電容器無(wú)功補償是什么？

 

電網(wǎng)輸出的功率包括兩部分：有功功率和無(wú)功功率。有功功率是指直接消耗電能，把電能轉變?yōu)闄C械能、熱能或化學(xué)能，利用這部分能量作功。而無(wú)功功率則是指為建立交變磁場(chǎng)所需要的電功率，這部分電能并不做功。

 

電網(wǎng)中的電力負荷如電動(dòng)機、變壓器等，大部分屬于感性負荷，在運行過(guò)程中需向這些設備提供相應的無(wú)功功率。在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器等無(wú)功補償設備以后，可以提供感性負載所消耗的無(wú)功功率，減少了電網(wǎng)電源向感性負荷提供、由線(xiàn)路輸送的無(wú)功功率，由于減少了無(wú)功功率在電網(wǎng)中的流動(dòng)，因此可以降低線(xiàn)路和變壓器因輸送無(wú)功功率造成的電能損耗，這就是電容器無(wú)功補償。

 

 

無(wú)功補償的有什么作用？

 

在正常情況下，用電設備不但要從電源取得有功功率，同時(shí)還需要從電源取得無(wú)功功率。如果電網(wǎng)中的無(wú)功功率供不應求，用電設備就沒(méi)有足夠的無(wú)功功率來(lái)建立正常的電磁場(chǎng)，這些用電設備就不能維持在額定情況下工作，用電設備的端電壓就要下降，從而影響用電設備的正常運行。

 

但是從發(fā)電機和高壓輸電線(xiàn)供給的無(wú)功功率遠遠滿(mǎn)足不了負荷的需要，所以在電網(wǎng)中要設置一些無(wú)功補償裝置來(lái)補充無(wú)功功率，以保證用戶(hù)對無(wú)功功率的需要，這樣用電設備才能在額定電壓下工作。無(wú)功補償是把具有容性功率負荷的裝置與感性功率負荷并聯(lián)接在同一電路，能量在兩種負荷之間相互交換，這樣，感性負荷所需要的無(wú)功功率可由容性負荷輸出的無(wú)功功率補償。

 

采用無(wú)功補償的優(yōu)點(diǎn)：

 

1）根據用電設備的功率因數，可測算輸電線(xiàn)路的電能損失。通過(guò)現場(chǎng)技術(shù)改造，可使低于標準要求的功率因數達標，實(shí)現節電目的。

 

2）采用無(wú)功補償技術(shù)，提高低壓電網(wǎng)和用電設備的功率因數，是節電工作的一項重要措施。

 

3）無(wú)功補償，它就是借助于無(wú)功補償設備提花必要的無(wú)功功率，以提高系統的功率因數，降低能耗，改善電網(wǎng)電壓質(zhì)量，穩定設備運行。

 

4）減少電力損失，一般工廠(chǎng)動(dòng)力配線(xiàn)依據不同的線(xiàn)路及負載情況，其電力損耗約20%-30%左右，使用電容提高功率因數后，總電波降低，可降低供電流與用電端的電力損失。

 

5）改善供電品質(zhì)，提高功率因數，減少負載總電流及電壓降，于變壓器二次側加裝電容可改善功率因數提高二次側電壓。

 

6）延長(cháng)設備壽命，改善功率因數后線(xiàn)路總電流減少，使接近中已經(jīng)飽和的變壓器、開(kāi)關(guān)等機器設備和線(xiàn)路容量負荷降低，因此可以降低溫升增加壽命（溫度每降低10攝氏度，壽命可延長(cháng)1倍）。

 

7）最終滿(mǎn)足電力系統對無(wú)功補償的監測要求，消除因為功率因數過(guò)低而產(chǎn)生的罰款。

 

8）無(wú)功補償可以改善電能質(zhì)量、降低電能損耗、挖掘發(fā)供電設備潛力、無(wú)功補償減少用戶(hù)電費支出，是一項投資少、收效快的節能措施。

 

9）無(wú)功補償技術(shù)對和電單位的低壓配電網(wǎng)的影響以及提高功率因數所帶來(lái)的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益，確定無(wú)功功率的補償容量，確保補償技術(shù)經(jīng)濟、合理、安全可靠，達到節約電能的目的。

 

無(wú)功補償方法有哪些？

 

