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无功补偿培训教程
无功补偿培训教程-基础篇
一.无功补偿基础知识
（一）功率、功率因数
1.有功功率：
在直流电路中，从电源输送到电器（负载）的电功率，是电压与电流的乘积，也就是电器实际所吸收的功率。
在交流电路中，由于有电阻和电抗（感抗和容抗）的同时存在，所以电源输送到电器的电功率并不完全做功。
因为其中有一部分电功率（电感和电容所储的电能）仍能回输到电源，因此，实际为电器所吸收的电功率叫有功功率。
用字母P表示。
国际单位瓦，用字母W表示。
通常有功功率的单位用千瓦，用字母KW表示。
2.无功功率：
电感和电容所储的电能仍能回输到电源，这部分功率在电源与电抗之间进行交换，交换而不消耗，称为无功功率。
用字母.Q.表示，国际单位乏，用字母.var表示。
通常无功功率的单位用千乏，用字母.Kvar表示。
（无功功率绝不是无用功率，它的用处很多，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。
）
3.感性无功功率：
接在电网中的许多用电设备是根据电磁感应原理工作的。
例如：
通过磁场，变压器才能改变电压并将能量送出去，电动机才能转动并带动机械负荷。
磁场所具有的磁场能是由电源供给的。
电动机和变压器在能量转换过程中建立交变磁场，在一个周期内吸收和释放的功率相等，这种功率叫感性无功功率。
4.容性无功功率：
电容器在交流电网中接通后，在一个周期内，上半周期的充电功率与下半周期的放电功率相等，不消耗能量，电容器的这种充放电功率叫容性无功功率。
5.视在功率：
在交流电路中，如负载是纯电阻，电压和电流是同相位，那么电压和电流的乘积就是有功功率，但在有电感或电容的电路中，电压和电流有着相位差，所以电压和电流的乘积并不是负载电路实际吸收的电功率，而叫做视在功率。
用字母.S表示，国际单位伏安，用字母.VA表示。
通常视在功率的单位用千伏安，用字母.KVA表示。
6.功率因数：
有功功率与视在功率的比值。
用.cosΦ表示，它是没有单位的。
cosΦ=P/S
7.自然功率因数：
指用电设备没有安装无功补偿设备时的功率因数，或者说明用电设备本身所具有的功率因数，自然功率因数的高低主要取决于用电设备的的负荷性质，电阻性负荷（白炽灯、电阻炉）的功率因数较高，等于1，而电感性负荷（电动机、电焊机）的功率因数比较低，都小于1。
8.功率三角形：
有功功率、无功功率、视在功率三者之间的关系符合勾股定理。
如图
单相电路中：
S=UI；P=UI.cosΦ；Q=UisinΦ；
三相电路中：
S=3UI；P=3UIcosΦ；Q=3UisinΦ；S2=P2+Q2；cosΦ=P/P2Q2
9.用户功率因数的计算方法
1）电量计算：
在一定时间内（如三天或一周）取用户有功电量和无功电量。
功率因数COSФ=有功电量/（有功电量2+无功电量2）1/2
2）转数（老式电度表）：
在同样的时间内计量有功表、无功表所转圈数。
根据无功表和有功表所转圈数比计算出功率因数。
3）脉冲（新式电度表）：
在同样的时间内计量无功和有功的脉冲数。
根据无功表和有功表脉冲比计算出功率因数。
根据无功和有功之比计算功率因数
无功比有功
功率因数
无功比有功
功率因数
无功比有功
功率因数
1:
10
0.995
1:
2
0.894
2.6:
1
0.36
1:
9
0.9938
1:
1.9
0.8849
2.7:
1
0.35
1:
8
0.9922
1:
1.8
0.8742
2.8:
1
0.34
1:
7
0.9899
1:
1.7
0.8619
2.9:
1
0.33
1:
6
0.9864
1:
1.6
0.8480
3:
1
0.32
1:
5
0.980
1:
1.5
0.8321
3.1:
1
0.31
1:
4
0.970
1:
1.4
0.8137
3.2:
1
0.30
1:
3.9
0.9686
1:
1.3
0.7926
3.3:
1
0.29
1:
3.8
0.9671
1:
1.2
0.7682
3.4:
1
0.28
1:
3.7
0.9653
1:
1.1
0.7399
3.5:
1
0.27
1:
3.6
0.9635
1:
1
0.707
3.6:
1
0.2676
1:
3.5
0.9615
1.1:
1
0.6727
3.7:
1
0.261
1:
3.4
0.9594
1.2:
1
0.6402
3.8:
1
0.255
1:
3.3
0.9570
1.3:
1
0.6097
3.9:
1
0.248
1:
3.2
0.9545
1.4:
1
0.58
4:
1
0.243
1:
3.1
0.9517
1.5:
1
0.55
4.1:
1
0.237
1:
3
0.948
1.6:
1
0.53
4.2:
1
0.232
1:
2.9
0.9453
1.7:
1
0.51
4.3:
1
0.227
1:
2.8
0.9417
1.8:
1
0.49
4.4:
1
0.222
1:
2.7
0.9377
1.9:
1
0.47
4.5:
1
0.217
1:
2.6
0.9333
2:
1
0.45
4.6:
1
0.212
1:
2.5
0.9285
2.1:
1
0.43
4.7:
1
0.208
1:
2.4
0.9231
2.2:
1
0.41
4.8:
1
0.204
1:
2.3
0.9170
2.3:
1
0.40
4.9:
1
0.200
1:
2.2
0.9104
2.4:
1
0.38
5:
1
0.196
1:
2.1
0.9029
2.5:
1
0.37
（二）提高功率因数的意义
1.由功率三角形可以看出，在一定的有功功率下，当用电企业.cosΦ越小，其视在功率也越大，为满足用电的需要，供电线路和变压器的容量也越大，这样，不仅增加供电投资，降低设备利用率，也将增加线路网损。
2.负载的功率因数低，对电力系统不利。
（1）负载的功率因数过低，供电设备的容量不能充分利用。
例如：
一台容量为60KVA.的单相变压器，设它在额定电压，额定电流下运行，在负载的功率因数等于.1.时，它传输的有功功率.P=60×cosΦ=60KW，它的容量得到充分利用，负载的.cosΦ=0.8时，它传输的有功功率降低为48KW，容量的利用较差，cosΦ越小，容量利用的越不充分。
（2）在一定的电压下向负载输送一定的有功功率时，负载的功率因数越低，通过输电线的电流越大，导线电阻的能量损耗和导线阻抗的电压降落越大，功率因数是电力经济中的一个重要指标。
3.全国供用电规则规定：
在电网高峰负荷时，用户的功率因数应达到的标准：
高压用电的工业用户和高压用电装有带负荷调整电压装置的电力用户，功率因数为0.9以上；其它100KVA及以上电力用户和大中型电力排灌站，功率因数为0.85以上；农业用电功率因数为0.80以上。
凡功率因数达不到上述规定的用户，供电部门会在其用户使用电费的基础上按一定比例对其进行罚款（力率电费），要提高企业的用电功率因数，必须进行无功补偿，并做到随其负荷和电压的变动及时投入或切除，防止无功电力倒送。
全国供用电规则规定：
无功电力应就地平衡。
表一以0.90为标准值的功率因数调整电费表
减收电费
增收电费
实际功率因数
月电费减少％
实际功率因数
月电费增加％
实际功率因数
