無功補償裝置的配置和使用

夏 輝 虞惠霞

（中鹽金壇鹽化有限責任公司，江蘇 金壇 213200）

無功補償裝置的配置和使用

夏 輝 虞惠霞

（中鹽金壇鹽化有限責任公司，江蘇 金壇 213200）

研究了配電系統中無功補償的原理、無功補償裝置在配電系統中的使用及無功補償應注意的問題。重點闡述了在諧波環境中并聯電容器無功補償裝置串聯電抗器的必要性，并提出了電抗率選取的原則與方法。

配電系統 無功補償裝置 電抗率

近年來，由于我國工業的快速發展，配電系統中的非線性負載也迅速增加，使得線路中的無功損耗增加，電網質量嚴重下降。而無功補償可以提高配電系統的功率因數，改善電能質量，減小線路損耗。所以，加強配電系統中無功補償的優化配置及保持無功平衡，對于提高電能的利用率具有重要的作用和意義。

1 無功補償

1.1 原理分析

目前，工廠中使用的電力設備負載絕大部分都是感性負載，如圖1所示。

圖1 負載的等效電路圖

由圖1可知，負載的有功功率為：

令λ=cos φ，表示功率因數。

由上式可知，在系統確定的情況下，想使有功功率提高，只有提高功率因數λ，這就需要減小功率因數角φ，最理想狀態是φ=0，此時λ=1，相當于純電阻系統。

但是由于實際情況中絕大部分用電設備都呈感性，使得電流落后于電壓，由理論可知，在回路上并聯電容可以使電流超前于電壓。因此在感性負載上并聯適量的電容，可以使線路上的電流與電壓盡量同步，即實現無功補償，其原理如圖2所示。

圖2 無功補償原理

1.2 方法

實際進行無功補償時，也是采用在負載2端并聯適量電容的方法，從而使母線上的無功電流減少。

為了提高用戶功率因數，實現無功的就地平衡，降低配電網損耗和改善用戶電壓質量，采用配電變壓器低壓補償是目前應用最普遍的方法之一。配電變壓器低壓補償的優點是能夠大幅度提高功率因數，能夠節能和降損，并且運行方式靈活，維護工作量較小，使用壽命相對較長，運行更加可靠，缺點是控制保護裝置較為復雜，前期投資較大。

2 無功補償裝置在低壓配電系統中的使用

2.1 并聯電容補償在使用中的問題

并聯電容器是無功補償領域中應用最廣泛的無功補償裝置，利用電容分組投切，能較為有效地適應負載無功的動態變化。

合理的無功補償對于配電網的經濟運行能夠起到積極的作用，但在實際的無功補償使用過程中也應注意以下3個問題：（1）如何確定補償容量才能達到最佳預期的補償效果；（2）過補償時無功功率倒送在電力系統中是不允許的，過補償會引起電網電壓升高，增加電網損耗；（3）由于目前非線性負載的大范圍使用，電網中不可避免存在大量的諧波，同時補償器投入電網后，會產生所謂“諧波放大”現象，稱為諧振，加劇諧波危害，使電氣元件產生附加損耗，引起元器件過熱、易老化等隱患。

2.2 并聯電容器補償容量計算

并聯電容器的補償容量QC，可按下式計算：

Pjs：有功計算負荷

tan φ1：補償前計算負荷功率因數正切值

tan φ2：補償后計算負荷功率因數正切值

2.3 補償方式

采用跟蹤補償的形式，即以無功補償投切裝置作為控制保護裝置，將低壓電容器組補償在用戶0.4 kV母線上的補償方式。使用時，無功補償控制器根據采集而得的電網參數，如電壓、電流、電壓與電流的相位角來計算當前的無功功率和功率因數，通過與設定的電容組的大小和要求達到的功率因數進行比較，來控制電容組的投切，控制補償量，實現無功補償。

2.4 串聯電抗器

現代工業生產領域的諧波源是必然存在的，諧波電流都是高頻電流。感抗會隨著頻率的升高而變大，容抗會隨著頻率的升高而變小。這樣電流會向阻抗小的地方流。單一使用電容器進行無功補償，諧波電流會大量流入電容器。電容器工作時都是滿負荷工作的，一旦諧波電流流入電容器，量小會造成過電流，影響電容器壽命；量大會直接造成電容器鼓肚甚至爆炸，后果不堪設想。

當配電系統中存在了感性設備（變壓器），容性設備（電容器）就會形成諧振電路。當發生串并、聯諧振時，諧波電流、電壓會被放大20倍或以上倍數，此時只要存在諧波，諧波電流就有被放大的可能。諧振點會隨著電容投切量的改變而不斷改變，放大的諧波電流次數也會改變，隨時隨刻都可能發生諧振。

采用并聯電容器進行無功補償而構成的電路中，若電容器支路與系統發生并聯諧振，此時諧振點的諧振次數為：

XS：系統等值基波短路電抗；

XL：電抗器基波電抗；

XC：電容器基波電抗。

從上式看出，串入電抗器電感量越大，則諧波次數n0越低，因而可通過串入電抗器電感量的大小來控制并聯諧振點，從而達到避開諧波源中的各次諧波。由此可見，在補償電容器回路中串聯一定電抗率的電抗器，即能有效地避開諧振點。

在電容器接入處電網存在高次諧波時，當諧波次數大于諧振點的諧波次數時，電容器回路阻抗呈感抗，此時諧波電流全部流入電容器回路中，故而電容器對諧波電流不起放大作用。但在諧波次數小于諧振點的諧波次數時，電容器回路阻抗特性呈容性，此時串聯的電抗器不會起到抑制諧波作用，反而對諧波電流起到放大作用。為此，在電容器回路串聯的電抗器絕不能任意組合，一定要考慮接入處電網的諧波背景，只有根據諧波背景選擇合適的電抗率的電抗器，才能起到抑制高次諧波的作用。

綜合以上幾點說明，我們不難看出，串聯改變諧振點的電抗器進行無功補償的方案是必要的和必然的。在實際工況中，電容器回路中串聯不同電抗率的電抗器，對諧波的抑制作用是不相同的，為使系統達到最佳運行狀態，合理選擇串聯電抗器的電抗率顯得尤為重要。

并聯電容器裝置系統等效回路如圖3所示。

圖3 供電系統圖與等效回路圖

XS：系統基波阻抗；

XC：電容器組基波阻抗；

XL：串聯電抗器基波阻抗；

h：諧波次數；

Ih：諧波源產生的h次諧波電流；

ISh：注入系統的h次諧波電流；

ICh：電容器組回路的h次諧波電流；

Uh：母線h次諧波電壓。

可根據電容器組的容量QC與并聯電容器裝置接入處的母線短路容量Sd，計算在不同電抗率k時流入電容器支路的諧波電流ICh，根據目前工業生產特性，一般計算3、5、7次諧波電流即可。

由式（5）可得：

（1）當主要抑制3次諧波時：

當主要抑制5次及以上諧波時：

3 結論

本文主要介紹了供配電網絡中無功補償的原理及典型并聯電容器組無功補償裝置的使用，同時對無功補償存在的問題提出了一定的解決辦法或措施。

（1）無功補償在使用中必須根據現場實際工況，對補償總容量、電容器分組容量、補償方式以及預期運行效果等進行綜合性的考慮，使之達到最佳運行狀態。

（2）應根據不同的諧波狀況，選取合適的串聯電抗器的電抗率，一般依據主諧波次數、補償容量、電容器分組容量、母線短路容量以及系統允許運行條件等因素進行計算確定。

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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