浅谈变电站电容器无功补偿方式及意义.doc

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浅谈变电站电容器无功补偿方式及意义

摘要：

电力系统的电压质量，直接影响工业产品的质量。

提高电网功率因数，确保供电质量和电网运行的经济性，对国民经济发展具有重大意义。

无功功率是影响电压质量的主要因素，电力系统的各节点无功功率平衡决定了该节点的电压水平，无功功率除了会引起电压降低，设备损坏，严重时还会使系统电压崩溃、解裂，造成大面积停电事故。

据统计，在电力系统中感应电动机约占全部负荷的50%以上，在电力系统的用户中还存在着大量无功源如轧钢机、电弧炉、电气化铁道等，同时用户中又有大量的对系统电压稳定性有较高要求的精密设备，如计算机，医用设备等，因此迫切需要对系统的无功功率进行补偿。

关键词：

功率因数、无功补偿、电容器

一、无功在供电系统中的影响

1、接在电网中的许多用电设备是根据电磁感应原理工作的，我们最常见的变压器就是通过磁场才能改变电压并且将能量送出去，电动机才能转动并带动机械负荷。

磁场所具有的磁场能是由电源供给的，电动机和变压器在能量转换过程中建立交变磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等，这种功率叫做感性无功功率。

电容器在交流电网中接通时，在一个周期内的，上半周期的充电功率和下半周期的放电功率相等，不消耗能量，这种充放电功率叫做容性无功功率。

感性负荷、有功功率、无功功率和视在功率的关系如图1所示：

φ

图1功率三角形

式1—1：

S=√P2+Q2

式1—2：

P=√S2-Q2=S*cosΦ

式1—3：

Q=√S2-P2=S*sinΦ

S—视在功率，kVA

P—有功功率，kW

Q—无功功率，kVar

Φ—功率因数角，它的余弦（cosΦ）是有功功率和视在功率之比，称为功率因数。

即：

cosΦ=P/S

由功率三角形可以看出，在供电系统中输送的有功功率维持恒定的情况下，当用电企业的cosΦ越小，则所需要的无功功率越大，其视在功率也越大。

2、无功功率增大，即供电系统的功率因数降低将会引起：

（1）增加电力网中输电线路上的有功功率损耗和电能损耗。

若设备的功率因数降低，在保证输送同样的有功功率时，无功功率就要增加，这样势必就要在输电线路中传输更大的电流，使得此输电线路上有功功率损耗和电能损耗增大。

（2）系统中输送的总电流增加，使得供电系统中的电气元件，如变压器、电气设备、导线等容量增大，从而使用户的起动控制设备、测量仪表等规格尺寸增大，因而增大了初投资费用。

（3）功率因数过低还将使线路的电压损耗增大，结果负荷端的电压就要下降，甚至会低于允许偏移值，从而严重影响异步电动机及其它用电设备的正常运行。

特别在用电高峰季节，功率因数太低会出现大面积地区的电压偏低，将给油田的生产造成很大的损失。

（4）使电力系统内的电气设备容量不能充分利用，因为发电机或变压器都有一定的额定电压、额定电流和额定容量，在正常情况下，这些参数是不容许超过的，若功率因数降低，则有功出力也将随之降低，使设备容量不能得到充分利用。

二、 减少无功，提高功率因数的方法

（1）提高自然功率因数

 自然功率因数是指未装设任何补偿装置的实际功率因数。

提高自然功率因数，采用科学措施减少用电设备的无功功率的需要量，使供配电系统总功率因数提高。

①合理选择用电设备的规格、型号

②防止用电设备轻载运行

③保证用电设备的维修质量

④合理选择变压器的型号、容量

⑤优化系统的运行方式

⑥加强用电设备的匹配性

⑦选择合理的无功补偿点

（2）人工补偿提高功率因数

并联电容器

并联电抗器

串联电容器

串联电抗器

同步补偿器（调相机）

TCR（晶闸管控制电抗器）

TSC（晶闸管开闭电容器）

SR（多相饱和电抗器） 

目前，在油田变电站中，提高自然功率因数，减少无功，可能性不大，是因为变电站建站初期，设备的选型、设计决定了自然功率因数的提高。

而人工补偿提高功率因数，在不增加投资的情况下，并联电容器是应用最直接、最明显的无功补偿技术方式，也是油田变电站现有条件下，能够做到的。

三、并联电容器补偿

并联电容器是目前国内外应用最为广泛的无功功率补偿装置，其优点是：

投资省，运行经济，结构简单，维护方便，容量可以任意选择，适应性强。

1、并联电容器提高功率因数的原理

在交流电路中（图2），纯电阻电路负载中的电流IR与电压U同相位，纯电感电路负载中的电流IL滞后电压90°，而纯电容电路负载中的电流IC则超前电压90°，可见，电容中的电流与电感中的电流相差180°，它们能够互相抵消。