月电费增加％
0.90
0.00
0.89
0.5
0.75
7.5
0.91
0.15
0.88
1.0
0.74
8.0
0.92
0.30
0.87
1.5
0.73
8.5
0.93
0.45
0.86
2.0
0.72
9.0
0.94
0.60
0.85
2.5
0.71
9.5
0.95~1.00
0.75
0.84
3.0
0.70
10.0
0.83
3.5
0.69
11.0
0.82
4.0
0.68
12.0
0.81
4.5
0.67
13.0
0.80
5.0
0.66
14.0
0.79
5.5
0.65
15.0
0.78
6.0
功率因数自0.64及以下，每降低0.01电费增加2％
0.77
6.5
0.76
7.0
表二以0.85为标准值的功率因数电费调整表
减收电费
增收电费
实际功率因数
月电费减少％
实际功率因数
月电费增加％
实际功率因数
月电费增加％
0.85
0.0
0.84
0.5
0.70
7.5
0.86
0.1
0.83
1.0
0.69
8.0
0.87
0.2
0.82
1.5
0.68
8.5
0.88
0.3
0.81
2.0
0.67
9.0
0.89
0.4
0.80
2.5
0.66
9.5
0.90
0.5
0.79
3.0
0.65
10.0
0.91
0.65
0.78
3.5
0.64
11.0
0.92
0.80
0.77
4.0
0.63
12.0
0.93
0.95
0.76
4.5
0.62
13.0
0.94~1.00
1.10
0.75
5.0
0.61
14.0
0.74
5.5
0.60
15.0
0.73
6.0
功率因数自0.59及以下，每降低0.01电费增加2％
0.72
6.5
0.71
7.0
表三以0.80为标准值的功率因数电费调整表
减收电费
增收电费
实际功率因数
月电费减少％
实际功率因数
月电费增加％
实际功率因数
月电费增加％
0.80
0.0
0.79
0.5
0.65
7.5
0.81
0.1
0.78
1.0
0.64
8.0
0.82
0.2
0.77
1.5
0.63
8.5
0.83
0.3
0.76
2.0
0.62
9.0
0.84
0.4
0.75
2.5
0.61
9.5
0.85
0.5
0.74
3.0
0.60
10.0
0.86
0.6
0.73
3.5
0.59
11.0
0.87
0.7
0.72
4.0
0.58
12.0
0.88
0.8
0.71
4.5
0.57
13.0
0.89
0.9
0.70
5.0
0.56
14.0
0.90
1.0
0.69
5.5
0.55
15.0
0.91
1.15
0.68
6.0
功率因数自0.54及以下，每降低0.01电费增加2％
0.92~1.00
1.3
0.67
6.5
0.66
7.0
（三）无功功率补偿的基本原理
把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，当容性负荷释放能量时，感性负荷吸收能量；而感性负荷释放能量时，容性负荷却在吸收能量。
能量在两种负荷之间交换。
这样感性负荷所需要的无功功率可从容性负荷输出的无功功率中得到补偿，这就是无功功率补偿的基本原理.
（四）无功功率补偿的方法
无功功率补偿的方法很多，采用电力电容器或采用具有容性负荷的装置进行补偿。
1.利用过激磁的同步电动机，改善用电的功率因数，但设备复杂，造价高，只适于在具有大功率拖动装置时采用。
2.利用调相机做无功率电源，这种装置调整性能好，在电力系统故障情况下，也能维持系统电压水平，可提高电力系统运行的稳定性，但造价高，投资大，损耗也较高。
