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无功补偿原理

电网中的电力负荷如电动机、变压器等，大部分属于感性负荷，在运行过程中需向这些设备提供相应的无功功率。

在电网中安装并联电容器等无功补偿设备以后，可以提供感性负载所消耗的无功功率，减少了电网电源向感性负荷提供、由线路输送的无功功率，由于减少了无功功率在电网中的流动，因此可以降低线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗，这就是无功补偿。

无功补偿的基本原理是：

把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，能量在两种负荷之间相互交换。

这样，感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率补偿。

无功补偿的意义：

⑴补偿无功功率，可以增加电网中有功功率的比例常数。

⑵减少发、供电设备的设计容量，减少投资，例如当功率因数cos①=0.8增加到cos①=0.95时，装IKvar电容器可节省设备容量0.52KW反之，增加0.52KW对原有设备而言，相当于增大了发、供电设备容量。

因此，对新建、改建工程，应充分考虑无功补偿，便可以减少设计容量，从而减少投资。

⑶降低线损，由公式4P%=（1-cos①/cos①）X100%#出其中cos①为补偿后的功率因数，cos①为补偿前的功率因数则：

cos①＞cos①，所以提高功率因数后，线损率也下降了，减少设计容量、减少投资，增加电网中有功功率的输送比例，以及降低线损都直接决定和影响着供电企业的经济效益。

所以，功率因数是考核经济效益的重要指标，规划、实施无功补偿势在必行。

电网中常用的无功补偿方式包括：

1集中补偿：

在高低压配电线路中安装并联电容器组；

2分组补偿：

在配电变压器低压侧和用户车间配电屏安装并联补偿电容器；

3单台电动机就地补偿：

在单台电动机处安装并联电容器等。

加装无功补偿设备，不仅可使功率消耗小，功率因数提高，还可以充分挖掘设备输送功率的潜力。

确定无功补偿容量时，应注意以下两点：

1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。

2功率因数越高，每千伏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0.95就是合理补偿

就三种补偿方式而言，无功就地补偿克服了集中补偿和分组补偿的缺点，是一种较为完善的补偿方式：

⑴因电容器与电动机直接并联，同时投入或停用，可使无功不倒流，保证用户功率因数始终处于滞后状态，既有利于用户，也有利于电网。

⑵有利于降低电动机起动电流，减少接触器的火花，提高控制电器工作的可靠性，延长电动机与控制设备的使用寿命。

无功就地补偿容量可以根据以下经验公式确定：

CKUI0式中：

Q---无功补

偿容量（kvar）；U---电动机的额定电压（V）；I0---电动机空载电流（A）；但是无功就地补偿也有其缺点：

⑴不能全面取代高压集中补偿和低压分组补偿；众所周之，无功补偿按其安装位置和接线方法可分为：

高压集中补偿、低压分组补偿和低压就地补偿。

其中就地补偿区域最大，效果也好。

但它总的电容器安装容量比其它两种方式要大，电容器利用率也低。

高压集中补偿和低压分组补偿的电容器容量相对较小，利用率也高，且能补偿变压器自身的无功损耗。

为此，这三种补偿方式各有应用范围，应结合实际确定使用场合，各司其职。

美国斯威尔智能电容器能灵活的应用于高压集中补偿、低压分组补偿和低压就地补偿.

