，以降損為主的原則.

影響功率因數的主要因素：

功率因數的產生主要是因為交流用電設備在其工作過程中，除消耗有功功率外，還需要無功功率。當有功功率P一定時，如減少無功功率Q，則功率因數便能夠提高。在極端情況下，當Q=0時，則其力率=1。因此提高功率因數問題的實質就是減少用電設備的無功功率需要量。

1. 異步電動機和電力變壓器是耗用無功功率的主要設備

異步電動機的定子與轉子間的氣隙是決定異步電動機需要較多無功的主要因素。而異步電動機所耗用的無功功率是由其空載時的無功功率和一定負載下無功功率增加值兩部分所組成。所以要改善異步電動機的功率因數就要防止電動機的空載運行并盡可能提高負載率。變壓器消耗無功的主要成份是它的空載無功功率，它和負載率的大小無關。因而，為了改善電力系統和企業的功率因數，變壓器不應空載運行或長其處于低負載運行狀態。

2. 供電電壓超出規定范圍也會對功率因數造成很大的影響

當供電電壓高于額定值的10%時，由于磁路飽和的影響，無功功率將增長得很快，據有關資料統計，當供電電壓為額定值的110%時，一般工廠的無功將增加35%左右。當供電電壓低于額定值時，無功功率也相應減少而使它們的功率因數有所提高。但供電電壓降低會影響電氣設備的正常工作。所以，應當采取措施使電力系統的供電電壓盡可能保持穩定。

3. 電網頻率的波動也會對異步電機和變壓器的磁化無功功率造成一定的影響

4. 以上影響電力系統功率因數的一些主要因素，因此必須要尋求一些行之有效的、能夠使低壓電力網功率因數提高的一些實用方法，使低壓網能夠實現無功的就地平衡，達到降損節能的效果。

低壓配電網無功補償的方法：

提高功率因數的主要方法是采用低壓無功補償技術，我們通常采用的方法主要有三種：隨機補償、隨器補償、跟蹤補償。

1. 隨機補償隨機補償就是將低壓電容器組與電動機并接，通過控制、保護裝置與電機，同時投切。隨機補償適用于補償電動機的無功消耗，以補勵磁無功為主，此種方式可較好地限制用電單位無功負荷。

隨機補償的優點：用電設備運行時，無功補償投入，用電設備停運時，補償設備也退出，而且不需頻繁調整補償容量。具有投資少、占位小、安裝容易、配置方便靈活，維護簡單、事故率低等。

2. 隨器補償

隨器補償是指將低壓電容器通過低壓保險接在配電變壓器二次側，以補償配電變壓器空載無功的補償方式。配變在輕載或空載時的無功負荷主要是變壓器的空載勵磁無功，配變空載無功是用電單位無功負荷的主要部分，對于輕負載的配變而言，這部分損耗占供電量的比例很大，從而導致電費單價的增加。

隨器補償的優點：接線簡單、維護管理方便、能有效地補償配變空載無功，限制農網無功基荷，使該部分無功就地平衡，從而提高配變利用率，降低無功網損，具有較高的經濟性，是目前補償無功最有效的手段之一。

3. 跟蹤補償

跟蹤補償是指以無功補償投切裝置作為控制保護裝置，將低壓電容器組補償在大用戶0.4kv母線上的補償方式。適用于100kVA以上的專用配變用戶，可以替代隨機、隨器兩種補償方式，補償效果好。

跟蹤補償的優點是運行方式靈活，運行維護工作量小，比前兩種補償方式壽命相對延長、運行更可靠。應優先選用跟蹤補償方式。

高壓配電網無功補償：

1. 為提高10kV配電線路的供電可靠性和供電可靠率，使電力系統運行穩定、安全、經濟。通過城、農網的建設與改造工作，對10kV配電線路加裝無功補償裝置系統，能使配電網供電能力和客戶端電壓質量明顯改善、供電可靠性顯著提高。