每kvar无功的损耗约为1.8—5.5%，运行维护技术较复杂，宜装设在电力系统的中枢变电所，一般用户很少应用。
3.异步电动机同步化。
这种方法有一定的效果，但自身的损耗大，每kvar无功功率的损耗约为4—19%，一般都不采用。
4.电力容器作为补偿装置，具有安装方便、建设周期短、造价低、运行维护简便、自身损耗小（每kvar无功功率损耗为0.3—0.4%以下）等优点,是当前国内外广泛采用的补偿方法。
这种方法的缺点是电力电容器使用寿命较短；无功出力与运行电压平方成正比，当电力系统运行电压降低，补偿效果降低，而运行电压升高时，对用电设备过补偿，使其端电压过分提高，甚至超出标准规定，容易损坏设备绝缘，造成设备故事，弥补这一缺点应采取相应措施以防止向电力系统倒送无功功率。
电力电容器作为补偿装置有两种方法：
串联补偿和并联补偿。
1）串联补偿是把电容器直接串联到高压输电线路上，以改善输电线路参数，降低电压损失，提高其输送能力，降低线路损耗。
这种补偿方法的电容器称作串联电容器，应用于高压远距离输电线路上，用电单位很少采用。
2）并联补偿是把电容器直接与被补偿设备并接到同一电路上，以提高功率因数。
这种补偿方法所用的电容器称作为并联电容器，用电企业都是采用这种补偿方法。
并联电容器的补偿：
电容器的补偿形式，应以无功就地平衡为原则。
电网的无功负荷主要是由用电设备和输变电设备引起的。
除了在比较密集的供电负荷中心集中装设大、中型电容器组，便于中心电网的过电压控制和稳定电网的电源电压质量之外，还应在距用电无功负荷较近的地点装设中、小型电容器组进行就地补偿。
安装电容器进行无功功率补偿时，可采取集中、分散或个别（就地）补偿三种形式。
1）集中补偿：
把电容器组集中安装在变电所的一次或二次侧的母线上，这种补偿方法，安装简便，运行可靠，利用率较高。
2）分散补偿：
将电容器组分组安装在车间配电室或变电所各分路的出线上，它可与工厂部分负荷的变动同时投入或切除。
这种补偿方法效果也较好。
3）个别（就地）补偿
个别（就地）补偿是对单台用电设备所需无功就近补偿的办法，把电容器直接接到单台用电设备的同一个电气回路，用同一台开关控制，同时投运或断开。
这种补偿方法的效果最好，电容器靠近用电设备，就地平衡无功电流，可避免无负荷时的过补偿，使电压质量得到保证。
个别补偿一般常用于容量较大的高低压电动机等用电设备。
但这种方法在用电设备非连续运转时，电容器利用率低，不能充分发挥其补偿效益。
（五）并联电容器提高功率因数的原理
交流电路中，纯电阻电路负载中的电流IR与电压U同相位，纯电感负载中的电流IL滞后电压90°。
而纯电容的电流IC则超前于电压90°。
可见，电容中的电流与电感中的电流相差180°能够互相抵消。
电力系统中的负载，大部分是感性的，因此总电流.I将滞后于电压于一个角度Φ。
如果将并联电容器与负载并联，则电容器的电流IC.将抵消一部分电感电流，从而使电感电流IL减小到ILˊ，总电流从I.减少到.Iˊ，功率因数将由.cosΦ1提高到.cosΦ2，这就是并联补偿的原理。
见下图。
（六）并联电容器在电力系统中的作用
采用并联电容器进行无功补偿主要作用是：
1.补偿无功功率，提高功率因数
系统中大部分为感性负载，为使其正常运行，必须供应它们建立磁场所须的能量，这就出现了电源与负载之间的能量交换，表现为电源要向负载供应无功功率，如对感性负载并联容性设备，让它们之间就地进行一部分能量交换，便能减少电源与负载之间的能量交换。
减少电源供应的无功功率，从而提高了功率因数。
2.增加电网的传输能力，提高设备利用率
若.P1和.P2分别为补偿前、后的有功功率的出力，cosΦ1和cosΦ2分别为补偿前、后的功率因数，则：
