无功补偿设计Word文档下载推荐.docx

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大量的感性负荷和电网中的无功功率损耗，要求系统提供足够的无功功率，否则电网电压将下降，电能质量得不到保证。

同时，无功功率的不合理分配，也将造成线损增加，降低电力系统运行的经济性。

电网中无功不平衡主要有两方面的原因：

一方面是输送部门传送的三相电的质量不高，一方面是用户的电气性能不够好。

这两方面的原因综合起来导致了无功的大量存在。

在电力系统中，电压和频率是衡量电能质量的两个最重要的指标。

为确保电力系统的正常运行，供电电压和频率必须稳定在一定的范围内。

频率的控制与有功功率的控制密切相关，而电压控制的重要方法之一就是对电力系统的无功功率进行控制。

现如今大部分用电设备为感性负载，自然功率因数较低，用电设备在消耗有功功率的同时，还需无功功率由电源送往负荷。

功率因数是供用电系统的一项重要技术经济指标，通过合理采用无功补偿技术，可以减少无功功率在电网中的流动。

为了提高企业无功功率补偿装置的经济效益，减少无功补偿的流动，无功补偿应遵循就地补偿，就地平衡的原则，以满足需要。

借助于无功补偿设备提供必要的无功功率，以提高系统的功率因数，降低能耗，改善电网电压质量。

第二节无功补偿解析

1.2.1无功补偿的原则

国家《电力系统电压和无功电力技术导则》规定，无功补偿与电压调节应以下列原则进行。

a.总体平衡与局部平衡相结合；

b.电力补偿与用户补偿相结合；

c.分散补偿与集中补偿相结合；

d.降损与调压相结合，以降损为主。

无功补偿的技术原则

无功补偿应尽量分层（按电压等级）和分区（按地区）补偿，就地平衡，避免无功电力长途输送与越级传输

（图1-1）无功就地平衡示意图

无功补偿设备的优化配置原则为：

“总体平衡与局部平衡相结合；

供电部门补偿与用户补偿相结合；

集中补偿与分散补偿相结合，以分散为主；

降损与调压相结合，以降损为主。

”无功就地平衡示意图如图1-1所示。

1.2.2无功功率平衡

欲维持电力系统电压的稳定性，应使电力系统中的无功功率保持平衡，即系统中的无功电源可发出的无功功率应大于或等于负荷所需的无功功率和网络中的无功损耗。

系统中无功功率的平衡关系式如下：

　　Qgc-Qld-Ql=Qr

式中Qgc——电源发出的无功功率之和;

　　Qld——无功负荷之和;

　　Ql——网络中的无功损耗之和;

　　Qr——系统可提供的备用无功功率。

Qr>

0，表示系统中无功功率可以平衡而且有适当的备用；

Qr<

0，表示系统中无功功率不足，此时，为保证系统的运行电压水平，就应考虑加设无功补偿装置。

Qgc包括全部发电机发出的无功功率Qg和各种无功补偿装置提供的无功功率Qc，即

　　Qgc=Qg＋Qc

1.2.2.1补偿容量不足时的无功功率平衡

进行系统无功功率平衡的前提是保持系统的电压水平正常，否则，系统的电压

（图1-2）系统无功功率负荷的静态电压特性曲线

质量就得不到保证。

在图1-4所示的系统无功功率负荷的静态电压特性曲线中，在正常情况下，系统无功功率电源所提供的无功功率Qgcn，由无功功率平衡的条件Qgcn-Qld-Ql=0决定的电压为Un，设此电压对应于系统正常的电压水平。

但假如系统无功功率电源提供的无功功率仅为Qgc（Qgc<

QGCN），此时虽然系统中的无功功率也能平衡，但平衡条件所决定的电压水平为U，而U显然低于UN。

在这种情况下，虽然可以采取某些措施，如改变某台变压器的变比来提高局部地区的电压水平，但整个系统的无功功率仍然不足，系统的电压质量得不到全面改善。

这种平衡是系统无功功率不足时达到的平衡，是由于系统的电压水平下降，无功功率负荷本身具有的电压调节效应，使全系统的无功功率需求有所下降而达到的。

1.2.2.2系统无功功率电源充足时的无功功率平衡

在正常情况下（系统电压为额定电压），如图1-3所示，系统无功电源Q同电压U的关系为曲线1，负荷的无功电压特性为曲线2，两者的交点a确定了负荷节点的电压Ua。

（图1-3）系统无功功率电源充足时的无功功率平衡曲线

当负荷增加时，如曲线2所示，如果系统的无功电源没有相应增加，电源的无功特性仍然是曲线1，这时曲线1和曲线2的交点a＇就代表了新的无功功率平衡点，并由此决定了负荷点的电压为Ua′，显然Ua′<

