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电感和电容在无功功率中的作用

电力系统电压与无功补偿

　　现代生产和现代生活离不开电力。

电力部门不仅要满足用户对电力数量不断增长的需要，而且也要满足对电能质量上的要求。

所谓电能质量，主要是指所提供电能的电压、频率和波形是否合格，在合格的电能下工作，用电设备性能最好、效率最高，电压质量是电能质量的一个重要方面，同时，电压质量的高低对电网稳定、经济运行也起着至关重要的作用。

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　　1.电压与无功补偿

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　　电压顾名思义就是电（力）的压力。

在电压的作用下电能从电源端传输到用户端，驱动用电设备工作。

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　　交流电力系统需要电源供给两部分能量，一部分将用于作功而被消耗掉，这部分电能将转换为机械能、光能、热能或化学能，我们称为“有功功率”。

另一部分能量是用来建立磁场，用于交换能量使用的，对于外部电路它并没有作功，由电能转换为磁能，再由磁能转换为电能，周而复始，并没有消耗，这部分能量我们称为“无功功率”，无功是相对于有功而言，不能说无功是无用之功，没有这部分功率，就不能建立感应磁场，电动机、变压器等设备就不能运转。

在电力系统中，除了负荷无功功率外，变压器和线路的电抗上也需要大量无功功率。

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　　国际电工委员会给出的无功功率的定义是：

电压与无功电流的乘积为无功功率。

其物理意义是：

电路中电感元件与电容元件活动所需要的功率交换称为无功功率。

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　　电容和电感并联接在同一电路时，当电感吸收能量时，正好电容释放能量;电感放出能量时，电容正好吸收能量。

能量就在它们中间互相交换。

即电感性负荷所需的无功功率，可以由电容器的无功输出得到补偿，因此我们把具有电容性的装置称为“无功补偿装置”。

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　　电力系统常用的无功补偿装置主要是电力电容器和同步调相机。

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　　若电力负荷的视在功率为S，有功功率为P，无功功率为Q，有功功率、无功功率和视在功率之间的关系可以用一个直角三角形来表示，以有功功率和无功功率各为直角边，以视在功率为斜边构成直角三角形，有功功率与视在功率的夹角称为功率因数角。

有功功率与视在功率的比值，我们称为功率因数，用cosf表示，cosf=P/S。

它表明了电力负荷的性质。

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　　P=UIcosf信息来自:

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　　Q=UIsinf

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　　S=（P2+Q2）1/2=UI信息来自:

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　　有功功率的常用单位为千瓦（kW），无功功率为千乏（kvar），视在功率的单位为千伏安（kVA）。

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　　无功功率按电路的性质有正有负，Q为正值时表示吸收无功功率，Q为负值时表示发出无功功率，在感性电路中，电流滞后于电压，f>0，Q为正值。

而在容性电路中，电流超前于电压，f<0，Q为负值。

（f表示电流与电压的方向，是滞后还是超前）信息来源:

　　这就是人们通常称电动机等设备“吸收”无功而电容器发出“无功”的道理。

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　　2.电压水平与无功功率补偿

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　　当输电线路或变压器传输功率时，电流将在线路或变压器阻抗上产生电压损耗，下面以一条输电线路为例来分析这个问题。

一段输电线路的单相等值电路，其中R、X分别为一相的电阻和等值电抗，U1、U2为首未端相电压，I为线路中流过的相电流。

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　　为了说明问题，以线路末端电压U2为参考轴，设线路电流I为正常的阻感性负荷电流，它滞后于U2一个角度f，电流流过线路电阻产生一个电压降IR，它与电流向量同方向，同时，线路电流也在线路上产生一个电压降IX，它超前于电流向量90度,U1就是U2、IR、IX三个电压的和。

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　　线路的电压损耗DU为电压DU1和DU2之和，U1=IRcosf，DU2=IXsinf，所以线路的电压损耗为DU=DU1+DU2=I（Rcosf+Xsinf），如果电流I用线路末端的单相功率S和电压U2来表示，即信息来源:

　　P=U2Icosf,Q=U2Isinf

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　　则可得：

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　　DU=（PR+QX）/U2

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　　由此可见，电压损耗由两部分组成，即有功功率在电阻上的压降和无功功率在电抗上的压降。