△P=P2-P1=S（cosΦ2-cosΦ1）为补偿后的有功功率的出力增量。
可见，在视在功率S不变的前提下，线路传输的功率的出力将有所增加，其增加值为△P：
△P%=[（cosΦ2/cosΦ1）-1]×100%
COSΦ1
0.7
0.7
0.7
0.7
COSΦ2
0.95
0.97
0.98
1
△P%
36%
39%
40%
43%
3.降低线路损失和变压器有功损失
安装无功补偿装置后功率因数提高，线路电流会下降，线路损耗降低，变压器的有功损失也会降低。
对于高压计量的用户，在低压侧安装无功补偿装置，可降低安装点与计量点间的线损，其线损降低量与安装点的位置有关。
如下图，
C为高压集中补偿装置，C1、C2为低压集中补偿装置，C3、C4为单独就地补偿装置，M为交流电动机。
安装低压集中补偿装置C1，降低的线损为A、D间，但线损要分段计算，分A、C段的线损与C、D段的线损，因为这两段流过的电流是不同的。
安装低压集中补偿装置C2，降低的线损为A、B间的。
安装单独就地补偿装置C3、C4，降低的线损也要分段计算。
如果安装高压补偿电容器，降低的线损为计量点之前的，这部线损不在用户的范围内。
对于低压计量的用户，计量点虽然在变压器的二次侧，但电业部门考核时以变压器一次侧的考核点为准。
如下图，同样补偿装置安装在不同的位置降低的线损也是不同的。
由以上两图可以看出：
单独就地补偿的效果最好，但补偿点分散，不便于维护。
安装补偿装置后，可以降低安装点前变压器的有功损失，所以低压补偿对降低变压器的有功损失效果最好。
变压器的有功损失包括铁损和铜损两部分，铁损与一次侧电压的平方成正比，一次侧电压基本不变，所以铁损可认为是不变的有功损失；铜损与二次侧电流的平方成正比，二次侧电流是随负载变化的，所以铜损可认为是可变的有功损失。
线损降低率与变压器铜损降低率是相同的。
用电企业的自然功率因数一般在0.7左右,功率因数从0.7提高到0.95以上线损降低率和变压器的铜损降低率如下表:
其中：
R—线路电阻,Ω
P—线路传输的有功功率,KW
T—设备运行时间,h
UL—线路线电压,KV
COSΦ1、COSΦ2—补偿前、后的功率因数
K—负荷系数（一班制3.6；二班制1.8；三班制1.2）
PK—变压器铜损，KW
T1—变压器运行时间，h
A—用户变压器二次侧有功用电量,
S—变压器额定容量,KVA
4.减少设备容量
在保证有功负荷.P不变的条件下，增加无功补偿时，可以减少设备容量。
这是因为
当功率因数提高后,在输送同样的有功功率的情况下,上式的△S是负值,即可以减少视在功率。
5.改善电压质量
在线路中电压损失△U.的计算如下：
式中△U—线路中的电压损失，kV；
P—有功功率，MW；
Q—无功功率，Mvar.
U—额定电压，kV；
R—线路的总电阻，Ω；
XL—线路感抗，Ω。
由上式可见，当线路中的无功功率.Q减少以后，电压损失△U.也就减少了。
二.并联电容器
（一）自愈式并联电容器
近年来，由于制造聚丙烯金属膜并联低压电力电容器（以下简称自愈式电容器）的工艺技术趋向成熟与完善，国内许多厂矿开始采用，并将逐步更换与取代油浸纸介电容器。
自愈式电容器的各项电性能及比特性大大优于油浸纸介电力电容器，是一很有发展前途的电力行业上节能产品。
自愈电容器的最大特点是：
应用具有自愈性能的聚丙烯金属化膜作为电容器组件的介质与极板。
聚丙烯薄膜具有高工作场强与低介质损耗及体积小、容量大、损耗小等特点。
从下表的几项性能比较我们可以看出自愈式电容器具有油浸纸介电容器所不及的优点。
自愈式电容器与油浸纸介质式电容器性能比较表
