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无功补偿原理、方法

人气：3688次发表时间：2018-09-05

无功补偿的原理

在交流电路中，由电源供给负载的电功率有两种;一种是有功功率，一种是无功功率。有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，是将电能转换为其他形式能量(机械能、光能、热能)的电功率。

无功功率比较抽象，它是电路内电场与磁场的交换，在电气设备中建立和维持磁场的电功率。它不对外作功，而是转变为其他形式的能量。凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就要消耗无功功率。

无功功率决不是无用功率，它的用处很大。电动机需要建立和维持旋转磁场，使转子转动，从而带动机械运动，电动机的转子磁场就是靠从电源取得无功功率建立的。变压器也同样需要无功功率，才能使变压器的一次线圈产生磁场，在二次线圈感应出电压。因此，没有无功功率，电动机就不会转动，变压器也不能变压，交流接触器不会吸合。(打个比方，农村修水利需要开挖土方运土，运土时用竹筐装满土，挑走的土好比是有功功率，挑空竹筐就好比是无功功率，竹筐并不是没用，没有竹筐泥土怎么能运到堤上?)

在正常情况下，用电设备不但要从电源取得有功功率，同时还需要从电源取得无功功率。如果电网中的无功功率供不应求，用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场，这些用电设备就不能维持在额定情况下工作，用电设备的端电压就要下降，从而影响用电设备的正常运行。

但是从发电机和高压输电线供给的无功功率远远满足不了负荷的需要，所以在电网中要设置一些无功补偿装置来补充无功功率，以保证用户对无功功率的需要，这样用电设备才能在额定电压下工作。

无功补偿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。

采用无功补偿可以收到以下效果：

1) 根据用电设备的功率因数，可测算输电线路的电能损失。通过现场技术改造，可使低于标准要求的功率因数达标，实现节电目的。

2) 采用无功补偿技术，提高低压电网和用电设备的功率因数，已成为节电工作的一项重要措施。

3) 无功补偿，它就是借助于无功补偿设备提供必要的无功功率，以提高系统的功率因数，降低能耗，改善电网电压质量，稳定设备运行。

4) 减少电力损失，一般工厂动力配线依据不同的线路及负载情况，其电力损耗约2%--3%左右，使用电容提高功率因数后，总电流降低，可降低供电端与用电端的电力损失。

5) 改善供电品质，提高功率因数，减少负载总电流及电压降。于变压器二次侧加装电容可改善功率因数提高二次侧电压。

6) 延长设备寿命。改善功率因数后线路总电流减少，使接近或已经饱和的变压器、开关等机器设备和线路容量负荷降低，因此可以降低温升增加寿命(温度每降低10°C，寿命可延长1倍)

7) 最终满足电力系统对无功补偿的监测要求，消除因为功率因数过低而产生的罚款。

8) 无功补偿可以改善电能质量、降低电能损耗、挖掘发供电设备潜力、无功补偿减少用户电费支出，是一项投资少，收效快的节能措施。

9) 无功补偿技术对用电单位的低压配电网的影响以及提高功率因数所带来的经济效益和社会效益，确定无功功率的补偿容量，确保补偿技术经济、合理、安全可靠，达到节约电能的目的

无功补偿的合理配置原则：

从电力网无功功率消耗的基本状况可以看出，各级网络和输配电设备都要消耗一定数量的无功功率，尤以低压配电网所占比重最大。为了最大限度地减少无功功率的传输损耗，提高输配电设备的效率，无功补偿设备的配置，应按照“分级补偿，就地平衡”的原则，合理布局。

1) 总体平衡与局部平衡相结合，以局部为主。

2) 电力部门补偿与用户补偿相结合。

在配电网络中，用户消耗的无功功率占50%～60%，其余的无功功率消耗在配电网中。为了减少无功功率在网络中的输送，要尽可能地实现就地补偿，就地平衡，所以必须由电力部门和用户共同进行补偿。

