概述電力系統中的無功補償裝置

一、電力系統的無功功率平衡

1.1、無功功率

電網中的電力負荷如電動機、變壓器等都是靠電磁能量的變換而工作的，大部分屬于感性負荷，建立磁場時要吸收無功，磁場消失時要交出無功。在運行過程中需向這些設備提供相應的無功功率。電力設備電磁能量的交換伴隨著吸收和放出無功。每交換一次，無功都要在整個電力系統中傳輸，這不僅要造成很多電能損失，而且往往在無功來回轉換中會引起電壓變化，因此設計時，應注意保持無功功率平衡。

變電站裝設并聯電容器是改善電壓質量和降低電能損耗的有效措施。在電網中安裝并聯電容器等無功補償設備以后，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，由于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。

1.2、功率因數

電網中的電氣設備如電動機、變壓器屬于既有電阻又有電感的電感性負載，電感性負載的電壓與電流的相量間存在相位差，相位角的余弦值即為功率因數cosφ，它是有功功率與視在功率的比值，即cosφ=P/S。

1.3、無功功率補償的目的

電網中的無功功率負荷主要有異步電動機、變壓器，還有一部分輸電線路。而無功電源主要有發電機、靜電電容器、同步調相機、靜止補償器。無功功率的產生基本不消耗能源，但是無功功率沿電力網傳輸卻要引起有功功率損耗和電壓損耗。合理配置無功功率補償容量，以改變電力網無功潮流分布，可以減少網絡中的有功功率損耗和電壓損耗，從而改善用戶端的電壓質量。

在做電網網架規劃時，根據各水平年各負荷點的有功負荷量及可靠性要求確定了變電容量的分配、線路回路數及導線截面和接線方式等等。但是，這樣還不能保證各用戶端的電壓達到國家和地區規定的要求。因為做電網網架規劃時是以最大負荷為依據，而實際運行時，負荷是變化的，功率因數也是變化的，通過線路的有功、無功功率都與規劃計算時大不相同，因此，導致某些負荷點的電壓“越限”(過高或過低)。為了使越限的電壓恢復正常，必須采取有效措施—無功補償。所謂無功補償，就是吸收或供給適度的無功功率，使通過線路的無功潮流最小。變電站安裝投運無功補償裝置，有利降損節能，改善電能質量，提高輸變電設備有功出力，使有限的電能發揮更大的效益。

1.4、無功補償配置的基本原則

設置補償裝置時，應由系統專業根據電網電壓、系統穩定性、有功分配、無功平衡、調相調壓，以及限制諧波電壓、潛供電流、暫時過電壓等因素，提出補償裝置的設置地點、種類形式、容量和電壓等級。設計要從安裝地點的自然環境條件，裝置的接線方式、布置形式、控制保護方式，設備的技術條件，以及避免或限制補償裝置引起的操作過電壓和諧振過電壓等角度出發，予以配合。

1)、電力系統配置的無功補償裝置應能保證在系統有功負荷高峰和負荷低谷運行方式下，分(電壓)層和分(供電)區的無功平衡。分(電壓)層無功平衡的重點是220kV及以上電壓等級層面的無功平衡，分(供電)區就地平衡的重點是110kV及以下配電系統的無功平衡。無功補償配置應根據電網情況，從整體上考慮無功補償裝置在各電壓等級變電站、10kV及以下配電網和用戶側配置比例的協調關系，實施分散就地補償與變電站集中補償相結合，電網補償與用戶補償相結合，高壓補償與低壓補償相結合，滿足降損和調壓的需要。

2)、各級電網應避免通過輸電線路遠距離輸送無功電力。500(330)kV電壓等級系統與下一級系統之間不應有大量的無功電力交換。500(330)kV電壓等級超高壓輸電線路的充電功率應按照就地補償的原則采用高、低壓并聯電抗器基本予以補償。

3)、受端系統應有足夠的無功備用容量。當受端系統存在電壓穩定問題時，應通過技術經濟比較，考慮在受端系統的樞紐變電站配置動態無功補償裝置。

4)、各電壓等級的變電站應結合電網規劃和電源建設，經過計算分析，合理配置適當規模、類型的無功補償裝置;配置的無功補償裝置應不引起系統諧波明顯放大，并應避免大量的無功電力穿越變壓器。35kV～220kV變電站，所配置的無功補償裝置，在主變最大負荷時其高壓側功率因數應不低于0.95，在低谷負荷時功率因數不應高于0.95，不低于0.92。

5)、各電壓等級變電站無功補償裝置的分組容量選擇，應根據計算確定，最大單組無功補償裝置投切引起所在母線電壓變化不宜超過電壓額定值的2.5%。

6)、對于大量采用10kV～220kV電纜線路的城市電網，在新建110kV及以上電壓等級的變電站時，應根據電纜進、出線情況在相關變電站分散配置適當容量的感性無功補償裝置。

6)、各電壓等級變電站、發電廠內應配備相應的雙向有功功率和無功功率(或功率因數)、雙向有功電能和無功電能、無功補償裝置運行狀態及有載調壓變壓器分接位置等量值的采集與計量裝置。

7)、為了保證系統具有足夠的事故備用無功容量和調壓能力，并入電網的發電機組應具備滿負荷時功率因數在0.85(滯相)～0.97(進相)運行的能力，新建機組應滿足進相0.95運行的能力。發電機自帶廠用電時，進相能力應不低于0.97。接入220kV～750kV電壓等級的發電廠，為平衡送出線路的充電功率，在電廠側可以考慮安裝一定容量的并聯電抗器。