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　　一般说来，在超高压电网的线路、变压器的等值电路中，电抗的数值比电阻大得多。

所以无功功率对电压损耗的影响很大，而有功功率对电压损耗的影响则要小得多。

因此，可以得出结论，在电力系统中，无功功率是造成电压损耗的主要因素。

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　　从前面的分析我们知道，当线路、变压器传输功率时，会产生电压损耗，因而影响了电网各处电压的高低。

如果能改变线路、变压器等电网元件上的电压损耗，也就改变了电网各节点的电压状况。

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　　由电压损耗表达式DU=（PR+QX）/U可知，要改变电压损耗有两种办法。

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（1）改变元件的电阻;

（2）改变元件的电抗，都能起到改变电压损耗的作用。

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　　可采取的一种办法是增大导线截面减小电阻以减小电压损耗，这种办法在负荷功率因数较高、原有导线截面偏小的配电线路中比较有效。

适宜负荷不断增加的农村地区采用。

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　　而电网中用的最多的办法是减少线路中的电抗，在超高压输电线路中广泛采用的分裂导线就可以明显降低线路的电抗。

在我国，220kV线路一般采用二分裂、500kV线路采用四分裂导线。

采用分裂导线，降低线路电抗，不仅仅减少了电压损耗，而且有利于电力系统的稳定性，能提高线路的输电能力。

现在已逐步采用的紧凑型结构输电线路，还可以进一步降低输电线路的电抗，不仅提高了电网的稳定性，同时，也降低了线路的电压损耗。

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　　减小线路电抗的另一种办法是采用串联电容补偿，就是在线路中串联一定数值的电容器，大家知道，同一电流流过串联的电感、电容时，电感电压与电容电压在相位上正好差180度.采用串联电容补偿其主要目的也是增加线路的输电能力，提高电网的稳定性，同时，也降低了线路电压损耗。

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　　串联电容器补偿，现在主要应用于超高压、大容量的输电线路上，山西大同到北京的500kV输电线路全长300多km，在加装了串联电容补偿后电网线损降低，电压质量改善，电网运行的稳定性得到加强，而且输电能力提高了30%以上。

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　　为了更直观的说明改变电抗对降低电路电压损耗的作用，我们举一个简单的例子：

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　　有一110kV线路，输送有功功率15MW，无功功率20Mvar，线路电阻R为2W，线路电抗XL为6W（这里只是假设的数值，因线路的电抗和线路的长度、截面、材料，结构等诸多因素有关，计算比较复杂）信息来自:

　　求：

在电抗XL=6W和经补偿后电抗XL=2W时的压降。

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　　解：

XL=6W时电压损耗：

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　　DU=（PR+QXL）/U=（15×106×2+20×106×6）/（110×103×31/2）=788（V）信息来自:

　　XL=2W时电压损耗：

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　　DU=（PR+QXL）/U=（15×106×2+20×106×2）/（110×103×31/2）=368（V）信息来自:

　　减少电压损耗=788V-368V=420V。

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　　降低电抗后对提高电压的作用显而易见。

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　　除了用改变电力网参数来减少电压损耗以外，改变电压损耗的另一个重要方面是改变电网元件中传输的功率。

即改变表达式中的P和Q的大小，在满足负荷有功功率的前提下，要改变供电线路、变压器传输的有功功率，是比较困难的，常常是不可能的。

因此，改变线路、变压器传输功率都是改变其无功功率，使表达式中的Q减少。

由此我们引出无功功率的几个非常重要的关键的概念。

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　　2.1无功功率补偿概念信息来自:

　　当今电厂受水、环保等多方面的制约，它的位置越来越远离负荷中心，即使建在靠近负荷点，由于单机容量越来越大，发电机的额定功率因数也越来越高，这样，电网实际接受的无功功率就越来越少，单靠发电机发出的无功功率远远不能满足电网对无功功率的需要，必须配置各种无功功率补偿装置。

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　　例如：

目前北京地区有功负荷的2/3电力要从山西、内蒙、河北等地远距离用超高压500kV线路送来，为了能接受到这么多的有功功率，必须在北京地区负荷中心装设相应数量的无功功率补偿电力设施（一般为1kW的有功电力配1kvar的无功电力补偿设施）。

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　　2.2无功功率就地补偿的概念信息来自:

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　　无功补偿装置的分布，首先要考虑调压的要求，满足电网电压质量指标。

同时，也要避免无功功率在电网内的长距离传输，减少电网的电压损耗和功率损耗。

无功功率补偿的原则是做到无功功率分层分区平衡，就是要做到哪里有无功负荷就在那里安装无功补偿装置。

这既是经济上的需要，也是无功电力特征所必需的，如果不这样做，就达不到最佳补偿的目的，解决不了无功电力就地平衡的问题。

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　　2.3无功功率平衡的概念信息请登陆:

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　　如同有功功率平衡一样，电力系统的无功功率在每一刻也必须保持平衡。

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　　在电力系统中，频率与有功功率是一对统一体，当有功负荷与有功电源出力相平衡时，频率就正常，达到额定值50Hz，而当有功负荷大于有功出力时，频率就下降，反之，频率就会上升。

电压与无功功率也和频率与有功功率一样，是一对对立的统一体。

当无功负荷与无功出力相平衡时，电压就正常，达到额定值，而当无功负荷大于无功出力时，电压就下降，反之，电压就会上升。

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　　但是，需要说明的是电压与无功功率之间的关系要比频率与有功功率之间的关系复杂得多，大体上有以下几点：

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　　①在一个并列运行的电力系统中，任何一点的频率都是一样的，而电压与无功电力却不是这样的。

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　　当无功功率平衡时，整个电力系统的电压从整体上看是会正常的，是可以达到额定值的，即便是如此，也是指整体上而已，实际上有些节点处的电压并不一定合格，如果无功不是处于平衡状态时，那么情况就更复杂了，当无功出力大于无功负荷时，电压普遍会高一些，但也会有个别地方可能低一些，反之，也是如此。

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　　②系统需要的无功功率远远大于发电机所能提供的无功出力，这是由于现代超高压电网包括各级变压器和架空线路在传送电能时需要消耗大量的无功，称为"无功损耗"，一般来说，这些无功损耗与整个电网中的无功负荷的大小是差不多的，我们以一台50MVA的110kV变压器为例来了解变压器在运行中的无功损耗情况。

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　　变压器的参数为：

Ue=110kV，Se=50MVA，Uk%=17%，变压器在传送电能时的无功损耗的计算式为：

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　　Q=SeUk%（I/Ie）2

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　　式中I--变压器的负荷电流;信息来源:

　　Ie--变压器的额定电流，与变压器的无功损耗与变压器的负载率、变压器的额定容量及短路阻抗有关。

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　　如果这台变压器满负荷运行，那么它的无功损耗就是：

Q=50MVA×17%=8.5Mvar

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　　此时变压器的无功损耗相当大，其低压侧安装的并联电容器组的容量甚至不够补偿变压器满负荷时的无功损耗。

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　　③无功功率不宜远距离输送，当输送功率与传送距离达到一定极限时，其传送功率成为不可能，这是由于超高压等级的变压器、线路电抗较大，其无功损耗Q=I2X相应也很大，所输送的无功功率均损耗在变压器及线路上了。

另外，传送大量的无功功率时，线路电压损失也相当大，同样会造成无法传送的结果。

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　　合理的就地无功补偿对调整系统电压、降低线损有十分重要的作用。

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　　设有一条110kV线路选用LG-300型导线（导线电阻0.095W/km）线路全长20km，输送有功功率30MW，无功功率40Mvar，下面分别计算在功率因数cosf=0.6和0.9时线路的功率损耗和应补偿的无功功率。

本题只计算导线电阻的功率损耗，不考虑其它因素。

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　　1）在cosf=0.6时，此时有功P=30MW，无功Q=40Mvar，视在功率S=50MVA，电流I=S/U=50MVA/（110kV×31/2）=263A，功率损耗P=I2·R=2632×0.095×20×3=394kW。

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　　2）在cosf=0.9时，此时有功功率P=30MW，视在功率S=33.333MVA，无功功率Q=14.528Mvar，I=S/U=33.333MVA/（110kV×31/2）=175A，功率损耗P=I2·R=1752×0.095×20×3=175kW。