3) 分散补偿与集中补偿相结合，以分散为主。

集中补偿，是在变电所集中装设较大容量的补偿电容器。分散补偿，指在配电网络中分散的负荷区，如配电线路，配电变压器和用户的用电设备等进行的无功补偿。集中补偿，主要是补偿主变压器本身的无功损耗，以及减少变电所以上输电线路的无功电力，从而降低供电网络的无功损耗。但不能降低配电网络的无功损耗。因为用户需要的无功通过变电所以下的配电线路向负荷端输送。所以为了有效地降低线损，必须做到无功功率在哪里发生，就应在哪里补偿。所以，中、低压配电网应以分散补偿为主。

4) 功补偿的原则。提高用电单位的自然功率因数,应该遵循：全面规划,合理布局,分级补偿,就地平衡;集中补偿与分散补偿相结合,以分散补偿主;高压补偿与低压补偿相结合,以低压补偿为主;调压与降损相结合，以降损为主的原则.

影响功率因数的主要因素：

功率因数的产生主要是因为交流用电设备在其工作过程中，除消耗有功功率外，还需要无功功率。当有功功率P一定时，如减少无功功率Q，则功率因数便能够提高。在极端情况下，当Q=0时，则其力率=1。因此提高功率因数问题的实质就是减少用电设备的无功功率需要量。

1. 异步电动机和电力变压器是耗用无功功率的主要设备

异步电动机的定子与转子间的气隙是决定异步电动机需要较多无功的主要因素。而异步电动机所耗用的无功功率是由其空载时的无功功率和一定负载下无功功率增加值两部分所组成。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。变压器消耗无功的主要成份是它的空载无功功率，它和负载率的大小无关。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其处于低负载运行状态。

2. 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，一般工厂的无功将增加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。

3. 电网频率的波动也会对异步电机和变压器的磁化无功功率造成一定的影响

4. 以上影响电力系统功率因数的一些主要因素，因此必须要寻求一些行之有效的、能够使低压电力网功率因数提高的一些实用方法，使低压网能够实现无功的就地平衡，达到降损节能的效果。

低压配电网无功补偿的方法：

提高功率因数的主要方法是采用低压无功补偿技术，我们通常采用的方法主要有三种：随机补偿、随器补偿、跟踪补偿。

1. 随机补偿随机补偿就是将低压电容器组与电动机并接，通过控制、保护装置与电机，同时投切。随机补偿适用于补偿电动机的无功消耗，以补励磁无功为主，此种方式可较好地限制用电单位无功负荷。

随机补偿的优点：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，而且不需频繁调整补偿容量。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。

2. 随器补偿

随器补偿是指将低压电容器通过低压保险接在配电变压器二次侧，以补偿配电变压器空载无功的补偿方式。配变在轻载或空载时的无功负荷主要是变压器的空载励磁无功，配变空载无功是用电单位无功负荷的主要部分，对于轻负载的配变而言，这部分损耗占供电量的比例很大，从而导致电费单价的增加。

随器补偿的优点：接线简单、维护管理方便、能有效地补偿配变空载无功，限制农网无功基荷，使该部分无功就地平衡，从而提高配变利用率，降低无功网损，具有较高的经济性，是目前补偿无功最有效的手段之一。

3. 跟踪补偿

跟踪补偿是指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大用户0.4kv母线上的补偿方式。适用于100kVA以上的专用配变用户，可以替代随机、随器两种补偿方式，补偿效果好。

跟踪补偿的优点是运行方式灵活，运行维护工作量小，比前两种补偿方式寿命相对延长、运行更可靠。应优先选用跟踪补偿方式。

高压配电网无功补偿：

1. 为提高10kV配电线路的供电可靠性和供电可靠率，使电力系统运行稳定、安全、经济。通过城、农网的建设与改造工作，对10kV配电线路加装无功补偿装置系统，能使配电网供电能力和客户端电压质量明显改善、供电可靠性显著提高。