2. 國家電力公司下發關于電力行業創一流的文件中，要求10kV功率因數不小于0.9，線損不大于5%，及電壓質量和無功補償的運行管理等內容，其主要解決的問題關鍵之一，是在10kV線路中投入一定的電容器，采用固定或自動相結合的投入方式實現無功補償。如果在一條供電線路中投入固定的電容器組，一般是按線路低負荷進行計算，而自動補償量是在線路滿負荷時計算出來的值，一條線路有固定和自動補償兩種方式相互配合，即可達到理想的效果。

3. 無功補償的原則是就地平衡，根據農網配電線路的實際情況比較復雜，不可能是統一模式，所以要采用分散和集中、固定和自動相結合的方法，分三步進行：一是變電所內按主變壓器容量的15%左右安裝固定補償電容器組。二是在線路負荷中心或某處按低負荷時的無功需求量安裝固定補償電容器組。三是在線路負荷中心的上側安裝自動補償電容器組。

4. 對于農網主要使用的10 kV配網系統，完整的無功補償應該包括變電站集中補償、10 kV線路補償和用戶端低壓補償，再加上隨機補償，即“3級補償+隨機補償”(“3+1”模式)。

經驗估算：當COSφ約在0.6~0.7時，可按饋路實際負荷的15%左右補償;或按無功缺口的2/3 補償。

5. 考慮到兼顧降低線損、提高力率與電壓的效果，線路補償原則是通過在線路電桿上安裝電容器實行單點或多點電容器補償，單點補償地點選在離線路首端2/3處，補償的容量應為無功負荷的2/3;兩點補償分別裝設在距首端2/5和4/5處;若線路較長，負荷較大，實施固定補償與自動補償相結合、在線路上三點進行分散補償：第一組裝設在該線路2/7處為固定補償;第二組為自動補償，裝設在該線路的4/7處，也是負荷較為集中地段;第三組為固定補償，裝設在該線路的6/7處;多點補償是采用分支線分段補償方式，對分支較大或線路較長負載自然功率因數低的線路進行補償。根據農村實際狀況，農網線路補償的補償點不宜過多;控制方式應從簡;保護方式可采用熔斷器和避雷器作為過電流和過電壓簡單保護。

6. 確定某一條配電線路的補償容量，應根據該線路的平均無功負荷和最小無功負荷計算，當線路的最小無功負荷小于平均無功負荷的2/3時，考慮到無功不應倒送，可安裝固定的補償裝置，但應按最小無功負荷確定補償容量。當線路中有較大無功負荷點時，除應考慮與線路始端的距離外，也應考慮大的無功負荷點。實際裝設補償裝置每組以100～200 kvar為宜。

無功功率補償容量的選擇方法：

無功補償容量以提高功率因數為主要目的時，補償容量的選擇分兩大類討論，即單負荷就地補償容量的選擇(主要指電動機)和多負荷補償容量的選擇(指集中和局部分組補償)。

1. 單負荷就地補償容量的選擇的幾種方法：

1) 美國資料推薦：Qc=(1/3)Pe [額定容量的1/3]

2) 日本方法：從電氣計算日文雜志中查到：1/4~1/2容量計算

3) 經驗系數法：由于電機極數不同，按極數大小確定經驗系數選擇容量比較接近實際需要的電容器，采用這種方法一般在70%負荷時，補后功率因數可在0.95～0.97 之間。

經驗系數表：電機類型一般電機起重電機冶金電機

極數 2 4 6 8 10 8 10

補償容量(kvar/kw) 0.2 0.2～0.25 0.25～0.3 0.35～0.4 0.5 0.6 0.75

電機容量大時選下限，小時選上限 ;電壓高時選下限，小時選上限。

4) Qc=P[ - ]

實際測試比較準確方法此法適用于任何一般感性負荷需要精確補償的就地補償容量的計算。

5) 如果測試比較麻煩，可以按下式

Qc≤ UeIo×10-3 (kvar)

Io-空載電流=2Ie(1-COSφe ) 瑞典電氣公司推薦公式

6) 按電動機額定數據計算：

Q= k(1- cos2φe )3UeIe×10-3 (kvar)

