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1、自动化毕业论文谈无功补偿 Prepared on 22 November 2020自动化毕业论文谈无功补偿内 容 摘 要 随着社会的发展，电气系统的自动化，电力负荷得逐渐增加，就必然要求电网系统利用率的提高，提高输送电力的质量。降低供电系统的损耗，提高功率因素，减少能量损耗成为现在电气系统里很热门的话题。怎样进行无功补偿如何选择电容补偿控制补偿容量又该怎么确定无功补偿装置发展现状是怎样等等。这些问题都需要深入的研究和符合实际的计算。 任何电力系统都是必须有进线柜、出线柜、无功补偿柜等，这些低压开关柜又存在什么关系和异同，他们的工作原理是什么，用来做什么，是怎样进行工作运转的最简单的电气系统是怎

2、么工作的，母联柜的作用，等等。关 键 词 无功功率补偿 补偿原理 开关柜第一章 无功补偿 浅谈电容器无功补偿 随着电力负荷的增加，必然要求电网系统利用率的提高。因为无功电流占用部分有效电力传输容量，增加电力传输的损耗，所以尽可能地缩短无功的产生和无功用户之间的距离就十分重要，这样可以增加输送有功电力的能力，减少能量损耗，提高输送电力的质量。连接到电网中的大多数电器不仅需要有功功率，还需要一定的无功功率，电机和变压器中的磁场靠无功电流维持，输电线中的电感也消耗无功，电抗器、荧光灯等所有感性电路全部需要一定的无功功率。为减少电力输送中的损耗，提高电力输送的容量和质量，必须进行无功功率的补偿。 何为

3、无功补偿在交流电路中，由电源供给负载率有两种：一种是有功功率，一种是无功功率。有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能转换为其他形式能量（机械能、光能、热能）的电功率。无功功率比较抽象，它是用于电路内电场与磁场的交换，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。它不对外作功，而是转变为其他形式的能量。凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就要消耗无功功率。比如40瓦的日光灯，除需40多瓦有功功率（镇流器也需消耗一部分有功功率）来发光外，还需80乏左右的无功功率供镇流器的线圈建立交变磁场用。由于它不对外做功，才被称之为“无功”。无功功率的符号用Q表示，单位为乏（Var）或千乏（kV

4、ar）。无功功率决不是无用功率，它的用处很大。电动机的转子磁场就是靠从电源取得无用功率建立的。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。因此，没有无功功率，电动机就不会转动，变压器也不能变压，交流接触器不会吸合。在正常情况下，用电设备不但要从电源取得有功功率，同时还需要从电源取得无功功率。如果电网中的无功功率供不应求，用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场，那么，这些用点设备就不能维持在额定情况下工作，用电设备的端电压就要下降，从而影响用电设备的正常运行。无功功率对供、用电产生一定的不良影响，主要表现在：（1）降低发电机有功功率的输出。（2）降低输

5、、变压设备的供电能力。（3）造成线路电压损失增大和电能损耗的增加。（4）造成底功率因数运行和电压下降，使电气设备容量得不到充分发挥。从发电机和高压电线供给的无功功率，远远满足不了负荷的需要，所以在电网中要设置一些无功补偿装置来补充无功功率，以保证用户对无功功率的需要，这样用电设备才能在额定电压下工作。这就是电网需要装设无功补偿装置的道理。 低压系统电容作为无功补偿是用什么原理把具有容性负荷的装置与感性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互相交换.这样,感性负荷所吸收的无功功率可由容性负荷输出的无功功率中得到