UA,说明负荷增加后，系统的无功功率电源已不能满足在电压UA下的无功平衡，只能降低电压运行，以取得较低电压下的无功功率平衡；

但如果系统无功电源比较充足，通过补偿，电源的无功特性将上移到曲线1′的位置，从而使曲线1′与2′的交点C所确定的负荷节点电压达到或接近原来的数值UA。

由此可见，若系统的无功功率电源比较充足，系统就能具有较高的运行电压水平;

反之，系统的无功功率电源不足，则反映为系统运行电压水平偏低。

因此，应该力求实现在额定电压下的系统无功功率平衡，根据这个要求来装设必要的无功功率补偿装置。

1.2.2.3实行实时无功补偿和电压调节

为了实行实时无功补偿，优化无功潮流分布，提出一种全网无功补偿和电压优化实时控制方法，以实现从离线处理转化为实时处理，提高全网各节点电压合格率，减少网损，取得较好的经济性。

1.2.3.1控制无功补偿和电压优化的规则

以全网网损尽量小、各节点电压合格为目标，以调度中心为控制中心，以各变电站的有载调压变压器分接头调节与电容器投切为控制手段。

1.2.3.2控制流程

首先从调度自动化系统采集数据，送入电压分析模块和无功分析模块进行综合分析，形成变电所主变分接头调节指令、变电所电容器投切指令，由调度中心、集控中心、配调中心控制系统执行，循环往复。

无功电压实时控制流程见图1-4。

（图1-4）无功电压实时控制流程见图

1.2.3.3无功补偿与电压优化的控制原理

电力系统电压无功限值区间的划分（动态9区图）见图1-5。

根据该图在各区内，以最优的控制顺序和电压无功设备组合使运行点进入无功、电压均满足要求的第9区。

电压控制按照逆调压原则，当电压变化超出电压曲线的允许偏差范围（U上—U下）或超出无功功率允许偏差范围（Q上—Q下）时，根据整定的偏移量发出电容器投切指令或变压器分接头调整指令，从而达到调整电压和无功潮流的目的。

（图1-5）电压无功限值区间划分

其中，U上、U下分别为电压约束上、下限，Q上、Q下分别为无功约束上、下限，各区动作方案如下。

　1区：

电压超下限，无功超上限。

设定电容器投入容量，并发出电容器投入指令，当电容器全部投入后，电压仍低于U下时，发出变压器分接头升压调节指令。

2区：

电压合格，无功超上限。

发出电容器投入指令，当电容器全部投入后运行点仍在该区，则维持运行点。

3区：

电压超上限，无功超上限。

发出变压器分接头降压调节指令；

当有载调压已处于下限时，再发出上一级变压器分接头调节指令。

4区：

电压超上限，无功合格。

动作方案同3区。

　5区：

电压超上限，无功超下限。

发出电容器切除指令，当电容器全部切除后，电压仍高于U上时，再发出变压器分接头降压调节指令。

6区：

电压合格，无功超下限。

发出电容器切除指令，当电容器全部切除后，运行点仍在该区，则维持该运行点。

7区：

电压超下限，无功超下限。

发出变压器分接头升压调节指令，当有载调压已处于上限时，再发出电容器投入指令。

8区：

电压超下限，无功合格。

动作方案同7区。

9区：

电压、无功均合格。

维持该运行点，不发调整指令。

1.2.4应用分析

（图1-6）某区域电网接线示意图

　以#6变电站为例，假设其运行于1区，即10kV母线电压低于其电压曲线下限，同时变压器高压侧所受无功功率潮流高于其整定上限，那么，控制系统会根据采集到的实时数据，先进入电容器调节程序，计算确定应投入的电容器容量，条件是电容器投入后，10kV侧不得向35kV侧反送无功或不得超出无功受电的整定下限。

如果电容器全部投入后，仍然不能满足要求，系统会进入变压器分接头计算程序，并根据计算结果，发出变压器分接头调节指令，强行提高低压侧母线电压，使其达到或高于电压曲线下限，但此时变电站无功负荷潮流不一定满足整定要求，可以根据对负荷的预测，增加电容器的装设容量。

若运行于2区，即10kV母线电压达到或高于其电压曲线下限，同时变压器高压侧所受无功功率潮流高于其整定上限，则控制系统只进入电容器调节程序，发出电容器投入指令，补偿无功，减小变电站无功受电。