K為與電動機極數有關的一個系數

極數： 2 4 6 8 10

K值： 0.7 0.8 0.85 0.9

2. 多負荷補償容量的選擇：

1) 對已生產企業欲提高功率因數，其補償容量Qc按下式選擇：

Qc=KmKj(tgφ1-tgφ2)/Tm

式中：Km為最大負荷月時有功功率消耗量，由有功電能表讀得;Kj為補償容量計算系數，可取0.8～0.9;Tm為企業的月工作小時數;tgφ1、tgφ2意義同前，tgφ1由有功和無功電能表讀數求得。

2) 對處于設計階段的企業，無功補償容量Qc按下式選擇：

Qc=KnPn(tgφ1-tgφ2)

式中Kn為年平均有功負荷系數，一般取0.7～0.75;Pn為企業有功功率之和;tgφ1、tgφ2意義同前。tgφ1根據企業負荷性質查手冊近似取值，也可用加權平均功率因數求得cosφ1。

多負荷的集中補償電容器安裝簡單，運行可靠、利用率較高。因此這種方法選擇的容量，對于低壓來說最好采用電容器組動態控制補償，即根據負荷大小動態投入無功補償容量的多少。

無功補償的效益：

在現代用電企業中，在數量眾多、容量大小不等的感性設備連接于電力系統中，以致電網傳輸功率除有功功率外，還需無功功率。如自然平均功率因數在0.70～0.85之間。企業消耗電網的無功功率約占消耗有功功率的60%～90%,如果把功率因數提高到0.95左右，則無功消耗只占有功消耗的30%左右。由于減少了電網無功功率的輸入，會給用電企業帶來效益。

1. 節省企業電費開支。提高功率因數對企業的直接經濟效益是明顯的，因為國家電價制度中，從合理利用有限電能出發，對不同企業的功率因數規定了要求達到的不同數值，低于規定的數值，需要多收電費，高于規定數值，可相應地減少電費。可見，提高功率因數對企業有著重要的經濟意義。

2. 提高設備的利用率。對于原有供電設備來講，在同樣有功功率下，因功率因數的提高，負荷電流減少，因此向負荷傳送功率所經過的變壓器、開關和導線等供配電設備都增加了功率儲備，從而滿足了負荷增長的需要;如果原網絡已趨于過載，由于功率因數的提高，輸送無功電流的減少，使系統不致于過載運行，從而發揮原有設備的潛力;對尚處于設計階段的新建企業來說則能降低設備容量，減少投資費用，在一定條件下，改善后的功率因數可以使所選變壓器容量降低。因此，使用無功補償不但減少初次投資費用，而且減少了運行后的基本電費。

3. 降低系統的能耗。補償前后線路傳送的有功功率不變，P= UICOSφ，由于COSφ提高，補償后的電壓U2稍大于補償前電壓U1,為分析問題方便，可認為U2≈U1從而導出I1COSφ1=I2COSφ2。

即:I1/I2= COSφ2/ COSφ1,這樣線損 P減少的百分數為：

ΔP%= (1-I22/I12)×100%=(1- COS2φ1/ COS2φ2) × 100%

當功率因數從0.70～0.85提高到0.95時，由(2)式可求得有功損耗將降低20%～45%。

4. 改善電壓質量。以線路末端只有一個集中負荷為例，假設線路電阻和電抗為R、X,有功和無功為P、Q,則電壓損失ΔU為：

△U=(PR+QX)/Ue×10-3(kV) 兩部分損失：PR/ Ue→輸送有功負荷P產生的;QX/Ue→輸送無功負荷Q產生的;

配電線路：X=(2～4)R，△U大部分為輸送無功負荷Q產生的

變壓器：X=(5～10)R，QX/Ue=(5～10) PR/ Ue 變壓器△U幾乎全為輸送無功負荷Q產生的。可以看出，若減少無功功率Q,則有利于線路末端電壓的穩定，有利于大電動機的起動。因此，無功補償能改善電壓質量(一般電壓穩定不宜超過3%)。對于無功補償應用的主要目的是改善功率因數，減少線損，穩定電壓。