6、补偿,这就是他的补偿原理 无功补偿的基本原理：电网输出的功率包括两部分;一是;二是.直接消耗电能,把电能转变为机械能,热能,化学能或声能,利用这些能作功,这部分功率称为有功功率;不消耗电能;只是把电能转换为另一种形式的能,这种能作为电气设备能够作功的必备条件,并且,这种能是在电网中与电能进行周期性转换,这部分功率称为无功功率,如电磁元件建立磁场占用的电能,电容器建立电场所占的电能.电流在电感元件中作功时,电流滞后于电压90.而电流在电容元件中作功时,电流超前电压90.在同一电路中,电感电流与电容电流方向相反,互差180.如果在电磁元件电路中有比例地安装电容元件,使两者的电流相互抵消,使电流的矢

7、量与电压矢量之间的夹角缩小, 电力电容器的补偿功能 电容器在原理上相当于产生容性无功电流的发电机。将它连接到需要无功的补偿装置或设备上，变压器和输出线的负荷降低，从而输出有功能力增加。在输出一定有功功率的情况下，供电系统的损耗降低。比较起来电容器是减轻变压器、供电系统和工业配电负荷的最简便、最经济的方法。因此，电容器作为电力系统的无功补偿势在必行。 低压电容器无功补偿的技术与经济性无功功率是维持电力系统正常运行最主要的一个因素。搞好电力系统的无功平衡，提高负荷的功率因数，可以减少线路和变压器中的有功功率损耗和其他电能损耗，从而提高电能质量，降低电能损耗，并保证了电力系统的稳定运行和用户的供电质

8、量。 1 提高变配电设备利用率，减少投资费用对低功率因数的负荷进行无功补偿，接入并联电容器,由于无功电流得到补偿，使得负荷电流减少由于功率因数提高而使变配电设备减少的容量（kVA）可用公式1计算：SP/COS1P/COS2P（COS2COS1）/（COS2COS1）（1）式中：S为减少的设备容量P为负荷有功功率COS1为补偿前负荷功率因数COS2为补偿后负荷功率因数如1000kW的负荷容量，补偿前功率因数为，从公式1中可计算出当功率因数补偿到时，为该负荷输电的变配电设备容量可减少376kVA，对于新建项目可以减少投资费用（变配电设备容量减少376kVA，可减少基本电费的支出），经济效益明显。当

9、负荷的功率因数从1降到COS时，电网中的功率损耗将增加的百分数约为p（%）=（1/COS2-1）100%由于功率因数的提高，线路传送电流小了，系统的线路电压损失相应减小，有利于改善末端的电能质量。根据国家水利电力部国家物价局1983年颁布的功率因数调整电费办法规定三种功率因数标准值，相应地减少电费：功率因数标准，适用于160千伏安以上的高压供电工业用户、装有带负荷调整电压装置的高压供电电力用户和3200千伏安及以上的高压供电电力排灌站。功率因数标准，适用于100千伏安（千瓦）及以上的其他工业用户，100千伏安（千瓦）及以上的非工业用户和100千伏安（千瓦）及以上的电力排灌站。功率因数标准，适用

10、于100千伏安（千瓦）及以上的农业用户和趸售用户。 低压并联电容器无功补偿的种类在低压配电所内配置若干组电容器接在配电母线上，补偿供电范围内的无功功率将补偿电容器安装于用电负荷附近，或直接并联于用电设备上就地补偿分为两种：一是分散就地补偿，电容器接在低压配电装置或动力箱的母线上，对附近的用电设备进行无功补偿。二是单独就地补偿，将电容器直接接在用电设备端子上或保护设备末端，一般不需要电容器用的操作保护设备。 电容补偿在技术上应注意的问题防止涌流。在电容器投入时，一般情况下伴随着很大的涌流，在IEC出版物831电容器篇中电容器投入涌流的计算公式IsIn2S/Q（3）式中：Is为电容器投入时的涌流（