若电容器全部投入后，仍不能使无功潮流满足要求，由于电压在合格范围内，控制程序不再进入变压器分接头调节程序，使其维持在该运行状态下。

对于电容器装设容量不足的问题，也可以通过增加电容器的装设容量来满足需要。

在3区运行时，由于电压超过上限，但无功受电也较多，超过上限，这主要由变压器变比不合适引起，控制系统会以此条件做出判断。

首先发出变压器分接头调节指令进行降压，若分接档位调至下限时，电压仍超过上限，此时应调节上一级变压器（4）分接头降低电压。

不切除电容器是因为切除后，无功受电会进一步加大，不符合网损尽量小的原则。

此外，可采取调整负荷结构，平衡无功负荷的措施，不使其过于集中。

在4区运行时，第一步与3区调整原则一致，第二步控制系统在保证无功合格的条件下，切除部分电容器，减少其对电压的抬升作用。

5～8区与1～4区相对应，控制系统会发出相反的调节指令，不再叙述。

1.2.5.1降低线损

应用前后3个月的网损统计数据比较如表1所示。

应用实时无功补偿与电压控制系统后，1～3月的节电量分别为300、349、420MW·

h，降损节电效果明显。

表1

1.2.5.2提高了电压合格率

系统应用前后的电压合格率比较见表2。

可以看出，各点电压合格率均得到了提高。

表2

地点

应用前

应用后

提高程度

变电所B点

98.19

99.25

1.06

用户端A点

97.17

98.40

1.23

用户端C点

97.82

98.92

1.10

用户端D点

96.33

97.66

1.33

1.2.5.3改善了设备运行状态

由于实施全网实时无功补偿和电压调节，变电所电容器平均每天投切次数由以前的3次增加到9次，主变分接头开关调节次数由以前的10次/（台·

d），降低到现在的5次/（台·

d）；

同时，高压侧功率因数由0.89提高到0.96。

按照上述方案实施无功补偿和电压调节，使无功功率得到了自动实时补偿，实现从离线处理到实时处理,从就地平衡到全网平衡,从单独控制到集中控制，避免了人工监视、手动投切的各种弊端，如响应慢、误操作、工作量大等，电压水平的合格性和稳定性得到了显著提高，整个电网的网损降到了尽量低的程度。

运行实例表明，该系统方案在电力系统具有良好的应用前景。

第三节无功补偿的类型

采用人功补偿法来对无功功率进行补偿，则需要增置产生无功功率的补偿设备，如同期调相机，并联电容器，静止补偿装置等。

并联电容器又称移相电容器，是一种专门用来改善功率因数的电力电容器。

和其他无功功率补偿装置相比，并联电容器无旋转部分，具有安装，运行维护简单方便，有功损耗小以及组装增容灵活，扩建方便，安全，投资少等优点，所以并联电容器在一般工矿企业种应用最为普遍。