5. 三相異步電動機通過就地補償后，由于電流的下降，功率因數的提高，從而增加了變壓器的容量，計算公式如下：

△S=P/ COSφ1×[( COSφ 2/ COSφ1)-1]

如一臺額定功率為155kW水泵的電機，補前功率因數為0.857，補償后功率因數為0.967，根據上面公式計算其增容量為：

(155÷0.857) ×[(0.967 ÷0.857)-1]=24kVA

無功補償裝置的應用實例：

采取低壓動態無功補償裝置節能降損的效果舉例說明。

例1：某供電企業給某淀粉廠加裝470 kvar低壓動態補償電容柜，設定補償限值cosφ為0.95，小于限值則動態順序投入電容器組。如功率因數超前，向線路反送無功功率，則開始順序切除電容器，使功率因數在一個相對穩定的區域保持動態平衡。試機時一次電流1050A，cosφ = 0.7，裝置動態投入400kvar后，功率因數接近到1，一次電流變為750A，電流是補償前的電流的70%，即減少線路電流30%左右。

表1列出了補償前后參數的變化：

注：按現場控制盤儀表指示

例2：某供電企業給某造紙廠加裝500 kvar低壓動態補償柜，補償前功率因數≤0.75，線路電流1300 A，動態補償到功率因數為0.96后一次電流是1000 A，直觀減少線路電流25%左右。

根據電路原理，線路的損耗與負荷電流的平方成正比，線路電流大則損耗大，線路電流減小則線損減少，例1中，補償前電流為I，補償后電流大約為0.7×I，根據DP = 3I2R，所以補償后的線路損耗為補償前線路損耗值的49 %，線路損耗降低了大約51%左右。例2中線路補償后電流大約是補償前電流的0.77，所以補償后的線路損耗大概是補償前線路損耗的59%。

推算出補償前后功率因數的變化與線路損耗變化的關系：

按表2所示：例1功率因數從0.7提高到1，補償后的線路損耗為補償前線路損耗的49%;線路功率因數從0.75提高到0.95后，線路損耗為補償前的63%，降低線損效果明顯。

例3：某市能源監測中心于2006年4月24、29、30日對某氨綸股份有限公司B區制冷機、空壓機電機進行了電機補償裝置的安裝調試，從安裝后測試結果看，平均降低電流22-51(A)，電機功率因數提高到0.98，(見測試結果對比表)，減少了公司內部低壓電網的消耗，從而達到了節電的目的。

測試結果對比表：

由于電流減少，變壓器的銅損及公司內部的低壓損耗都降低。

配電系統電流下降率△I%=(1-0.87/0.98)×100%=11%;

配電系統損耗下降率 △P%=(1-0.872/0.982)×100%=11.2%

該公司B區制冷機、空壓機電動機補償的總容量為780千乏，電流平均總下降518(A),依據GB/T12497-1997中計算公式，安裝電動機補償裝置后，年可節電量=補償容量×無功經濟當量×年運行時間=780×0.04×24×300=224640kWh，節約價值11.2萬元，補償投資費用(包括設備的購置、安裝及現場調試)為：6.24萬元。(80元/千乏)

用戶低壓端無功補償裝置一般按照用戶無功負荷的變化動態投切補償電容器，達到動態控制的目的，可以做到不向高壓線路反送無功電能。在配電網中，若各用戶低壓側配置了足夠的無功補償裝置，則可使配電線路中的無功電流最小，也使配電線路的有功功率損耗最小，這是最理想的效果。另外，線路中的無功電流小，也使線路壓降減少，電壓波動減少。

智能低壓動態無功補償技術：

電力電子技術、智能控制技術和信息通信技術的不斷發展，帶動了許多電力新技術、新設備的不斷出現，近年來隨著城鄉電網改造的進行，智能無功補償技術在各地低壓配電網的公用配變被廣泛應用，它集低壓無功補償、綜合配電監測、配電臺區的線損計量、電壓合格率的考核、諧波監測等多種功能于一身;同時還充分考慮了與配電動態化系統的結合。