2. 国家电力公司下发关于电力行业创一流的文件中，要求10kV功率因数不小于0.9，线损不大于5%，及电压质量和无功补偿的运行管理等内容，其主要解决的问题关键之一，是在10kV线路中投入一定的电容器，采用固定或自动相结合的投入方式实现无功补偿。如果在一条供电线路中投入固定的电容器组，一般是按线路低负荷进行计算，而自动补偿量是在线路满负荷时计算出来的值，一条线路有固定和自动补偿两种方式相互配合，即可达到理想的效果。

3. 无功补偿的原则是就地平衡，根据农网配电线路的实际情况比较复杂，不可能是统一模式，所以要采用分散和集中、固定和自动相结合的方法，分三步进行：一是变电所内按主变压器容量的15%左右安装固定补偿电容器组。二是在线路负荷中心或某处按低负荷时的无功需求量安装固定补偿电容器组。三是在线路负荷中心的上侧安装自动补偿电容器组。

4. 对于农网主要使用的10 kV配网系统，完整的无功补偿应该包括变电站集中补偿、10 kV线路补偿和用户端低压补偿，再加上随机补偿，即“3级补偿+随机补偿”(“3+1”模式)。

经验估算：当COSφ约在0.6~0.7时，可按馈路实际负荷的15%左右补偿;或按无功缺口的2/3 补偿。

5. 考虑到兼顾降低线损、提高力率与电压的效果，线路补偿原则是通过在线路电杆上安装电容器实行单点或多点电容器补偿，单点补偿地点选在离线路首端2/3处，补偿的容量应为无功负荷的2/3;两点补偿分别装设在距首端2/5和4/5处;若线路较长，负荷较大，实施固定补偿与自动补偿相结合、在线路上三点进行分散补偿：第一组装设在该线路2/7处为固定补偿;第二组为自动补偿，装设在该线路的4/7处，也是负荷较为集中地段;第三组为固定补偿，装设在该线路的6/7处;多点补偿是采用分支线分段补偿方式，对分支较大或线路较长负载自然功率因数低的线路进行补偿。根据农村实际状况，农网线路补偿的补偿点不宜过多;控制方式应从简;保护方式可采用熔断器和避雷器作为过电流和过电压简单保护。

6. 确定某一条配电线路的补偿容量，应根据该线路的平均无功负荷和最小无功负荷计算，当线路的最小无功负荷小于平均无功负荷的2/3时，考虑到无功不应倒送，可安装固定的补偿装置，但应按最小无功负荷确定补偿容量。当线路中有较大无功负荷点时，除应考虑与线路始端的距离外，也应考虑大的无功负荷点。实际装设补偿装置每组以100～200 kvar为宜。

无功功率补偿容量的选择方法：

无功补偿容量以提高功率因数为主要目的时，补偿容量的选择分两大类讨论，即单负荷就地补偿容量的选择(主要指电动机)和多负荷补偿容量的选择(指集中和局部分组补偿)。

1. 单负荷就地补偿容量的选择的几种方法：

1) 美国资料推荐：Qc=(1/3)Pe [额定容量的1/3]

2) 日本方法：从电气计算日文杂志中查到：1/4~1/2容量计算

3) 经验系数法：由于电机极数不同，按极数大小确定经验系数选择容量比较接近实际需要的电容器，采用这种方法一般在70%负荷时，补后功率因数可在0.95～0.97 之间。

经验系数表：电机类型一般电机起重电机冶金电机

极数 2 4 6 8 10 8 10

补偿容量(kvar/kw) 0.2 0.2～0.25 0.25～0.3 0.35～0.4 0.5 0.6 0.75

电机容量大时选下限，小时选上限 ;电压高时选下限，小时选上限。

4) Qc=P[ - ]

实际测试比较准确方法此法适用于任何一般感性负荷需要精确补偿的就地补偿容量的计算。

5) 如果测试比较麻烦，可以按下式

Qc≤ UeIo×10-3 (kvar)