并联电容器有损坏后不便修复，从电网切除后存在危险的残余电压等缺点。

不过电容器损坏后更换方便，从电网切除后的残余电压可通过放电消除，因此，电容器的这些缺点不是主要的，不影响并联电容器的广泛应用。

并联电容器的补偿方式一般有个别补偿，分组补偿和集中补偿三种。

1.3.1个别补偿方式

个别补偿方式广泛用于低压网络，是将电容器组直接接在用电设备附近，一般和用电设备合用一套开关，如图1-7所示。

个别补偿的优点是补偿效果好，缺点是电容器利用率低。

对连续运行的用电设备所需补偿的无功功率容量较大时，采用个别补偿最为合适。

（图1-7）个别补偿方式

1.3.2分组补偿方式

分组补偿方式是将电容器组分别安装在各车间配电盘的母线上，如图1-8所示。

这样配电变压器及变电站至车间的线路都可以收到补偿效果。

分组补偿方式的电容器组利用率比个别补偿方式高，所需容量也比个别补偿方式少。

（图1-8）分组补偿方式

1.3.3集中补偿方式

集中补偿方式是将电容器组接在变电站（或配电站）的高压或低压母线上，如图1-9所示。

这种补偿方式的电容器组利用率较高，但不能减少客户内部配电网络的无功负荷所引起的损耗。

（图1-9）集中补偿方式

第二章无功补偿对低压电网功率因数的影响

第一节无功补偿的合理配置原则

2.1.1总体平衡与局部平衡相结合，以局部为主。

从电力网无功功率消耗的基本状况可以看出，各级网络和输配电设备都要消耗一定数量的无功功率，尤以低压配电网所占比重最大。

为了最大限度地减少无功功率的传输损耗，提高输配电设备的效率，无功补偿设备的配置，应按照“分级补偿，就地平衡”的原则，合理布局。

2.1.2电力部门补偿与用户补偿相结合。

在配电网络中，用户消耗的无功功率约占50%～60%，其余的无功功率消耗在配电网中。

因此，为了减少无功功率在网络中的输送，要尽可能地实现就地补偿，就地平衡，所以必须由电力部门和用户共同进行补偿。

2.1.3分散补偿与集中补偿相结合，以分散为主。

集中补偿，是在变电所集中装设较大容量的补偿电容器。

分散补偿，指在配电网络中分散的负荷区，如配电线路，配电变压器和用户的用电设备等进行的无功补偿。

集中补偿，主要是补偿主变压器本身的无功损耗，以及减少变电所以上输电线路的无功电力，从而降低供电网络的无功损耗。

但不能降低配电网络的无功损耗。

因为用户需要的无功通过变电所以下的配电线路向负荷端输送。

所以为了有效地降低线损，必须做到无功功率在哪里发生，就应在哪里补偿。

所以，中、低压配电网应以分散补偿为主。

2.1.4降损与调压相结合，以降损为主。

第二节影响功率因数的主要因素

功率因数的产生主要是因为交流用电设备在其工作过程中，除消耗有功功率外，还需要无功功率。

当有功功率P一定时，如减少无功功率Q，则功率因数便能够提高。

在极端情况下，当Q=0时，则其力率=1。

因此提高功率因数问题的实质就是减少用电设备的无功功率需要量。

2.2.1异步电动机和电力变压器是耗用无功功率的主要设备

异步电动机的定子与转子间的气隙是决定异步电动机需要较多无功的主要因素。

而异步电动机所耗用的无功功率是由其空载时的无功功率和一定负载下无功功率增加值两部分所组成。

所以要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率。

变压器消耗无功的主要成份是它的空载无功功率，它和负载率的大小无关。

因而，为了改善电力系统和企业的功率因数，变压器不应空载运行或长其处于低负载运行状态。

2.2.2供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响

当供电电压高于额定值的10%时，由于磁路饱和的影响，无功功率将增长得很快，据有关资料统计，当供电电压为额定值的110%时，一般工厂的无功将增加35%左右。

当供电电压低于额定值时，无功功率也相应减少而使它们的功率因数有所提高。

但供电电压降低会影响电气设备的正常工作。

所以，应当采取措施使电力系统的供电电压尽可能保持稳定。

2.2.3电网频率的波动也会对异步电机和变压器的磁化无功功率造成一定的影响

以上论述了影响电力系统功率因数的一些主要因素，因此必须要寻求一些行之有效的、能够使低压电力网功率因数提高的一些实用方法，使低压网能够实现无功的就地平衡，达到降损节能的效果。

第三节低压配电网无功补偿的方法

提高功率因数的主要方法是采用低压无功补偿技术，我们通常采用的方法主要有三种：

随机补偿、随器补偿、跟踪补偿。

2.3.1随机补偿

随机补偿就是将低压电容器组与电动机并接，通过控制、保护装置与电机，同时投切。

随机补偿适用于补偿电动机的无功消耗，以补励磁无功为主，此种方式可较好地限制用电单位无功负荷。

随机补偿的优点是：

用电设备运行时，无功补偿投入，用电设备停运时，补偿设备也退出，而且不需频繁调整补偿容量。

具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活，维护简单、事故率低等。

2.3.2随器补偿

随器补偿是指将低压电容器通过低压保险接在配电变压器二次侧，以补偿配电变压器空载无功的补偿方式。

配变在轻载或空载时的无功负荷主要是变压器的空载励磁无功，配变空载无功是用电单位无功负荷的主要部分，对于轻负载的配变而言，这部分损耗占供电量的比例很大，从而导致电费单价的增加。

随器补偿的优点：

接线简单、维护管理方便、能有效地补偿配变空载无功，限制农网无功基荷，使该部分无功就地平衡，从而提高配变利用率，降低无功网损，具有较高的经济性，是目前补偿无功最有效的手段之一。

2.3.3跟踪补偿

跟踪补偿是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补偿在大用户0.4kv母线上的补偿方式。

适用于100kVA以上的专用配变用户，可以替代随机、随器两种补偿方式，补偿效果好。

跟踪补偿的优点是运行方式灵活，运行维护工作量小，比前两种补偿方式寿命相对延长、运行更可靠。

但缺点是控制保护装置复杂、首期投资相对较大。

但当这三种补偿方式的经济性接近时，应优先选用跟踪补偿方式。

第四节无功功率补偿容量的选择方法

无功补偿容量以提高功率因数为主要目的时，补偿容量的选择分两大类讨论，即单负荷就地补偿容量的选择（主要指电动机）和多负荷补偿容量的选择（指集中和局部分组补偿）。

2.4.1单负荷就地补偿容量的选择的几种方法

2.4.1.1美国资料推荐：

Qc=（1/3）Pe[额定容量的1/3]