11、A）In为电容器额定电流（A）S为安装电容器处的短路功率（MVA）Q为电容器容量（Mvar）在低压电容器回路中，可采用以下方法限制：一是串联电抗器；二是加大投切电容器的容量；三是采用专用电容器投切的接触器。防止系统谐波的影响。由于电容器回路是一个LC电路，对于某些谐波容易产生谐振，造成谐波放大，使电流增加和电压升高。为此可采用串联一定感抗值的电抗器以避免谐振，如以电抗器的百分比为K，当电网中5次谐波较高，而3次谐波不太高时，K宜采用；如中3次谐波较高时，K宜采用12，当电网中谐波不高时，K宜采用。防止产生自励。采用电容器就地补偿电动机无功功率，电容器直接并联在电动机上，切断电源后，电动机在惯性

12、作用下继续运行，此时电容器的放电电流成为励磁电流。如果补偿电容器的容量过大，就可使电动机的磁场得到自励而产生电压，电动机即运行于发电状态，所以补偿容量小于电动机空载容量就可以避免，一般取倍就没关系。QC=3UI0（4）式中：Qc为补偿电容器容量U为系统电压I0为电动机空载电流 电容补偿控制的选择及补偿容量的确定电容器组投切方式分手动和自动两种。对于补偿低压基本无功及常年稳定的高压电容器组，宜采用手动投切；为避免过补偿或轻载时电压过高，易造成设备损坏的，宜采用自动投切。高、低压补偿效果相同时，宜采用低压自动补偿装置。先进行负荷计算，确定有功功率P和无功功率Q，补偿前自然功率因数为cos1，要补偿

13、到的功率因数为cos2。则QC=P(tg1tg2)（5）式中：Qc为补偿电容器容量P为负荷有功功率COS1为补偿前负荷功率因数COS2为补偿后负荷功率因数确定无功补偿容量时，还应注意以下三点：在轻负荷时要避免过补偿，倒送无功造成功率损耗增加，也是不经济的。功率因数越高，每千乏补偿容量减少损耗的作用将变小，通常情况下，将功率因数提高到就是合理补偿。就地补偿电容器容量选择的主要参数是励磁电流，因为不使电容器造成自励是选用电容器容量的必要条件，可用公式4计算。 低压无功补偿装置发展现状在10KV以上的电网中，出于注重安全的原因，很少使用自动无功补偿装置。另外，由于无功尽量就地补偿的原则，低压自动无功

14、补偿装置（以下简称补偿装置）获得了广泛的应用，并不断的有新技术涌现出来，是一个百花齐放的局面。鉴于这样的局面，本文不可能面面俱到，只能略述梗概。除了极少数试验型的STATCOM装置外，补偿装置绝大部分都是使用并联电容器进行补偿的。因此，本文只讨论使用并联电容器的补偿装置。以电容器连接方式为出发点的补偿装置分类三相电容器同时投切型补偿装置。这类补偿装置中使用三相电力电容器，通过检测某一相的电流来进行计算并控制电容器的投入数量来达到补偿目的。由于电容器对三相提供的无功电流相等，因此这类补偿装置只适用于三相电流基本平衡的负荷情况。当负荷的三相电流不平衡时，不能够使三相均得到良好的补偿，可能有某一相过

15、补偿，有某一相欠补偿。此类补偿装置由于结构简单价格低廉而用量最大。1 单相电容器分相投切型补偿装置。这类补偿装置中使用单相电力电容器，通过检测三相电流来进行分别计算并控制各相电容器的投入数量来达到补偿目的，相当于3台单相补偿装置。这类补偿装置可以使各相的无功电流均获得良好的补偿，但是对不平衡有功电流无能为力。用于三相电流不平衡的负荷情况时，比三相电容器同时投切型补偿装置的效果好。此类补偿装置由于结构比较复杂，价格较高，使用量较少。2 调整不平衡电流型补偿装置。这类装置中使用单相电力电容器，通过检测三相电流来进行综合计算并控制各相电容器的投入方式和数量来达到补偿和调整不平衡电流的目的。与分相补偿