8)、無功補償裝置宜采用自動控制方式。

9)、風電場應配置足夠的無功補償裝置，以滿足接入電網點處無功平衡及電能質量的相關技術標準要求，必要時應配置動態無功補償裝置。

10)、電力用戶應根據其負荷性質采用適當的無功補償方式和容量，在任何情況下，不應向電網倒送無功電力，保證在電網負荷高峰時不從電網吸收大量無功電力，同時保證電能質量滿足相關技術標準要求(即只能欠補償不能過補償的原則，防止無功倒流，實際補償容量必須小于理論計算值)。

11)、無功補償裝置的額定電壓應與變壓器對應側的額定電壓相匹配。選擇電容器的額定電壓時應考慮串聯電抗率的影響。

二、補償裝置的分類與功能

補償裝置可以分為兩大類：串聯補償裝置和并聯補償裝置。補償裝置都是設置于變、配電站、換流站或開關站中，大部分連接在這些站的母線上，也有的補償裝置是并聯或串聯在線路上

2.1、串聯電容補償裝置(簡稱串補裝置)

串聯在輸電線路中, 由電容器組及其保護、控制等輔助設備組成的裝置,簡稱串補裝置或串補, 主要有固定串聯電容器補償裝置(簡稱固定串補) 和晶閘管控制串聯電容器補償裝置 (簡稱可控串補 )。

電容串聯，容量減少(串聯后總容量的計算，參照電阻的并聯方法)，耐壓增加。串聯電容：串聯個數越多，電容量越小，但耐壓增大。

(1)、串補裝置的安裝位置

1 )、在110kV及以下的電網中, 當線路沒有分支線時,串補裝置均裝設在線路末端的變電所;當線路上有多個負荷分支線時, 將串補裝置設在線路總壓降為一半的附近變電所中。

2 )、在220kV及以上電網中, 一般將串補裝置與線路中間的開關站或變電所合建在一起; 當無中間開關站或變電所時,才將串補裝置設置在末端變電所中。

(2)、串聯電容器串接在線路中，其作用如下：

1)、提高線路末端電壓。串接在線路中的電容器，利用其容抗xc補償線路的感抗xl，使線路的電壓降落減少，從而提高線路末端(受電端)的電壓。

2)、降低受電端電壓波動。當線路受電端接有變化很大的沖擊負荷(如電弧爐、鐵路牽引站等)時，串聯電容器能消除電壓的劇烈波動。這是因為串聯電容器在線路中對電壓降落的補償作用是隨通過電容器的負荷而變化的，具有隨負荷的變化而瞬時調節的性能，能自動維持負荷端(受電端)的電壓值。

3)、提高線路輸電能力。由于線路串入了電容器的補償電抗xc，線路的電壓降落和功率損耗減少，相應地提高了線路的輸送容量。

4)、改善了系統潮流分布。在閉合網絡中的某些線路上串接一些電容器，部分地改變了線路電抗，使電流按指定的線路流動，以達到功率經濟分布的目的。

5)、提高系統的穩定性。線路串入電容器后，提高了線路的輸電能力，這本身就提高了系統的靜穩定。當線路故障被部分切除時(如雙回路被切除一回、但回路單相接地切除一相)，系統等效電抗急劇增加，此時，將串聯電容器進行強行補償，即短時強行改變電容器串、并聯數量，臨時增加容抗xc，使系統總的等效電抗減少，提高了輸送的極限功率，從而提高系統的動穩定。

2.2、并聯電抗補償裝置

由并聯電容器和相應的一次及二次配套設備組成, 并聯連接于三相交流電力系統中, 能完成獨立投運的一套設備 。

電容器并聯時，相當于電極的面積加大，電容量也就加大了。并聯時的總容量為各電容量之和. 并聯電容：并聯個數越多，電容量越大，但耐壓不變。

(1)、并聯電抗補償裝置的安裝位置

并聯電容補償裝置是直接連接或者通過變壓器并接于需要補償無功的變(配)電站、換流站的母線上。并聯電容器裝置宜裝設在變壓器的主要負荷側。當不具備條件時,可裝設在三繞組變壓器的低壓側。當配電站中無高壓負荷時,不宜在高壓側裝設并聯電容器裝置。低壓并聯電容器裝置的安裝地點和裝設容量,應根據分最補償和就地平衡的原則設置,并不得向電網倒送無功。

(2)、并聯電容器的作用

并聯電容器并聯在系統的母線上，類似于系統母線上的一個容性負荷，它吸收系統的容性無功功率，這就相當于并聯電容器向系統發出感性無功。因此，并聯電容器能向系統提供感性無功功率，系統運行的功率因數，提高受電端母線的電壓水平，同時，它減少了線路上感性無功的輸送，減少了電壓和功率損耗，因而提高了線路的輸電能力。

(3)、并聯電容器無功補償方式

無功補償應遵循“全面規劃,合理布局,分級補償,就地平衡”的總原則。因此按電容器安裝的位置不同,通常有三種補償方式:

1)、集中補償

電容器組集中裝設在用戶或變電站的母線上,用來提高整個變電站的功率因數,使該變電所的供電范圍內無功功率基本平衡。可減少高壓線路的無功損耗,而且能夠提高本變電站的供電電壓質量。

2)、分組補償

將電容器組分別裝設在功率因數較低的終端變配電站高壓或低壓母線上,也稱為分散補償。這種方式具有與集中補償相同的優點,僅無功補償容量和范圍相對小些。但是分組補償的效果比較明顯,采用得也較普遍。

3)、就地補償

將電容器或電容器組裝設在異步電動機或感性用電設備附近,就地進行無功補償,也稱為單獨補償或個別補償方式。這種方式既能提高為用電設備供電回路的功率因數,又能改善用電設備的電壓質量,對中、小型設備十分適用。

設計中應將三種補償方式統籌考慮,合理布局,選配合適的補償容量,可取得較好的補償效果。

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