无功补偿装置的配置和使用

夏 辉 虞惠霞

（中盐金坛盐化有限责任公司，江苏 金坛 213200）

无功补偿装置的配置和使用

夏 辉 虞惠霞

（中盐金坛盐化有限责任公司，江苏 金坛 213200）

研究了配电系统中无功补偿的原理、无功补偿装置在配电系统中的使用及无功补偿应注意的问题。重点阐述了在谐波环境中并联电容器无功补偿装置串联电抗器的必要性，并提出了电抗率选取的原则与方法。

配电系统 无功补偿装置 电抗率

近年来，由于我国工业的快速发展，配电系统中的非线性负载也迅速增加，使得线路中的无功损耗增加，电网质量严重下降。而无功补偿可以提高配电系统的功率因数，改善电能质量，减小线路损耗。所以，加强配电系统中无功补偿的优化配置及保持无功平衡，对于提高电能的利用率具有重要的作用和意义。

1 无功补偿

1.1 原理分析

目前，工厂中使用的电力设备负载绝大部分都是感性负载，如图1所示。

图1 负载的等效电路图

由图1可知，负载的有功功率为：

令λ=cos φ，表示功率因数。

由上式可知，在系统确定的情况下，想使有功功率提高，只有提高功率因数λ，这就需要减小功率因数角φ，最理想状态是φ=0，此时λ=1，相当于纯电阻系统。

但是由于实际情况中绝大部分用电设备都呈感性，使得电流落后于电压，由理论可知，在回路上并联电容可以使电流超前于电压。因此在感性负载上并联适量的电容，可以使线路上的电流与电压尽量同步，即实现无功补偿，其原理如图2所示。

图2 无功补偿原理

1.2 方法

实际进行无功补偿时，也是采用在负载2端并联适量电容的方法，从而使母线上的无功电流减少。

为了提高用户功率因数，实现无功的就地平衡，降低配电网损耗和改善用户电压质量，采用配电变压器低压补偿是目前应用最普遍的方法之一。配电变压器低压补偿的优点是能够大幅度提高功率因数，能够节能和降损，并且运行方式灵活，维护工作量较小，使用寿命相对较长，运行更加可靠，缺点是控制保护装置较为复杂，前期投资较大。

2 无功补偿装置在低压配电系统中的使用

2.1 并联电容补偿在使用中的问题

并联电容器是无功补偿领域中应用最广泛的无功补偿装置，利用电容分组投切，能较为有效地适应负载无功的动态变化。

合理的无功补偿对于配电网的经济运行能够起到积极的作用，但在实际的无功补偿使用过程中也应注意以下3个问题：（1）如何确定补偿容量才能达到最佳预期的补偿效果；（2）过补偿时无功功率倒送在电力系统中是不允许的，过补偿会引起电网电压升高，增加电网损耗；（3）由于目前非线性负载的大范围使用，电网中不可避免存在大量的谐波，同时补偿器投入电网后，会产生所谓“谐波放大”现象，称为谐振，加剧谐波危害，使电气元件产生附加损耗，引起元器件过热、易老化等隐患。

2.2 并联电容器补偿容量计算

并联电容器的补偿容量QC，可按下式计算：

Pjs：有功计算负荷

tan φ1：补偿前计算负荷功率因数正切值

tan φ2：补偿后计算负荷功率因数正切值

2.3 补偿方式

采用跟踪补偿的形式，即以无功补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补偿在用户0.4 kV母线上的补偿方式。使用时，无功补偿控制器根据采集而得的电网参数，如电压、电流、电压与电流的相位角来计算当前的无功功率和功率因数，通过与设定的电容组的大小和要求达到的功率因数进行比较，来控制电容组的投切，控制补偿量，实现无功补偿。