無(wú)功補償通常采用的方法主要有3種：低壓個(gè)別補償、低壓集中補償、高壓集中補償。下面簡(jiǎn)單介紹3種補償方式的適用范圍及使用該種補償方式的優(yōu)缺點(diǎn)。

 

1）低壓個(gè)別補償

 

低壓個(gè)別補償就是根據個(gè)別用電設備對無(wú)功的需要量將單臺或多臺低壓電容器組分散地與用電設備并接，它與用電設備共用一套斷路器，通過(guò)控制、保護裝置與電機同時(shí)投切。隨機補償適用于補償個(gè)別大容量且連接運行（如大中型異步電動(dòng)機）的無(wú)功消耗，以補勵磁無(wú)功為主。低壓個(gè)別補償的優(yōu)點(diǎn)是：用電設備運行時(shí)，無(wú)功補償投入，用電設備停動(dòng)時(shí)，補償設備也退出，因此不會(huì )造成無(wú)功倒送，具有投資少、占位小、安裝容易、配置方便靈活、維護簡(jiǎn)單、事故率低等優(yōu)點(diǎn)。

 

2）低壓集中補償

 

低壓集中補償是指將低壓電容器通過(guò)低壓開(kāi)關(guān)接在配電變壓器低壓母線(xiàn)側，以無(wú)功補償投切裝置作為控制保護裝置，根據低壓母線(xiàn)上的無(wú)功負荷而直接控制電容器的投切，電容器的投切是整組進(jìn)行，做不到平滑的調節。低壓補償的優(yōu)點(diǎn)：接線(xiàn)簡(jiǎn)單、運行維護工作量小，使無(wú)功就地平衡，從而提高配變利用率，降低網(wǎng)損，具有較高的經(jīng)濟性，是目前無(wú)功補償中常用的手段之一。

 

3）高壓集中補償

 

高壓集中補償是指將并聯(lián)電容器組直接裝在變電所的6——10KV高壓母線(xiàn)上的補償方式。適用于用戶(hù)遠離變電所在供電線(xiàn)路的末端，用戶(hù)本身又有一定的高壓負荷時(shí)，可以減少對電力系統無(wú)功的消耗并可以起到一定的補償作用；補償裝置根據負荷的大小自動(dòng)投切，補償效益高。

 

無(wú)功補償裝置有哪些種類(lèi)？

 

從補償的范圍劃分可以分為負荷補償與線(xiàn)路補償，從補償的性質(zhì)劃分可以分為感性與容性補償。下面將并聯(lián)容性補償的方法大致列舉：

 

1）同步調相機

 

調相機的基本原理與同步發(fā)電機沒(méi)有區別，它只輸出無(wú)功電流。因為不發(fā)電，因此不需要原動(dòng)機拖動(dòng)，沒(méi)有啟動(dòng)電機的調相機沒(méi)有軸伸，實(shí)質(zhì)就是相當于一臺在電網(wǎng)中空轉的同步發(fā)電機。

 

調相機是電網(wǎng)中最早使用的無(wú)功補償裝置，當增加激磁電流時(shí)，其輸出的容性無(wú)功電流增大。當減少激磁電流時(shí)，其輸出的容性無(wú)功電流減少。當激磁電場(chǎng)減少到一定程度時(shí)，輸出無(wú)功電流為零，只有很小的有功電流用于彌補調相機的損耗，當激磁電流進(jìn)一步減少時(shí)，輸出感性無(wú)功電流。

 

調相機容量大、對諧波不敏感，并且具有當電網(wǎng)電壓下降時(shí)輸出無(wú)功電流自動(dòng)增加的特點(diǎn)，因此調相機對于電網(wǎng)的無(wú)功安全具有不可替代的作用。

 

由于調相機的價(jià)格高、效率低，運行成本高，因此已經(jīng)逐漸被并聯(lián)電容器所替代。但是近年來(lái)出于對電網(wǎng)無(wú)功安全的重視，一些人主張重新啟用調相機。

 

2）并聯(lián)電容器

 

并聯(lián)電容器是目前最主要的無(wú)功補償方法。其主要特點(diǎn)是價(jià)格低，效率高，運行成本低，在保護完善的情況下可靠性也很高。

 

在高壓及中壓系統中主要使用固定連接的并聯(lián)電容器組，而在低壓配電系統中則主要使用自動(dòng)控制電容器投切的自動(dòng)無(wú)功補償裝置。自動(dòng)無(wú)功補償裝置的結構則多種多樣形形色色，適用于各種不同的負荷呢況。對于低壓自動(dòng)無(wú)功補償裝置將另文詳細介紹。