Io-空载电流=2Ie(1-COSφe ) 瑞典电气公司推荐公式

6) 按电动机额定数据计算：

Q= k(1- cos2φe )3UeIe×10-3 (kvar)

K为与电动机极数有关的一个系数

极数： 2 4 6 8 10

K值： 0.7 0.8 0.85 0.9

2. 多负荷补偿容量的选择：

1) 对已生产企业欲提高功率因数，其补偿容量Qc按下式选择：

Qc=KmKj(tgφ1-tgφ2)/Tm

式中：Km为最大负荷月时有功功率消耗量，由有功电能表读得;Kj为补偿容量计算系数，可取0.8～0.9;Tm为企业的月工作小时数;tgφ1、tgφ2意义同前，tgφ1由有功和无功电能表读数求得。

2) 对处于设计阶段的企业，无功补偿容量Qc按下式选择：

Qc=KnPn(tgφ1-tgφ2)

式中Kn为年平均有功负荷系数，一般取0.7～0.75;Pn为企业有功功率之和;tgφ1、tgφ2意义同前。tgφ1根据企业负荷性质查手册近似取值，也可用加权平均功率因数求得cosφ1。

多负荷的集中补偿电容器安装简单，运行可靠、利用率较高。因此这种方法选择的容量，对于低压来说最好采用电容器组动态控制补偿，即根据负荷大小动态投入无功补偿容量的多少。

无功补偿的效益：

在现代用电企业中，在数量众多、容量大小不等的感性设备连接于电力系统中，以致电网传输功率除有功功率外，还需无功功率。如自然平均功率因数在0.70～0.85之间。企业消耗电网的无功功率约占消耗有功功率的60%～90%,如果把功率因数提高到0.95左右，则无功消耗只占有功消耗的30%左右。由于减少了电网无功功率的输入，会给用电企业带来效益。

1. 节省企业电费开支。提高功率因数对企业的直接经济效益是明显的，因为国家电价制度中，从合理利用有限电能出发，对不同企业的功率因数规定了要求达到的不同数值，低于规定的数值，需要多收电费，高于规定数值，可相应地减少电费。可见，提高功率因数对企业有着重要的经济意义。

2. 提高设备的利用率。对于原有供电设备来讲，在同样有功功率下，因功率因数的提高，负荷电流减少，因此向负荷传送功率所经过的变压器、开关和导线等供配电设备都增加了功率储备，从而满足了负荷增长的需要;如果原网络已趋于过载，由于功率因数的提高，输送无功电流的减少，使系统不致于过载运行，从而发挥原有设备的潜力;对尚处于设计阶段的新建企业来说则能降低设备容量，减少投资费用，在一定条件下，改善后的功率因数可以使所选变压器容量降低。因此，使用无功补偿不但减少初次投资费用，而且减少了运行后的基本电费。

3. 降低系统的能耗。补偿前后线路传送的有功功率不变，P= UICOSφ，由于COSφ提高，补偿后的电压U2稍大于补偿前电压U1,为分析问题方便，可认为U2≈U1从而导出I1COSφ1=I2COSφ2。

即:I1/I2= COSφ2/ COSφ1,这样线损 P减少的百分数为：

ΔP%= (1-I22/I12)×100%=(1- COS2φ1/ COS2φ2) × 100%

当功率因数从0.70～0.85提高到0.95时，由(2)式可求得有功损耗将降低20%～45%。

4. 改善电压质量。以线路末端只有一个集中负荷为例，假设线路电阻和电抗为R、X,有功和无功为P、Q,则电压损失ΔU为：

△U=(PR+QX)/Ue×10-3(kV) 两部分损失：PR/ Ue→输送有功负荷P产生的;QX/Ue→输送无功负荷Q产生的;