就地（分散）补偿应用

不需要设置专用的无功补偿箱或者无功补偿柜，实现对各种场合的小容量就地补偿。

■在用电设备旁放置智能电容器

■在壁挂式配电箱内放置智能电容器

■在工程车间配电设备内（旁）放置智能电容器

■在用户配变小于100kvar的计量柜、配电柜内放置智能电容器优点：

无功补偿距离短，节能降损效果显著，设备接线简单、维护方便。

配置参考：

对于小容量负载，按照负载总功率的25%~40%配置智能电容器容

量。

例：

一台电动机就地补偿方案

电动机额定功率：

50kW

无功补偿容量：

15kvar（10kvar+5kvar）

智能电容器数量：

1台SWL-8MZS/450-10.5

无功补偿级数：

0、5、10、15kvar

低压分组补偿的应用对户外配电变进行就地无功补偿，直接将设备安装于柱挂式户外设备箱内。

优点：

体积小、接线简、维护方便；投资小、节能降损效果显著。

配置参考：

配变无功补偿容量一般为配变容量的25%~40%。

例：

户外配电变压器应用方案

配变容量：

200kVA

无功补偿容量：

60kvar2x30kvar（20kva叶10kvar）

智能电容器数量：

2台SWL-8MZS/450-20.10

无功补偿级数：

0、10、20、30、40、50、60

安装在箱变低压室，根据配电变压器容量进行补偿，选用若干台智能电容器联机使用。

优点：

接线简单、维护方便、成本低、节约空间的显著特点。

配置参考：

箱变无功补偿容量一般为配变容量的25%~40%。

例：

箱式变集中补偿应用方案

箱变容量：

500kVA

无功补偿容量：

190kvar4x40kvar（20kvar+20kvar）+

1x30kvar（20kvar+10kvar）

智能电容器数量：

4台SWL-8MZS/450-20.201台SWL-8MZS/450-20.10高压集中补偿的应用

低压无功补偿智能电容器实现在柜体内组装，构成无功自动补偿装置，接线简单、维护方便、节约成本。

优点：

补偿效果好，容量可调整性好，接线简单、故障少、运行维护方便。

配置参考：

根据成套柜补偿容量的要求进行配置。

低压成套柜配置容量参考：

ggD巨型

柜体尺寸：

1000mm宽）x600mm深）X2230（高）mm可安装智能电容器数量：

20台40kvar（20kvar+20kvar）无功补偿总容量：

800kvar（40kvarx20）

MNS柜型

柜体尺寸：

600mm宽）x800mm深）x2200（高）mm

可安装智能电容器数量：

12台40kvar（20kvar+20kvar）

无功补偿总容量：

480kvar（40kvarx12）

⑵大容量电力电子装置，普通电容器就地补偿不恰当：

随着大型电力电子装置的广泛应用，尤其是采用大容量晶闸管电源供电后，致使电网波形畸变，谐波分量增大，功率因数降低。

更由于此类负载经常是快速变化，谐波次数增高，危及供电质量，对通讯设备影响也很大，所以此类负载采用就地补偿是不安全，不恰当的。

因为①电力电子装置会产生高次谐波，在负载电感上有部分被抑制。

但

当负载并联电容器后，高次谐波可顺利通过电容器，这就等效地增加了供电网络中的谐波成分。

②由于谐波电流的存在，会增加电容器的负担，容易造成电容器

的过流、过热，甚至损坏。

③电力电子装置供电的负载如电弧炉、轧钢机等具有冲击性无功负载，这要求无功补偿的响应速度要快，但并联电容器的补偿方法是难以奏效。

美国斯威尔智能电容器成套设备能满足恶劣环境下的电容补偿要求.美国斯威尔专业开发的功率因数控制器结合智能电容器组,能快速响应电网功率因数突变的问题,毫秒级的捕捉谐波突变.防止过度补偿引起的设备损坏.同时美国斯威尔智能电容器成套设备具有谐波抑制能力,破坏电容与系统的并联谐振，部分吸收系统中的3、5、7次及以上谐波.

⑶电动机起动频繁或经常正反转的场合，不宜采用普通电容器就地补偿：

异步电动机直接起动时，起动电流约为额定电流的4-7倍，即使采用降压起动措施，其起动电流也是额定电流的2-3倍。

因此在电动机起动瞬间，与电动机并联的电容器势必流过浪涌冲击电流，这对频繁起动的场合，不仅增加线损，而且引起电容器过热，降低使用寿命。

此外，对具有正反转起动的场合，应把补偿电容器接到接触器头电源进线侧，这虽能使电容随电动机的运行而投入。

但当接触器刚断开时，电容器会向电动机绕组放电，，引起电动机自激产生高电压，这也有不妥之处。

若将补偿电容器接于电源侧，当电动机停运时，电网仍向电容器供给电流，造成电容器负担加重，产生不必要的损耗。

为此，对无功补偿功率较大的电容器，如需接在电源进线侧，则应对电容器另外加控制开关，在电动机停运时予以切除。

⑷就地补偿的电容器不宜采用普通电力电容器：

推广就地补偿技术时，不宜直接使用普通油浸纸质电力电容器，因为其自愈功能很差，使用中可能产生永久性击穿，甚至引起爆炸，危及人身安全。

应用选型需要考虑的因素

1、谐波含量及分布

配电系统可能产生的电流谐波次数与幅值及电压谐波总畸变率，根据谐波含

量确认补偿方案。

2、负荷类型

配电系统现行负荷和非线性负荷占总负荷比例，根据比例确定补偿方案。

3、无功需求

配电系统中如果感性负荷比例大则无功需求大，补偿容量应增大。

4、符合变化情况

配电系统中若静态符合多，则采用静态补偿，若频繁变化负荷多则采用动态跟踪补偿较合适。

5、三相平衡性

配电系统中若三相负荷平衡则采用三相共补，若三相负荷不平衡则采用分相补偿或混合补偿。

无功补偿设计方案参考

基于斯威尔电气提供的智能无功补偿控制器设计的无功补偿方案，可参考下

述原则。

非线性负荷比率

无功补偿设计万案

三相平衡静态负荷

三相不平衡静态负荷

三相平衡频繁变化负荷

三相不平衡频繁变化负荷

负荷中非线性设备w15%变压器容量（主要为线性负荷）

三相共补，复合开关过零投切,

智能电容器:

SWL-8MZ

分相补偿或混合补偿，

复合开关

过零投切；

电容器：

三相共补，可控硅开关动态切换

电容器：

SWL-DMZS

分相补偿或混合补偿，

可控硅开

关动态切换；

电容器：

SWL-8MZF

SWL-DMZF

或

SWL-8ZMS

SWL-DZMS

15%＜负荷中

三相共补

分相补偿或混

三相共补

分相补偿或混

非线性设备比率w50%变压

复合开关

合补偿

可控硅开

合补偿

器容量（存在

过零投切

复合开关

关动态切换

可控硅开

过零投切

关动态切换

疋量旳谐

波）

电容回路

中串联6%或

电容回路

中串联6%或

电容回路

12%滤波电抗

中串联6%或

12%非调谐滤

中串联6%或

12%非调谐滤

波电抗

12%非调谐滤

电容器：

波电抗

SWL-LBMZS

电容器：

SWL-LBDMZS

电容器：

SWL-LBMZ或

SWL-LBDMZS

SWL-LBMZS

SWL-LBDMZS

谐波治理目标

破坏电容与系

统的并联谐

振，部分吸收

系统中的3、5、

7次及以上谐

波

负荷中非线性

三相共补

分相补偿或混

三相共补

分相补偿或混

设备比率〉

50%变压器容

复合开关

合补偿

可控硅开

合补偿

量（存在大量

过零投切

复合开关

关动态切换

可控硅开

谐波）

过零投切

关动态切换

由电容或

电抗组成的调

由电容或

电抗组成的调

由电容或

谐滤波回路

电抗组成的调

谐滤波回路

电抗组成的调

谐滤波回路

电容器：

SWL-LBMZS

电容器：

SWL-LBDMZS

电容器：

SWL-LBMZ或

SWL-LBDMZ或

SWL-LBMZS

SWL-LBDMZS

谐波治理目标

完全吸收3、5、

7次及以上电

流谐波

无功功率与功率因数

许多用电设备均是根据电磁感应原理工作的，如配电变压器、电动机等，它们都是依靠建立交变磁场才能进行能量的转换和传递。

为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率称为无功功率，因此，所谓的"无功"并不是"无用"的电功率，只不过它的功率并不转化为机械能、热能而已；因此在供用电系统中除了需要有功电源外，还需要无功电源，两者缺一不可。

无功功率单位为乏（Var）。

在功率三角形中，有功功率P与视在功率S的比值，称为功率因数cos其计算公式为：

在电力网的运行中，功率因数反映了电源输出的视在功率被有效利用的程度，我们希望的是功率因数越大越好。

这样电路中的无功功率可以降到最小，视在功率将大部分用来供给有功功率，从而提高电能输送的功率。

1影响功率因数的主要因素

（1）大量的电感性设备，如异步电动机、感应电炉、交流电焊机等设备是无功功率的主要消耗者。

据有关的统计，在工矿企业所消耗的全部无功功率中，异步电动机的无功消耗占了60%〜70%;而在异步电动机空载时所消耗的无功又占到电动机总无功消耗的60%〜70%。

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。

（2）变压器消耗的无功功率一般约为其额定容量的10%〜15%，它的空载无功功率约为满载时的1/3。

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期处于低负载运行状态。

（3）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。

无功补偿的一般方法

无功补偿通常采用的方法主要有3种：

低压个别补偿、低压集中补偿、高压集中补偿。

下面简单介绍这3种补偿方式的适用范围及使用该种补偿方式的优缺点。

（1）低压个别补偿:

低压个别补偿就是根据个别用电设备对无功的需要量将单台或多台低压电容器组分散地与用电设备并接，它与用电设备共用一套断路器。

通过控制、保护装置与电机同时投切。

随机补偿适用于补偿个别大容量且连续运行（如大中型异步电动机）的无功消耗，以补励磁无功为主。

低压个别补偿的优点是：

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，因此不会造成无功倒送。

具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活、维护简单、事故率低等优点。

（2）低压集中补偿：

低压集中补偿是指将低压电容器通过低压开关接在配电变压器低压母线侧，以无功补偿投切装置作为控制保护装置，根据低压母线上的无功负荷而直接控制电容器的投切。

电容器的投切是整组进行，做不到平滑的调节。

低压补偿的优点：

接线简单、运行维护工作量小，使无功就地平衡，从而提高配变利用率，降低网损，具有较高的经济性，是目前无功补偿中常用的手段之一。

（3）高压集中补偿：

高压集中补偿是指将并联电容器组直接装在变电所的6〜10kV高压母线上

的补偿方式。

适用于用户远离变电所或在供电线路的末端，用户本身又有一定的高压负荷时，可以减少对电力系统无功的消耗并可以起到一定的补偿作用；补偿装置根据负荷的大小自动投切，从而合理地提高了用户的功率因数，避免功率因数降低导致电费的增加。

同时便于运行维护，补偿效益高。

采取适当措施，设法提高系统自然功率因数

提高自然功率因数是不需要任何补偿设备投资，仅采取各种管理上或技术上的手段来减少各种用电设备所消耗的无功功率，这是一种最经济的提高功率因数的方法。

（1）合理使用电动机；

（2）提高异步电动机的检修质量；

（3）采用同步电动机：

同步电动机消耗的有功功率取决于电动机上所带机械负荷的大小，而无功功率取决于转子中的励磁电流大小，在欠励状态时，定子绕组向电网"吸取"无功，在过励状态时，定子绕组向电网"送出"无功。

因此，对于恒速长期运行的大型机构设备可以采用同步电动机作为动力。

异步电动机同步运行就是将异步电动机三相转子绕组适当连接并通入直流励磁电流，使其呈同步电动机运行，这就是"异步电动机同步化"

（4）合理选择配变容量，改善配变的运行方式：

对负载率比较低的配变，一般采取"撤、换、并、停"等方法，使其负载率提高到最佳值，从而改善电网的自然功率因数。

无功电源

电力系统的无功电源除了同步电机外，还有静电电容器、静止无功补偿器以及静止无功发生器，这4种装置又称为无功补偿装置。

除电容器外，其余几种既能吸收容性无功又能吸收感性无功。

（1）同步电机：

同步电机中有发电机、电动机及调相机3种。

1同步发电机：

同步发电机是唯一的有功电源，同时又是最基本的无功电源，当其在额定状态下运行时，可以发出无功功率：

Q=S

其中:

发电机正常运行时,以滞后功率因数运行为主,向系统提供无功，但必要时,也可以减小励磁电流,使功率因数超前,即所谓的"进相运行"，以吸收系统多余的无功。

2同步调相机:

同步调相机是空载运行的同步电机，它能在欠励或过励的情况下向系统吸收或供出无功，装有自励装置的同步电机能根据电压平滑地调节输入或输出的无功功率，这是其优点。

但它的有功损耗大、运行维护复杂、响应速度慢，近来已逐渐退出电网运行。

3并联电容器：

并联电容器补偿是目前使用最广泛的一种无功电源，由于通过电容器的交变电流在相位上正好超前于电容器极板上的电压，相反于电感中的滞后，由此可视为向电网"发？

quot;无功功率：

Q=U2/Xc

其中：

QUXc分别为无功功率、电压、电容器容抗

并联电容器本身功耗很小，装设灵活，节省投资；由它向系统提供无功可以改善功率因数，减少由发电机提供的无功功率。

4静止无功补偿器：

静止无功补偿器是由晶闸管所控制投切电抗器和电容器组成，由于晶闸管对于控制信号反应极为迅速，而且通断次数也可以不受限制。

当电压变化时静止补偿器能快速、平滑地调节，以满足动态无功补偿的需要，同时还能做到分相补偿；对于三相不平衡负荷及冲击负荷有较强的适应性；但由于晶闸管控制对电抗器的投切过程中会产生高次谐波，为此需加装专门的滤波器。

5静止无功发生器：

它的主体是一个电压源型逆变器，由可关断晶闸管适当的通断，将电容上的直流电压转换成为与电力系统电压同步的三相交流电压，再通过电抗器和变压器并联接入电网。

适当控制逆变器的输出电压，就可以灵活地改变其运行工况，使其处于容性、感性或零负荷状态。

与静止无功补偿器相比，静止无功发生器响应速度更快，谐波电流更少，而且在系统电压较低时仍能向系统注入较大的无功。

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