16、装置本质不同的是，这类补偿装置利用了在相间跨接的电容器可以在相间转移有功电流的原理，通过在各相与相之间及各相与零线之间接入不同数量电容器的方法，不但可以使各相的无功电流均获得良好的补偿，还可以将三相间的不平衡有功电流调整至平衡。这类补偿装置用于三相电流不平衡的负荷情况时，具有无与伦比的使用效果。此类补偿装置结构比较复杂，价格较高，由于是新技术所以使用量较少，但是必然会替代单相电容器分相投切型补偿装置。 以电容器的控制投入方式为出发点的补偿装置分类1 交流接触器控制投入型补偿装置。由于电容器是电压不能瞬变的器件，因此电容器投入时会形成很大的涌流，涌流最大时可能超过100倍电容器额定电流。涌流会对

17、电网产生不利的干扰，也会降低电容器的使用寿命。为了降低涌流，现在大部分补偿装置使用电容器投切专用接触器，这种接触器有1组串联限流电阻与主触头并联的辅助触头，在接触器吸合的过程中，辅助触头首先接通，使电容器通过限流电阻接入电路进行预充电，然后主触头接通将电容器正常接入电路，通过这种方式可以将涌流限制在电容器额定电流的20倍以下。此类补偿装置价格低廉，可靠性较高，应用最为普遍。由于交流接触器的触头寿命有限，不适合频繁投切，因此这类补偿装置不适用频繁变化的负荷情况。2 晶闸管控制投入型补偿装置。这类补偿装置就是SVC分类中的TSC子类。由于晶闸管很容易受涌流的冲击而损坏，因此晶闸管必须过零触发，就是

18、当晶闸管两端电压为零的瞬间发出触发信号。过零触发技术可以实现无涌流投入电容器，另外由于晶闸管的触发次数没有限制，可以实现准动态补偿（响应时间在毫秒级），因此适用于电容器的频繁投切，非常适用于频繁变化的负荷情况。晶闸管导通电压降约为1V左右，损耗很大（以额定容量100Kvar的补偿装置为例，每相额定电流约为145A，则晶闸管额定导通损耗为14513=435W），必须使用大面积的散热片并使用通风扇。晶闸管对电压变化率（dv/dt）非常敏感，遇到操作过电压及雷击等电压突变的情况很容易误导通而被涌流损坏，即使安装避雷器也无济于事，因为避雷器只能限制电压的峰值，并不能降低电压变化率。此类补偿装置结构复杂

19、，价格高，可靠性差，损耗大，除了负荷频繁变化的场合，在其余场合几乎没有使用价值。3 复合开关控制投入型补偿装置。复合开关技术就是将晶闸管与继电器接点并联使用，由晶闸管实现电压过零投入与电流过零切除，由继电器接点来通过连续电流，这样就避免了晶闸管的导通损耗问题，也避免了电容器投入时的涌流。但是复合开关技术既使用晶闸管又使用继电器，于是结构就变得相当复杂，并且由于晶闸管对dv/dt的敏感性也比较容易损坏。4 同步开关投入型补偿装置。同步开关技术是近年来最新发展的技术，顾名思义，就是使机械开关的接点准确地在需要的时刻闭合或断开。对于控制电容器的同步开关，就是要在开关接点两端电压为零的时刻闭合，从而实

20、现电容器的无涌流投入，在电流为零的时刻断开，从而实现开关接点的无电弧分断。同步开关技术中拒绝使用可控硅，因此仍然不适用于频繁投切。可以预见：使用磁保持继电器的同步开关必将替代复合开关和交流接触器。 补偿装置中使用的电力电容器现在补偿装置中使用的低压电力电容器均为金属化电容器。金属化电容器体积小，价格低廉，具有自愈性，因此获得广泛的应用。金属化电容器的极板是真空蒸发的铝膜，其厚度在纳米数量级，由于铝膜极薄，当介质膜由于疵点而发生局部击穿时会将疵点及附近的铝膜蒸发掉，因此不会发生短路故障，这就是所谓的自愈作用。金属化电容器的电极引出工艺是在芯元件卷制完成以后在元件两端喷涂金属导电层，然后在导电层上

