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电力系统电压与无功补偿2007-06-05 11:491

   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。

2、无功功率按电路的性质有正有负，Q为正值（感性）时表示吸收无功功率，Q为负值(容性)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。

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。

3、输电线路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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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

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

4、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。

5、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。（高峰负荷时段无功需求多，也就是感性无功需求大，也就是需要吸收很多无功，这时一般将变电所低压侧的电容器投入，确保电压不至于降低太多；当谷期负荷时无功需求不大，也就是感性无功需求下降，也就是不需要吸收太多的无功，这是一般将变电所低压侧的电容器退出，以上控制在变电所中一般是由系统自动完成，而不需要人工干预）

6、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。

7、各种无功补偿设备及补偿方式

1 同步调相机

2 并联电容器

3 并联电抗器

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。

4 静止补偿器(SVC-Static Var Compensator)

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。

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、湖北、广东、河南等多个500kV枢纽变电站都采用了这种装置。

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。

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。

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。

8、并联电容器组的接线方式

电容器的接线通常分为三角形和星形两种方式。此外，还有双三角形和双星形之分。

三角形接线的电容器直接承受线间电压，任何一台电容器因故障被击穿时，就形成两相短路，故障电流很大，如果故障不能迅速切除，故障电流和电弧将使绝缘介质分解产生气体，使油箱爆炸，并波及邻近的电容器。因此这种接线已经很少在10kV系统中使用，只是在380V配电系统中有少量使用。

在高压电力网中，星形接线的电容器组目前在国内外得到广泛应用。星形接线电容器的极间电压是电网的相电压，绝缘承受的电压较低，电容器的制造设计可以选择较低的工作场强。当电容器组中有一台电容器因故障击穿短路时，由于其余两健全相的阻抗限制，故障电流将减小到一定范围，并使故障影响减轻。

星形接线的电容器组结构比较简单、清晰，建设费用经济，当应用到更高电压等级时，这种接线更为有利。

星形接线的最大优点是可以选择多种保护方式。少数电容器故障击穿短路后，单台的保护熔丝可以将故障电容器迅速切除，不致造成电容器爆炸。

电容器一次侧接有串联电抗器和并联放电线圈。放电线圈的作用是将断开电源后的电容器上的电荷迅速、可靠地释放掉。由于电容器组需要经常进行投入、切除操作，其间隔可能很短，电容器组断开电源后，其电极间储存有大量电荷，不能自行很快消失，在短时间内，其极间有很高的直流电压，待再次合闸送电时，造成电压叠加，将会产生很高的过电压，危及电容器和系统的安全运行。因此，必须安装放电线圈，将它和电容器并联，形成感容并联谐振电路，使电能在谐振中消耗掉。放电线圈应能在电容器断开电源5s内将电容器端电压下降到50V。

对串联电抗器的作用，我们做一下重点介绍：

电容器配套设置的串联电抗器是为了限制合闸涌流和限制谐波两个目的，串联电抗器限制合闸涌流的作用非常浅显，不言而喻。但是限制谐波的原理我们需要解释一下：

在实际运行中，3次、5次、7次谐波分量往往偏高，是电容器滤波回路的主要目标。所谓3次、5次、7次……谐波，指的是谐波的频率相当于工频的3倍、5倍或7倍。当串联电抗器的n次谐波感抗与电容器的n次谐波容抗相等时，即nwL = 1/(nwC)时构成串联谐振条件，则母线的n次谐波电压将被抑制得干干净净。 <