 

并聯(lián)電容器的最主要缺點(diǎn)是其對諧波的敏感性。當電網(wǎng)中含有諧波時(shí)，電容器的電流會(huì )急劇增大，還會(huì )與電網(wǎng)中的感性元件諧振使諧波放大，另外，并聯(lián)電容器屬于恒阻抗元件，在電網(wǎng)電壓下降時(shí)其輸出的無(wú)功電出下降，因此不利于電網(wǎng)的無(wú)功安全。

 

3）SVC

 

SVC的全稱(chēng)是靜止式無(wú)功補償裝置，靜止兩個(gè)字是同步調相機的旋轉相對應的。

 

國際大電網(wǎng)會(huì )議將SVC定義為7個(gè)子類(lèi)：

 

a、機械投切電容器（MSC）

 

b、機械投切電抗器（MSR）

 

c、自飽和電抗器（SR）

 

d、晶閘管控制電抗器（TCR）

 

e、晶閘管投切電容器（TCR）

 

f、晶閘管投（TSC）

 

g、自換向或電網(wǎng)換向轉換器（SCC/LCC）

 

根據以上這些子類(lèi)，我們可以看出：除調相機之外，用電感或電容進(jìn)行無(wú)功補償的裝置幾乎均被定義為SVC。因此，目前一些資料或者廣告中大量出現"SVC"字樣，其原因不外乎兩條：其一是作者自已并不明白SVC的定義，其二就是以普通人不懂的字母組合故弄玄虛。

 

目前國內市場(chǎng)上被宣傳 SVC的產(chǎn)品主工是晶閘管控制電抗器（TCR）和晶閘管投切電容器（TSC）。對于TSC我們另文敘述，這里只簡(jiǎn)要介紹一下晶閘管控制電抗器（TCR）。

 

TCR的基本結構包括一組固定并聯(lián)連接在線(xiàn)路中的電容器和一組并聯(lián)連接在線(xiàn)路中用晶閘管控制的電抗器，通常將電抗器的容量設計成與電容器一樣。由于電抗器是用晶閘管控制的，其感性無(wú)功電流可以變化，當晶閘管關(guān)斷時(shí)，電抗器沒(méi)有電流，而電容器固定連接，因此整套裝置的補償量最大，當調節晶閘管的導通角時(shí)，電抗器的感性電流就會(huì )抵消一部分電容器電流，因此補償量減少，導通角越大，電抗器的電流越大，補償量就越小，當晶閘管全通時(shí)，電抗器電流就會(huì )將電容器電流全部抵消，此時(shí)補償量為0。必須將固定電容器組設計成濾波器形式或者配備另外的濾波器。

 

綜上所述，可以看出TCR的結構復雜，損耗大，但其具有補償量連續可調的特點(diǎn)，在高壓系統中還有應用。

 

4）STATCOM

 

STATCOM是一種使用IGBT、GTO或者SIT等全控型高速電力電子器件作為開(kāi)關(guān)控制電流的裝置中，其基本工作原理是：

 

通過(guò)對系統電參數的檢測，預測出一個(gè)與電源電壓同相位的幅度適當的正弦電流波形。當系統瞬時(shí)電流大于預測電流的時(shí)候，STATCOM將大于預測電流的部分吸收進(jìn)來(lái)，儲存在內部的儲能電容器中。當系統瞬時(shí)電流小于預測電流的時(shí)候，STATCOM將儲存在電容器中的能量釋放出來(lái)，填補小于預測電流的部分，從而使得補償后的電流變成與電壓同相位的正弦波。

 

根據STATCOM的工作原理，理論上STATCOM可以實(shí)現真正的動(dòng)態(tài)補償，不僅可以應用在感性負荷場(chǎng)合，還可以應用在容性負荷的場(chǎng)合。并且可以進(jìn)行諧波濾除，起到濾波器的作用。但切是實(shí)際的STATCOM由于技術(shù)的原因不可能達到理論要求，而且由于開(kāi)關(guān)操作頻率不夠高等原因，還會(huì )向電網(wǎng)輸出諧波。

 