21、焊接引出导线。由于极板电流要由元件中部向两端流动，而极板的铝膜极薄，电阻损耗较大，因此从尽量减少电阻损耗的前提下希望芯元件尽量卷制成短粗形。另一方面，由于极薄的铝膜极板并没有多少机械强度，因此芯元件端部导电层与极板之间并不能形成牢固的连接，当芯元件由于发热而出现不均匀变形时，端部导电层与极板之间很容易形成局部脱离而出现故障，从这一点出发，又希望芯元件尽量卷制成细长形。金属化电力电容器有矩形和圆柱形两种结构。矩形结构的电容器内部的芯元件细长并排排列，适用于普通应用场合。圆柱形结构的电容器内部的芯元件短粗串列排列，适用于谐波较严重的场合。金属化电容器在运行中出现的问题主要是电容量减小，所有的金属化

22、电容器随着运行时间的延长电容量都会由于自愈过程而减小，只不过程度有所不同。有些质量较差的电容器还会出现端部导电层与极板脱离的故障，其现象表现为电容量降低为额定值的一半，甚至三分之，甚至为零。同一品牌的电容器，单台容量越大，则其芯元件越长，直径越粗，元件长导致电阻损耗增大，元件粗则端面导电层面积大且元件内外温差加大使导电层越容易与极板发生脱离，因此使用单台大容量电容器不如使用小电容器并联的可靠性高。金属化电容器的短路与爆炸故障较少。 补偿装置中使用的控制器最早的无功补偿控制器是以功率因数为依据进行控制的，这种控制器因为价格低廉现在仍然在使用。以功率因数为依据进行控制的最大问题就是轻载振荡。例如：

23、一台补偿装置里最小的电容器容量是10Kvar，负荷的感性无功量为5Kvar且功率因数为滞后。这时，投入一台电容器则功率因数变为超前，切除电容器则功率因数变为滞后，于是震荡过程就会没完没了地进行下去。较新型的无功补偿控制器都是以无功功率为依据进行控制的，这就要求必须具备设定功能，可以对补偿装置中的电容器容量进行设定，从而可以根据负荷无功量决定怎样投入电容器，因此可以消除轻载振荡现象。随着技术的不断进步，无功补偿控制器的附加功能也越来越多，如数据存储，数据通讯，谐波检测，电量检测等等。使用的控制元件也从最初的小规模集成电路到8位单片机，再到16位单片机，再到16位DSP，直至最高级的32位单片机。

24、现在的32位单片机的价格已经降到30多元一片，对控制器的硬件成本已经没有多少影响，其性能超过8位单片机100倍以上，难以普及的原因主要是技术开发难度太大。 补偿装置与其他设备的组合随着无功补偿装置应用的不断普及，补偿装置与其他设备的组合是一个必然趋势。例如补偿装置与计量箱的组合，补偿装置与开关箱的组合等等。组合装置可以降低成本，减少占用空间，减少连接线，减少维护工作量。组合装置的设计制造没有技术难度，只是因为没有统一的标准，所以生产厂商只能根据订货来组织生产。第二章 低压开关柜低压开关柜包括：低压进线柜、低压电容柜、低压馈线柜（统称）进线柜-由低压电源（变压器低压侧）引入配电装置的总开关柜；电

25、容柜-无功功率补偿电容器柜，集中补偿方式，与配电柜并列安装；馈线柜-也称出线柜，将总电源电能分配输出；还有： 联络柜-2路电源分别接入2列低压配电柜，2段母线联络用。 还有： 动力柜-动力配电柜或箱，用于2级动力配电； 控制柜-用于大功率或较多动力设备的控制，少数小容量则叫控制箱。2 .1电容柜 电力系统中的负载类型大部分属于感性负载，加上用电企业普遍广泛地使用，使电网功率因数较低。较低的功率因数降低了设备利用率，增加了供电投资，损害了电压质量，降低了设备使用寿命，大大增加了线路损耗。为了改善电网功率因数低下带来的能源浪费和这些不利供电生产的因素，必须使电网功率因数得到有效的提高。显然这些无功