2.4 串联电抗器

现代工业生产领域的谐波源是必然存在的，谐波电流都是高频电流。感抗会随着频率的升高而变大，容抗会随着频率的升高而变小。这样电流会向阻抗小的地方流。单一使用电容器进行无功补偿，谐波电流会大量流入电容器。电容器工作时都是满负荷工作的，一旦谐波电流流入电容器，量小会造成过电流，影响电容器寿命；量大会直接造成电容器鼓肚甚至爆炸，后果不堪设想。

当配电系统中存在了感性设备（变压器），容性设备（电容器）就会形成谐振电路。当发生串并、联谐振时，谐波电流、电压会被放大20倍或以上倍数，此时只要存在谐波，谐波电流就有被放大的可能。谐振点会随着电容投切量的改变而不断改变，放大的谐波电流次数也会改变，随时随刻都可能发生谐振。

采用并联电容器进行无功补偿而构成的电路中，若电容器支路与系统发生并联谐振，此时谐振点的谐振次数为：

XS：系统等值基波短路电抗；

XL：电抗器基波电抗；

XC：电容器基波电抗。

从上式看出，串入电抗器电感量越大，则谐波次数n0越低，因而可通过串入电抗器电感量的大小来控制并联谐振点，从而达到避开谐波源中的各次谐波。由此可见，在补偿电容器回路中串联一定电抗率的电抗器，即能有效地避开谐振点。

在电容器接入处电网存在高次谐波时，当谐波次数大于谐振点的谐波次数时，电容器回路阻抗呈感抗，此时谐波电流全部流入电容器回路中，故而电容器对谐波电流不起放大作用。但在谐波次数小于谐振点的谐波次数时，电容器回路阻抗特性呈容性，此时串联的电抗器不会起到抑制谐波作用，反而对谐波电流起到放大作用。为此，在电容器回路串联的电抗器绝不能任意组合，一定要考虑接入处电网的谐波背景，只有根据谐波背景选择合适的电抗率的电抗器，才能起到抑制高次谐波的作用。

综合以上几点说明，我们不难看出，串联改变谐振点的电抗器进行无功补偿的方案是必要的和必然的。在实际工况中，电容器回路中串联不同电抗率的电抗器，对谐波的抑制作用是不相同的，为使系统达到最佳运行状态，合理选择串联电抗器的电抗率显得尤为重要。

并联电容器装置系统等效回路如图3所示。

图3 供电系统图与等效回路图

XS：系统基波阻抗；

XC：电容器组基波阻抗；

XL：串联电抗器基波阻抗；

h：谐波次数；

Ih：谐波源产生的h次谐波电流；

ISh：注入系统的h次谐波电流；

ICh：电容器组回路的h次谐波电流；

Uh：母线h次谐波电压。

可根据电容器组的容量QC与并联电容器装置接入处的母线短路容量Sd，计算在不同电抗率k时流入电容器支路的谐波电流ICh，根据目前工业生产特性，一般计算3、5、7次谐波电流即可。

由式（5）可得：

（1）当主要抑制3次谐波时：

当主要抑制5次及以上谐波时：

3 结论

本文主要介绍了供配电网络中无功补偿的原理及典型并联电容器组无功补偿装置的使用，同时对无功补偿存在的问题提出了一定的解决办法或措施。

（1）无功补偿在使用中必须根据现场实际工况，对补偿总容量、电容器分组容量、补偿方式以及预期运行效果等进行综合性的考虑，使之达到最佳运行状态。

（2）应根据不同的谐波状况，选取合适的串联电抗器的电抗率，一般依据主谐波次数、补偿容量、电容器分组容量、母线短路容量以及系统允许运行条件等因素进行计算确定。

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The configuration and usage of reactive power compensation device

XIA Hui YU Hui-xia
(China salt Jintan Co., Ltd., Jintan 213200, China)

The principle of reactive power compensation, the application of the reactive power compensation equipment in distribution grid, and some caution in the reactive power compensation were studied. The necessity of shunt capacitor and series reactor in the harmonic environment were mainly explainde, the principle and method of selecting the reactance rate proposed.

distribution grid; reactive power compensation device; reactance rate