2.4.1.2日本方法：

从电气计算日文杂志中查到：

1/4~1/2容量计算

考虑负载率及极对数等因素，按式（5）选取的补偿容量，在任何负载情况下都不会出现过补偿，而且功率因数可以补偿到0.90以上。

此法在节能技术上广泛应用，对一般情况都可行，特别适用于Io/Ie比值较高的电动机和负载率较低的电动机。

但是对于Io/Ie较低的电动机额定负载运行状态下，其补偿效果较差。

2.4.1.3经验系数法：

由于电机极数不同，按极数大小确定经验系数选择容量比较接近实际需要的电容器，采用这种方法一般在70%负荷时，补后功率因数可在0.95~0.97之间

经验系数表

电机类型一般电机起重电机冶金电机

极数246810810

补偿容量（kvar/kw）0.20.2~0.250.25~0.30.35~0.40.50.60.75

电机容量大时选下限，小时选上限；

电压高时选下限，小时选上限

Qc=P[√1/COS2φ1-1-√1/COS2φ2-1]

实际测试比较准确方法此法适用于任何一般感性负荷需要精确补偿的就地补偿容量的计算。

2.4.1.4、如果测试比较麻烦，可以按下式

Qc≤√3UeIo×

10-3（kvar）

Io-空载电流=2Ie（1-COSφe）瑞典电气公司推荐公式

若电动机带额定负载运行，即负载率β=1,根据电机学知识可知，对于Io/Ie较低的电动机（少极、大功率电动机），在较高的负载率β时吸收的无功功率Qβ与激励容量Qo的比值较高，即两者相差较大，在考虑导线较长，无功经济当量较高的大功率电动机以较高的负载率运行方式下，此式来选取是合理的。

2.4.1.5、按电动机额定数据计算：

Q=k（1-cos2φe）3UeIe×

K为与电动机极数有关的一个系数

极数：

246810

K值：

0.70.80.850.9　　

2.4.2、多负荷补偿容量的选择

多负荷补偿容量的选择是根据补偿前后的功率因数来确定。

2.4.2.1、对已生产企业欲提高功率因数，其补偿容量Qc按下式选择：

Qe=KmKj（tgφ1-tgφ2）/Tm

式中：

Km为最大负荷月时有功功率消耗量，由有功电能表读得；

Kj为补偿容量计算系数，可取0.8～0.9;

Tm为企业的月工作小时数；

tgφ1、tgφ2意义同前，tgφ1由有功和无功电能表读数求得。

2.4.2.2、对处于设计阶段的企业，无功补偿容量Qc按下式选择:

Qc=KnPn（tgφ1-tgφ2）

式中Kn为年平均有功负荷系数，一般取0.7～0.75;

Pn为企业有功功率之和；

tgφ1、tgφ2意义同前。

tgφ1可根据企业负荷性质查手册近似取值，也可用加权平均功率因数求得cosφ1。

多负荷的集中补偿电容器安装简单，运行可靠、利用率较高。

但电气设备不连续运转或轻负荷运行时，会造成过补偿，使运行电压抬高，电压质量变坏。

因此这种方法选择的容量，对于低压来说最好采用电容器组自动控制补偿，即根据负荷大小自动投入无功补偿容量的多少，对高压来说应考虑采取防过补偿措施。

第三章无功补偿的效益

在现代用电企业中，在数量众多、容量大小不等的感性设备连接于电力系统中，以致电网传输功率除有功功率外，还需无功功率。

如自然平均功率因数在0.70～0.85之间。

企业消耗电网的无功功率约占消耗有功功率的60%～90%,如果把功率因数提高到0.95左右，则无功消耗只占有功消耗的30%左右。

由于减少了电网无功功率的输入，会给用电企业带来效益。

3.1节省企业电费开支。

提高功率因数对企业的直接经济效益是明显的，因为国家电价制度中，从合理利用有限电能出发，对不同企业的功率因数规定了要求达到的不同数值，低于规定的数值，需要多收电费，高于规定数值，可相应地减少电费。

可见，提高功率因数对企业有着重要的经济意义。

3.2提高设备的利用率。

对于原有供电设备来讲，在同样有功功率下，因功率因数的提高，负荷电流减少，因此向负