以国产低压自愈式并联电力电容器为例，扼要介绍自愈式金属化膜电容器的结构原理及应用：
自愈式电容器主要由芯子、浸渍剂、端子、壳体、保险器、自放电装置等几个主要部分组成。
1.芯子。
芯子是电容器的基本工作单元，由聚丙烯金属化膜绕制而成，两端面的金属层通过喷金连接成电极，每台电容器由若干只芯子根据要求进行组合连接，对于三相低压并联电容器，一般以△形接法。
自愈式电容器的自愈功能就是利用金属化膜的特殊性能，金属化聚丙烯膜是利用高真空蒸镀技术在聚丙烯基膜表面蒸镀一层铝、锌或锌+铝等金属薄层，其厚度极薄，仅0.03—0.04um,这层金属层在一定的温度下极易气化挥发,当施加于该电容器两极板一定电压后,介质中的某些电弱点被击穿,由于击穿电弱点时释放一定的能量,使得电弱点周围的金属层受热而气化挥发,电弱点附近由于失去金属层而形成绝缘区,使电容器自行恢复正常工作,这样每通过一次自愈作用,电容器就剔除一批电弱点,使得电容器的耐压也就提高一个等级。
金属化层的厚薄,直接影响电容器的自愈性能。
一般讲,较薄的金属化层对自愈有利,但与喷金层的结合脆弱。
要求金属化膜既要有良好的自愈性能,又要有足够金属化厚度以提高喷金强度。
目前国外生产一种边缘加厚金属化膜，这种膜具有上述的两大优点。
自愈式电容器，就是选用具有边缘加厚金属化膜绕制芯子，经实践证明，其工作可靠性高，自愈性好，经得起浪涌电流的冲击，工作寿命长。
2.浸清剂。
浸渍剂是电容器内部的充填物，与油浸纸介电容器不同的是，纸介电容器中的浸渍剂，直接浸入介质中间，而自愈电容器由于膜的工作场强高，可以不必像纸一样靠浸渍剂来提高工作场强与降低损耗。
这里的浸渍剂其主要作用是解决芯片子外表面的局部放电与提高电容器的自愈性能，改善散热条件。
自愈式电容器选用一定配比的油蜡作为浸渍剂，通过真空浸渍，将浸渍剂灌注壳内，通过浸渍可以有效地解决芯子边缘的局部放电，并且由于固化后的微晶蜡在芯子外部形成一强大的应力区，当组件自愈时由于存在一定应力，可以迫使迅速灭弧，防止蒸发区扩大与自愈恶化，而导致组件“放炮”，这类浸渍剂与液体浸渍相比，性能稳定，不燃烧，并有效地解决漏油问题。
现在有一种浸渍济——蛭石，它是一种矿物质，使电容器整体为纯干式结构。
3.保险装置。
当自愈式电容器万一由于自愈失效，内部的金属化膜受热软化并放气而使电容器胀鼓时，保险装置能及时切断电源保护整个装置。
4.自放电装置。
放电装置能将电容器在退出运行初始峰值电压在3min内降到50V以下，以保证运行及维修安全。
5.电容器外壳，由马口铁冲制，耐腐性好，外涂阻燃漆，外形美观。
端子与上盖采用整体压铸，耐压强度高，密封性能好。
6.其它。
如接线柱头，安装支架等为电容器上的电气接头及安装紧固件。
（二）电容器运行标准
1.允许过电压
电容器组允许在其1.1倍额定电压下长期运行.在运行中,由于倒闸操作、电压调整、负荷变化等因素可能引起电力系统波动，产生过电压。
有些电压虽然幅值较高，但时间很短，对电容器影响不大，所以电容器组允许短时间的过电压。
对其过电压值不得超过电容器组额定电压U的倍数作如下规定，见下表所示。
电容器组允许的工频过电压
2.允许过电流
电容器组允许在其1.3倍额定电流下长期运行（日本、美国、德国和比利时进口的电容器允许在1.35倍额定电流长期运行）。
通过电容器组的电流与端电压成正比，该电流包括最高允许工频过电压引起的过电流和设计时考虑在内的电网高次谐波电压引起的过电流，因此过电流的限额较过电压的高。
电容器组长期连续运行允许的过电流为其额定电流的1.3倍,即运行中允许长期超过电容器组额定电流的30%,其
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