在电力系统中感应电动机约占全部负荷的50%以上，在电力系统的用户中还存在着大量无功源如轧钢机、电弧炉、电气化铁道等，因此总电流I将滞后电压一个角度，如果将并联电容器与负载并联，则电容器的电流IC将抵消掉一部分电感电流IL使总电流减小，功率因数提高，这就是并联补偿的原理。

图2电容补偿电压电流相位向量图

2、下面以一简单电力网为例来说明投切电容器对功率因数的影响。

图3

如图3所示为一简单电力网，假定供电电压和负荷已经给定，线路分布电容和变压器励磁功率忽略不计，则补偿前线路有功损耗为

式3—1：

补偿后线路有功损耗为

式3—2：

补偿前负荷侧功率因数

式3—3

补偿后负荷侧功率因数

式3—4

比较以上四式（3—1、2、3、4）可知，并联电容器补偿无功不仅减小了网络的有功损耗，还提高了电网的传送能力和负荷侧的功率因数。

在负荷侧安装并联电容器，不仅能改变网络中的无功分布，提高负荷侧的功率因数，还可以达到调压的目的。

如（式3—5）所示，假设补偿前后V0不变，不计电压横分量，补偿后末端电压增量为

式3—5：

3、补偿容量和电容器台数的确定

式3—6：

Qcc=P（tgφ1－tgφ2）   

式中，Qcc为补偿容量；P为平均有功负荷，P =αPc或Wa/t，Pc为负荷计算得到的有功计算负荷，α为有功负荷系数，Wa为时间t内消耗的电能；tgφ1为补偿前平均功率因数角的正切值；tgφ2为补偿后平均功率因数角的正切值；

4、并联电容器组的接线

并联电容器一般都是分组安装，以改变功率因数、提高电压和补偿变压器无功损耗为目的，可随负荷变化、电压波动进行人工投切。

并联电容器的接线一般可分为△形和Y形。

△形不受三相电容器容抗不平衡的影响，可补偿不平衡负荷。

但当电容器等发生短路事故时，短路电流大，可选用的继电保护方式少。

采用Y形接线时，不仅设备故障时短路电流较小，继电保护构成也方便，而且设备布置清晰，但对3n次谐波没有通路，故广泛用于6kV及以上并联电容器组。

特别应注意，Y形接线的中性点不能接地，以免单相接地时对通讯线路构成干扰。

四、电容器补偿的投切方式

1、变电站常规开关投切

在胜利油田电网，电容器无功补偿几乎全部为开关投切的补偿方式，即通过断路器将电容器并联变电站母线上进行集中补偿或将电容器并联在线路上进行分散、就地补偿。

但是随着油田的发展以及勘探形势的变化，电网所带的负荷发生了很大的变化，不仅仅是稳定的油井负荷，还有很多民用负荷、商用负荷，无功的需求也不再是以前那种相对稳定的状况，即使在一天中无功的需求量变化也非常大。

电容器采用开关投切的无功补偿，不能根据无功需求的变化进行自动补偿，导致低谷时段电压偏高电容器无法投入运行，造成较大线损。

以南区供电公司的史口变为例：

当史口变由7634郝史线做电源进线时，6kVI#、II#主变的功率因数都能保证在0.95以上；由7631史口线做电源进线时，由于系统结构原因，I#、II#主变需分列运行，6kVI、II段母线出现了无功分布不均的现象：

I#主变欠补偿，II#主变过补偿，由于II#主变过补偿必须退出6kVII段电容器7692开关，致使II#主变欠补偿，造成两台主变功率因数低。

由于无功分配不均衡，所以常规开关投切不能满足电容器动态无功补偿，必须对电容器的容量重新进行选择和分段、分组投切，不仅投切方式不灵活，而且由于补偿为固定值，无法实现无功的优化。