应补偿无功容量=40-14.528=25.472Mvar。

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　　补偿前后有功损耗相差219kW。

由计算结果可知补偿无功功率25.472Mvar后每小时可降低线损219kWh。

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　　无功补偿对电力系统的重要性越来越受到重视，合理地投停使用无功补偿设备，对调整电网电压、提高供电质量、抑制谐波干扰、保证电网安全运行都有着十分重要的作用。

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　　无功补偿装置的合理使用可以给供电企业带来巨大的经济效益。

对于像北京电力公司这样的大企业来说，线损每降低0.1个百分点，就可以增加上千万元收入。

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　　从根本上说，要维持整个系统的电压水平，就必须有足够的无功电源来满足系统负荷对无功功率的需求和补偿线路和变压器中的无功功率损耗。

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　　如果系统无功电源不足，则会使电网处于低电压水平上的无功功率平衡，即靠电压降低、负荷吸收无功功率的减少来弥补无功电源的不足。

同样，如果由于电网缺乏调节手段或无功补偿元件的不合理运行使某段时间无功功率过剩，也会造成整个电网的运行电压过高。

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　　我国电网曾在20世纪70年代由于缺乏无功功率补偿设备而长期处于低电压运行状态。

有些地方想用调节变压器分接头的办法来解决本地区电压低的问题。

开始，这种办法也有一些效果，某些供电点电压升高了，但这是以降低别处电压为代价的，因为总的无功电源不足，局部地区电压升高无功负荷增大，必然使别处无功功率更少、电压更低。

各处普遍采用调节变压器分接头的结果，不仅没能提高负荷的供电电压，而是使得无功损耗加大，整个系统低电压问题更加严重。

在这种情况下，首要的问题应该是增加无功功率补偿设备。

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　　低压运行同时对电网安全带来巨大危害，系统稳定性差，十分脆弱，经受不起事故异常及负荷强烈变化对系统的冲击、十分容易造成大面积的停电和系统瓦解的后果，国内外均有此先例。

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　　3.各种无功补偿设备及补偿方式信息来源:

　　下面我们介绍各种无功功率补偿设备及补偿方式。

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　　3.1同步调相机

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　　同步调相机实质上是一种不带机械负载的同步电动机，它是最早采用的一种无功补偿设备，在并联电容器得到大量采用后，它退居次要地位。

其主要缺点是投资大，运行维护复杂。

因此，许多国家不再新增同步调相机作为无功补偿设备。

但是同步调相机也有自身的优点：

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　　①调相机可以随着系统负荷的变化，均匀调整电压，使电网电压保持规定的水平。

电容器只能分成若干个小组，进行阶梯式的调压。

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　　②调相机可以根据系统无功的需要，调节励磁运行，过励磁时可以做到发出其额定100%的无功功率，欠励磁时还可以吸收其额定的50%的无功功率。

电容器只能发出无功，不能吸收无功。

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　　③调相机可以安装强行励磁装置，当电网发生故障时，电压剧烈降低，调相机可以强行励磁，保持电网电压稳定，因而提高了系统运行的稳定性。

电容器输出无功功率与运行电压的平方成正比，电压降低，输出的无功将急剧下降，比如，当电压下降10%，变为0.9Ue时，电容器输出的无功功率变为0.81Q，即其输出的无功功率将下降19%，所以，电容器此时不能起到稳定系统电压的作用。

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　　3.2并联电容器

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　　作为无功补偿设备，电容器有以下显著优点：

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　　①电容器是最经济的设备。

它的一次性投资和运行费用都比较低，且安装调试简单。

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　　②电容器的损耗低，效率高。

现代电容器的损耗只有本身容量的0.02%左右。

调相机除了本身的损耗外，其附属设备还需用一定的所用电，损耗2%～30%，大大高于电容器。

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　　③电容器是静止设备，运行维护简单，没有噪音。

调相机为旋转电机，运行维护很复杂。

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　　④电容器的应用范围广，可以集中安装在中心变电站，也可以分散安装在配电系统和厂矿用户。

而调相机则只能固定安装在中心变电站，应用有较大的局限。

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　　并联电容器是电网中用得最多的一种无功功率补偿设备，目前国内外电力系统中90%的无功补偿设备是并联电容器。

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　　3.3并联电抗器信息来自:

　　并联电抗器是一种感性无功补偿设备，它可以吸收系统中过剩的无功功率，避免电网运行电压过高。

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　　为了防止超高压线路空载或轻负荷运行时，线路的充电功率造成线路电压升高，一般装设并联电抗器吸收线路的充电功率，同时，并联电抗器也用来限制由于突然甩负荷或接地故障引起的过电压从而危及系统的绝缘。

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　　并联电抗器可以直接接到超高压（275kV及以上）线路上，其优点是：

可以限制高压线路的过电压，与中性点小电抗配合，有利于超高压长距离输电线路单相重合闸过程中故障相的消弧，从而提高单相重合闸的成功率。

高压电抗器本身损耗小，但造价较高。

并联电抗器也可以接到低压侧或变压器三次侧，有干式的和油浸的两种，这种方式的优点是造价较低，操作方便。

从发展趋势看，更多的将采用高压电抗器。

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　　大型并联电抗器的技术、结构和标准与大型电力变压器类似，也有单相和三相，心式和壳式之分，心式还可以分为带间隙柱的和空心式的，目前我国制造的高压大容量并联电抗器只采用心式结构。

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　　心式电抗器的结构与心式变压器类似，但是只有一个绕组，在磁路中加入间隙以保证不饱和，维持线性。

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　　3.4静止补偿器（SVC-StaticVarCompensator）信息来源:

　　静止补偿器是近年来发展起来的一种动态无功功率补偿装置，电容器、电抗器、调相机是对电力系统静态无功电力的补偿，而静止补偿器主要是对电力系统中的动态冲击负荷的补偿。

根据负荷变动情况，静止补偿可以迅速改变所输出无功功率的性质或保持母线电压恒定。

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　　静止补偿器实际上是将可控电抗器与电容器并联使用。

电容器可发出无功功率，可控电抗器可吸收无功功率。

其控制系统由可控的电子器件来实现，响应速度远远高于调相机，一般只有20ms。

它主要用于冲击负荷如大型电炉炼钢、大型轧机以及大型整流设备等。

另外，在电力系统的电压枢纽点、支撑点也可以用静止补偿器来提高系统的稳定性，同时，静止补偿器还可以抑制谐波对电力系统的危害。

在我国湖南、、、河南等多个500kV枢纽变电站都采用了这种装置。

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　　例如我国某大型炼钢厂使用电弧炉炼钢，严重影响供电质量，电弧炉运行时使电压下降15%~20%，谐波的干扰使众多用户的电视不能收看，电器设备不能正常使用，群众反应强烈。

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　　在装了静止补偿装置后，供电质量显著改善，电压波动很小，完全在允许范围内，谐波干扰明显降低。

在周围广大用户普遍受益的同时，该厂也降低了线损，减少了电费支出，提高了产品的产量和质量，获得了良好的经济效益。

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　　静止补偿器的最大特点是调节快速。

为了充分发挥它在需要无功功率时的快速调节能力，在正常情况下应经常运行在接近零功率的状态。

但因正常负荷变动引起的电压变化过程缓慢，用一般价格比较便宜的电容器与电抗器等投切配合，完全可以满足要求，没有必要选用这种设备。

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　　4.各种调压方法的比较和应用信息来自:

　　电力系统电压的调整可以通过对中枢点电压的调整来实现。

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　　如果中枢点供电至各负荷点的线路较长，各负荷点的变化规律大致相同，而负荷变动较大，则应在高峰负荷时适当提高中枢点的电压以补偿线路上增大的电压损耗，在低谷负荷时，供电线路电压损耗较小，中枢点电压适当降低，以防止负荷点电压过高。

这种高峰负荷时电压高于低谷负荷时的电压调整方式，称为"逆调压"。

中枢点采用逆调压方式的，在高峰负荷时一般保持电压比线路额定电压高5%，在低谷负荷时电压下降至线路额定电压。

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　　对供电线路不长，负荷变化不大的中枢点，可以采用"顺调压"，顺调压就是在高峰负荷时中枢点电压略低，低谷负荷时电压略高。

顺调压一般要求高峰负荷中枢点电压不低于线路额定电压的102.5%，低谷负荷时中枢点电压不高于线路额定电压的107.5%。

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　　介于"逆调压"与"顺调压"之间的是"恒调压"，恒调压是指在任何负荷时，保持中枢点电压基本不变。

一般保持102%～105%的额定电压。

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　　电压调整是个比较复杂的问题，因