26、功率如果都要由发电机提供并远距离传送是不合理的，通常也是不可能的。合理的办法就是在需要无功功率的地方产生无功功率，即增加设备与装置。 结构一般来说，低压电容补偿柜由柜壳、母线、断路器、隔离开关，热继电器、接触器、避雷器、电容器、电抗器、一、二次导线、端子排、功率因数自动补偿控制装置、盘面仪表等组成。 基本原理在实际电力系统中，大部分负载为异步电动机。其等效电路可看作电阻和电感的串联电路，其电压与电流的相位差较大，功率因数较低。并联电容器后（如下图所示），电容器的电流将抵消一部分电感电流，从而使电感电流减小，总电流随之减小，电压与电流的相位差变小，使功率因数提高。 电容补偿柜的原理电容器在原理上

27、相当于产生容性无功电流的发电机。其无功补偿的原理是把具有容性功率负荷的装置和把感性功率负荷并联在同一电容器上，能量在两种负荷间相互转换。这样，电网中的变频器和输电线路的负荷降低，从而输出有功能力增加，在输出一定有功功率的情况下，供电系统的损耗降低。比较起来电容器是减轻变压器、供电系统和工业配电负荷的最简便、最经济的方法。节能 无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严重，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。 变频柜 什么是变频器 变频器是利用半导体器

28、件的通断作用将电源变换为另一的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、提高运转、改变功率因素、过流/过压/过载保护等功能。 变频器工作原理1 概述 主电路是给提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。 它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。 2 整流器 最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为。也可用两组变流器构成可逆变流器，由于其

29、功率方向可逆，可以进行再生运转。 3 平波回路 在整流器整流后的中，含有电源6倍频率的，此外逆变器产生的也使直流电压变动。为了抑制，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。 4 逆变器 同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型pwm逆变器为例示出和电压波形。 控制路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放

30、大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。 （1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。 （2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。 （3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。 （4）速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg等)的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。 （5）保护电路:检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。 变频

31、器的作用 变频器集成了大功率晶体管技术和电子，得到广泛应用。变频器的作用是改变供电的频率和幅值，因而改变其运动的周期，达到平滑控制电动机转速的目的。变频器的出现，使得复杂的调速控制简单化，用变频器+交流鼠笼式感应电动机组合替代了大部分原先只能用完成的工作，缩小了体积，降低了维修率，使传动技术发展到新阶段。变频器可以优化电机运行，所以也能够起到增效节能的作用。根据全球着名变频器生产企业ABB的测算，单单该集团全球范围内已经生产并且安装的变频器每年就能够节省1150亿千瓦时电力，相应减少9,700万吨二氧化碳排放，这已经超过芬兰一年的二氧化碳排放量。 馈电柜（开关柜、出线柜） 馈电是只向负载送电或叫供电，原则上是经配电柜分配或联络后到馈电柜，一般中小型配电房馈电柜和配电柜在一起或就为同一个柜子，只有大中型配电房才分开设置。换句话说是主开与分开的关系。馈电柜分配负荷，往往是在一个大容量的负荷上，也就是母线，进行更低一级负荷，或者单个负荷的分配，所以有很多开关，有进线的还有出线的，是输出,分配电力的设备。 软启柜 什么是软启动柜 软启动柜就是大点的电机。为了控制启动电流，就需要用降压等方法限制启动电流，软启动，是利用可控硅等控制触发角降低启动电压达到控制电流的目的，比传统启动设备相比优势明显，而且现在价格也不贵。软