STATCOM的結構十分復雜，價(jià)格昂貴，可靠性差，損耗大，目前仍處于研究試用階段，沒(méi)有實(shí)際應用價(jià)值。電抗器（TSR）償，從補償的方式劃分可以分為串聯(lián)補償與并聯(lián)補償。

 

怎么合理配置？

 

從電力網(wǎng)無(wú)功功率消耗的基本狀況可以看出，各級網(wǎng)絡(luò )和輸配電設備都要消耗一定數量的無(wú)功功率，尤以低壓配電網(wǎng)所占比重最大。為了最大限度地減少無(wú)功功率的傳輸損耗，提高輸配電設備的效率，無(wú)功補償設備的配置，應按照“分級補償，就地平衡”的原則，合理布局。

 

1）總體平衡與局部平衡相結合，以局部為主。

 

2）電力部門(mén)補償與用戶(hù)補償相結合。

 

3）分散補償與集中補償相結合，以分散為主。

 

4）降損與調壓相結合，以降損為主。

 

 

功率容量與功率因數關(guān)系曲線(xiàn)

 

 

無(wú)功補償容量的確定

 

 

220kV及以下電網(wǎng)的容性無(wú)功補償設備總容量QC，可按下式計算

 

QC=1.15QDM-QF-QR-QLC

 

QDM=kPDM

 

式中QDM——最大自然無(wú)功負荷；

 

QF——本網(wǎng)發(fā)電機的無(wú)功功率；

 

QR——上級網(wǎng)和鄰網(wǎng)輸入的無(wú)功功率；

 

QLC——110kV及以上架空線(xiàn)和電纜線(xiàn)的充電功率；

 

PDM——電網(wǎng)最大有功發(fā)電負荷；

 

K——電網(wǎng)最大自然無(wú)功負荷系數，kvar/Kw。

 

K值與電網(wǎng)結構、變壓級數、負荷組成、負荷水平及負荷電壓特性等因素有關(guān)。已運行的電網(wǎng)可通過(guò)實(shí)測確定，規劃中的電網(wǎng)可參照下表中數值估算，當本網(wǎng)中發(fā)電機有功功率比重大時(shí)，k宜取較高值；上級網(wǎng)或鄰網(wǎng)輸入有功功率比重大時(shí)，k值取較低值。

 

 

對于中低電壓等級電網(wǎng)的無(wú)功補償容量考慮原則

 

1）對于變電站10kV母線(xiàn)，一般按主變容量的15%——20%進(jìn)行補償。

 

2）對于普通負荷的公用變壓器的0.4kV低壓補償，可按配變容量的20%——30%進(jìn)行補償。

 

3）對于企業(yè)專(zhuān)用變壓器的0.4kV低壓補償，可按配變容量的30%——60%進(jìn)行補償。

 

4）當三相電壓不平衡時(shí)（單相負荷較多），需考慮一定容量的分相補償。

 

5）當補償點(diǎn)處有諧波時(shí)，還要考慮串聯(lián)一定比率的電抗器，以構成調諧支路，濾除線(xiàn)路上的高次諧波。

 

 

6）當采用固定補償方式時(shí)，補償總容量應選小些，避免線(xiàn)路輕載時(shí)出現過(guò)補，產(chǎn)生無(wú)功倒送。

 

7）當采用自動(dòng)補償方式時(shí)，補償總容量應選取大些，避免高峰負荷時(shí)出現欠補，造成力率過(guò)低。

 

8）當電容器額定電壓與系統標稱(chēng)電壓不相等時(shí)，補償容量≠安裝容量，裝機容量需進(jìn)行修正。

 

電能是企業(yè)的必耗成本，與企業(yè)的效益息息相關(guān)。目前為此，進(jìn)行電力電容器無(wú)功補償是降低無(wú)功功率比較經(jīng)濟的方法。加裝無(wú)補償裝置，能增加電網(wǎng)中有功功率的比例常數，就近供給用戶(hù)或配電網(wǎng)所需要的滯相無(wú)功功率，減少發(fā)，供電設備的設計容量，減少投資，能少在配電網(wǎng)中流失的無(wú)功功率，提高發(fā)輸電設備利用率，減少投資，增加電網(wǎng)中有功功率的輸送比例，降低有功網(wǎng)損，效提高系統的電壓穩定性，保證電網(wǎng)的電壓質(zhì)量，最終提高供電企業(yè)的經(jīng)濟效益。

 

 

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