[科普中国]-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1。

简介无功补偿原理
当电网电压的波形为正弦波，且电压与电流同相位时，电阻性电气设备如白炽灯、电热器等从电网上获得的功率P等于电压U和电流I的乘积，即：P=U×I。
电感性电气设备如电动机和变压器等由于在运行时需要建立磁场，此时所消耗的能量不能转化为有功功率，故被称为无功功率Q。此时电流滞后电压一个角度φ。在选择变配电设备时所根据的是视在功率S，即有功功率和无功功率的矢量和： 无功功率为2:

有功功率与视在功率的比值为功率因数:
cosf=P/S
无功功率的传输加重了电网负荷，使电网损耗增加，系统电压下降。故需对其进行就近和就地补偿。并联电容器可补偿或平衡电气设备的感性无功功率。当容性无功功率QC等于感性无功功率QL时，电网只传输有功功率P。根据国家有关规定，高压用户的功率因数应达到0.9以上，低压用户的功率因数应达到0.85以上。
如果选择电容器功率为Qc，则功率因数为：
cosφ= P/ (P^2 + (QL-Qc)^2)^1/2

在实际工程中首先应根据负荷情况和供电部门的要求确定补偿后所需达到的功率因数值，然后再计算电容器的安装容量：
Qc = P(tanf1 - tanf2)=P〔(1/cos2f1-1)1/2-(1/cos2f2-1)1/2〕
式中:
Qc一电容器的安装容量，kvar
P一系统的有功功率，kW
tanφ1--补偿前的功率因数角, cosf1--补偿前的功率因数
tanφ2--补偿后的功率因数角, cosf2--补偿后的功率因数

在大系统中，无功补偿还用于调整电网的电压，提高电网的稳定性。

在小系统中，通过恰当的无功补偿方法还可以调整三相不平衡电流。按照wangs定理：在相与相之间跨接的电感或者电容可以在相间转移有功电流。因此，对于三相电流不平衡的系统，只要恰当地在各相与相之间以及各相与零线之间接入不同容量的电容器，不但可以将各相的功率因数均补偿至接近1，而且可以使各相的有功电流达到平衡状态。

基本原理无功补偿电网输出的功率包括两部分：一是有功功率；二是无功功率。直接消耗电能，把电能转变为机械能、热能、化学能或声能，利用这些能作功，这部分功率称为有功功率；不消耗电能，只是把电能转换为另一种形式的能，这种能作为电气设备能够作功的必备条件，并且，这种能是在电网中与电能进行周期性转换，这部分功率称为无功功率，如电磁元件建立磁场占用的电能，电容器建立电场所占的电能3。电流在电感元件中作功时，电流滞后于电压90°；而电流在电容元件中作功时，电流超前电压90°。在同一电路中，电感电流与电容电流方向相反，互差180°。如果在电磁元件电路中有比例地安装电容元件，使两者的电流相互抵消，就可以使电流的矢量与电压矢量之间的夹角缩小。

实现方式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。

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cosΦ=0.8增加到cosΦ=0.95时，装1Kvar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ΔΡ%=（1-cosφ/cosΦ）×100%得出其中cosφ为补偿前的功率因数，cosΦ为补偿后的功率因数则：

cosΦ>cosφ，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4。

常用方式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：Q≤UΙ0式中：Q---无功补偿容量（kvar）；U---电动机的额定电压（V）；Ι0---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。

其他相关控制电容器投切的器件主要有投切电容器专用接触器、复合开关、同步开关和晶闸管。投切电容器专用接触器有一组辅助接点串联电阻后与主接点并联。在投入过程中辅助接点先闭合，与辅助接点串联的电阻使电容器预充电，然后主接点再闭合，于是就限制了电容器投入时的涌流。复合开关就是将晶闸管与继电器接点并联使用，由晶闸管实现电压过零投入与电流过零切除，由继电器接点来通过连续电流，这样就避免了晶闸管的导通损耗问题，也避免了电容器投入时的涌流。但是复合开关既使用晶闸管又使用继电器，于是结构就变得比较复杂，成本也比较高，并且由于晶闸管对过流、过压及对dv/dt的敏感性也比较容易损坏。

在实际应用中，复合开关故障多半是由晶闸管损坏所引起的同步开关是近年来最新发展的技术，顾名思义，就是使机械开关的接点准确地在需要的时刻闭合或断开。对于控制电容器的同步开关，就是要在接点两端电压为零的时刻闭合，从而实现电容器的无涌流投入，在电流为零的时刻断开，从而实现开关接点的无电弧分断。由于同步开关省略了晶闸管，因此不仅成本降低，而且可靠性提高。同步开关是传统机械开关与现代电子技术完美结合的产物，使机械开关在具有独特技术性能的同时，其高可靠性以及低损耗的特点得以充分显示出来。晶闸管是动态无功补偿装置唯一可选的器件5，晶闸管的动作速度快，可以在一个交流周期内完成电容器的投入与切除，并且对投切次数没有限制。但是晶闸管的导通损耗大，价格高，可靠性差，除非用于动态补偿，否则并没有优势可言。

本词条内容贡献者为:

陈波 - 副教授 - 中央财经大学