一、傳統的低壓無功補償設備的狀況:

1. 采集單一信號，采用三相電容器，三相共補

這種補償方式適用于負荷主要是三相負載(電動機)的場合，但如果當前的負載主要為居民用戶，三相負荷很可能不平衡。那么各相無功需量也不同，采用這種補償方式會在不同程度上出現過補或欠補。

2. 投切開關多采用交流接觸器

其響應速度較慢，在投切過程中會對電網產生沖擊涌流，使用壽命短。

3. 無功控制策略

控制物理量多為功率因數，投切方式為：循環投切。此策略沒有考慮電壓的平衡關系與區域的無功優化。

4. 通常不具備配電監測功能

二、智能動態無功補償設備狀況:

1. 補償方式

1) 固定補償與動態補償相結合

隨著社會的發展，負載類型越來越復雜，電網對無功要求也越來越高，因此單純的固定補償已經不能滿足要求，新的動態無功補償技術能較好地適應負載變化。

2) 三相共補與分相補償相結合

新的設備尤其是大量的電力電子、照明等家居設備，都是單相供電，電網中三相不平衡的情況越來越多，三相共補同投同切已無法解決三相不平衡的問題，而全部采用單相補償則投資較大。因此根據負載情況充分考慮經濟性的共分結合方式在新的經濟條件下日益廣泛應用。

3) 穩態補償與快速跟蹤補償相結合

穩態補償與快速跟蹤補償相結合的補償方式是未來發展的一個趨勢。主要是針對大型的鋼鐵冶金等企業，工藝復雜、用電量大、負載變化快、波動大，充分有效地進行無功補償，不僅可以提高功率因數、降損節能，而且可以充分挖掘設備的工作容量，充分發揮設備能力，提高工作效率，提高產量和質量，經濟效益大。

2. 采用先進的投切開關

目前采用的投切開關主要有以下幾種。

1) 過零觸發可控硅投切開關

其特點是動態響應快，在投切過程中對電網無沖擊、無涌流，壽命較長，目前運用比較普遍。

2) 機電一體化智能復合開關

該開關由交流接觸器和可控硅并聯運行，綜合兩種開關的優點，既實現了快速投切，又降低了功耗。

3. 采用智能型無功控制策略

采集三相電壓、電流信號，跟蹤系統中無功的變化，以無功功率為控制物理量，以用戶設定的功率因數為投切參考限量，依據模糊控制理論智能選擇電容器組合，智能投切是針對星—角結合情況。電容投切控制采用智能控制理論，動態及時地投切電容補償，補償無功功率容量。根據配電系統三相中每一相無功功率的大小智能選擇電容器組合，依據“取平補齊”的原則投入電網，實現電容器投切的智能控制，使補償精度高。

1) 科學的電壓限制條件

可設定的過、欠壓保護值，可設置諧波電壓保護，具缺相保護功能，以無功功率為投切門限值。

2) 可設置投切延時

延時時間可調(既可支持快速跟蹤無功補償，也可支持穩態補償)，同組電容投切動作時間間隔可設置，對快速跟蹤補償可設置為零。

4. 集成綜合配電監測功能

綜合配電監測功能集配電變壓器電氣參數測量、記憶、通信于一體，是一套比較完整的配電運行參數測量機構，是低壓配電電網中考核單元線損的理想手段。它能隨時為電網管理人員提供所需要的各類數據，是為電網的安全運行和經濟運行提供可靠的管理依據，是配電電網動態化系統的基本組成部分。主要功能如下：

實時監測配變三相數據：電壓、電流、功率、功率因數、頻率(2～25次諧波);

累計數據記錄、整點數據記錄和統計數據記錄功能，累計計量有功、無功電量;

查詢統計分析功能并根據輸入條件生成各種報表、曲線、棒圖。

一般都配有相關的后臺處理軟件，大多數可實現網絡多機操作與數據共享。

5. 集成電壓監測功能

根據電壓檢測儀標準進行采樣與數據統計處理，便于用戶考核電壓合格率，可用于電壓監測考核。