2、补偿装置动态投切

为了保证电力系统的电能质量，电力系统除应满足频率指标外，还应满足电压指标的要求，因此系统电压的调整与系统无功的调整必须紧密结合在一起。

实现对电力系统电压和无功补偿的动态控制、提高功率因数有以下意义：

（1）维持监视点的电压水平；

（2）实现系统中无功的最优分配，保证系统的安全经济运行；

（3）提高系统的稳定性。

采用模拟量或微电脑功率因数检测，通过中间继电器（或固态继电器）接通断路器，控制补偿电容器投入或切除。

但存在的很多问题：

（1）会产生很大的合闸涌流和电压闪变，甚至引起系统振荡；

（2）断开弧光大；（3）补偿电容器及接触器易损坏，一年后90%以上不好用；（4）对供电系统及周围电气设备干扰大。

因此，补偿装置动态投切，只适用于无功负荷较稳定、较小的变电站使用。

3、无功自动调节装置：

采用特殊的自耦调压器通过调节电容器两端电压来改变无功出力，满足系统对容性无功的要求，达到提高功率因数减少线损的目的。

由电压调节器、微机控制器、电容器三部分组成。

而它的微机控制器是将主变高压侧电流电压按九区图有理分析判断，发出指令自动调节电容器端电压和主变分接开关使功率因数及电压都在合格范围内，并且能够解决低谷时段电压偏高电容器无法投入的问题。

通过电压调节器调节电容器两端的电压Ｕ，来调节电容器的无功出力。

这样就可以实现电容器固定接入而通过调节电容器端电压按要求调节无功补偿容量，从而避免频繁投切电容器而引起的涌流和过电压。

和其他电容器无功补偿投切方式相比有以下优点：

（1）电容器固定接入不分组投切即或有九档输出，容量从100%-36%额定无功容量。

（2）调切过程无过电压和涌流可保证电容器和系统安全运行。

（3）可保证电容器运行在额定电压以下延长电容器使用寿命。

（4）可实现适时跟踪补偿，提高补偿效果。

（5）辅助损耗低仅为电容器容量的千分之二左右。

中区供电公司110kV辛四变6kVⅡ段母线采用无功自动调节装置，在电容前串入电压调节器，电压调节范围60%-100%额定电压，容量为2000kvar，电压等级为6kV。

经过现场运行表明：

1）采用无功自动调节装置可有效地提高变电站的功率因数，达到0.93以上。

2）在满足提高功率因数的基础上，也能有效地提高网压水平，降低变压器功率损失和网损，增加了供电系统的输出能力。

3）电压调节器在调节过程中无过电压存在，有效地降低了电容器合闸涌流对系统机电容器本身的冲击，保证电容器安全，延长其使用寿命。

4）由于调压过程中电容器始终不脱离电网，无充放电现象，因此无调节延时，可以实现适时调节。

采用电压无功自动调节装置，改变变电站电容器靠手动投切的传统模式，实现从离线处理到实时处理,从单独控制到集中控制，避免了人工监视、手动投切的各种弊端，如响应慢、误操作、工作量大等，电压水平的合格性和稳定性得到了显著提高，整个电网的网损降到了尽量低的程度。

结论：

变电站由于传输无功功率也将造成电能损失和电压损失，设备利用率也相应降低，而且由无功造成的网损也很大，因此变电站电力系统在不可能增加投资的情况下必须采取行之有效的电容器无功补偿，来提高功率因数，保证电压质量、实现降损节能、增加设备有功容量、提高输变送能力，确保电力部门和用户总体运行技术指标和经济指标的完成。

参考文献

[1]王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿.机械工业出版社，1999

[2]许业清.实用无功功率补偿技术.中国科学技术大学出版社,1998

[3]靳龙章，丁毓山.电网无功补偿实用技术.中国水利水电出版社,1997

[4]《电力系统自动化》杂志

[5]《中国电力》杂志

[6]水利电力部《全国供用电规则》

[7]中国石油天然气集团公司人事服务中心，《变电站值班员》，山东东营，中国石油大学出版社，2007

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