配电线路：X=(2～4)R，△U大部分为输送无功负荷Q产生的

变压器：X=(5～10)R，QX/Ue=(5～10) PR/ Ue 变压器△U几乎全为输送无功负荷Q产生的。可以看出，若减少无功功率Q,则有利于线路末端电压的稳定，有利于大电动机的起动。因此，无功补偿能改善电压质量(一般电压稳定不宜超过3%)。对于无功补偿应用的主要目的是改善功率因数，减少线损，稳定电压。

5. 三相异步电动机通过就地补偿后，由于电流的下降，功率因数的提高，从而增加了变压器的容量，计算公式如下：

△S=P/ COSφ1×[( COSφ 2/ COSφ1)-1]

如一台额定功率为155kW水泵的电机，补前功率因数为0.857，补偿后功率因数为0.967，根据上面公式计算其增容量为：

(155÷0.857) ×[(0.967 ÷0.857)-1]=24kVA

无功补偿装置的应用实例：

采取低压动态无功补偿装置节能降损的效果举例说明。

例1：某供电企业给某淀粉厂加装470 kvar低压动态补偿电容柜，设定补偿限值cosφ为0.95，小于限值则动态顺序投入电容器组。如功率因数超前，向线路反送无功功率，则开始顺序切除电容器，使功率因数在一个相对稳定的区域保持动态平衡。试机时一次电流1050A，cosφ = 0.7，装置动态投入400kvar后，功率因数接近到1，一次电流变为750A，电流是补偿前的电流的70%，即减少线路电流30%左右。

表1列出了补偿前后参数的变化：

注：按现场控制盘仪表指示

例2：某供电企业给某造纸厂加装500 kvar低压动态补偿柜，补偿前功率因数≤0.75，线路电流1300 A，动态补偿到功率因数为0.96后一次电流是1000 A，直观减少线路电流25%左右。

根据电路原理，线路的损耗与负荷电流的平方成正比，线路电流大则损耗大，线路电流减小则线损减少，例1中，补偿前电流为I，补偿后电流大约为0.7×I，根据DP = 3I2R，所以补偿后的线路损耗为补偿前线路损耗值的49 %，线路损耗降低了大约51%左右。例2中线路补偿后电流大约是补偿前电流的0.77，所以补偿后的线路损耗大概是补偿前线路损耗的59%。

推算出补偿前后功率因数的变化与线路损耗变化的关系：

按表2所示：例1功率因数从0.7提高到1，补偿后的线路损耗为补偿前线路损耗的49%;线路功率因数从0.75提高到0.95后，线路损耗为补偿前的63%，降低线损效果明显。

例3：某市能源监测中心于2006年4月24、29、30日对某氨纶股份有限公司B区制冷机、空压机电机进行了电机补偿装置的安装调试，从安装后测试结果看，平均降低电流22-51(A)，电机功率因数提高到0.98，(见测试结果对比表)，减少了公司内部低压电网的消耗，从而达到了节电的目的。

测试结果对比表：

由于电流减少，变压器的铜损及公司内部的低压损耗都降低。

配电系统电流下降率△I%=(1-0.87/0.98)×100%=11%;

配电系统损耗下降率 △P%=(1-0.872/0.982)×100%=11.2%

该公司B区制冷机、空压机电动机补偿的总容量为780千乏，电流平均总下降518(A),依据GB/T12497-1997中计算公式，安装电动机补偿装置后，年可节电量=补偿容量×无功经济当量×年运行时间=780×0.04×24×300=224640kWh，节约价值11.2万元，补偿投资费用(包括设备的购置、安装及现场调试)为：6.24万元。(80元/千乏)

用户低压端无功补偿装置一般按照用户无功负荷的变化动态投切补偿电容器，达到动态控制的目的，可以做到不向高压线路反送无功电能。在配电网中，若各用户低压侧配置了足够的无功补偿装置，则可使配电线路中的无功电流最小，也使配电线路的有功功率损耗最小，这是最理想的效果。另外，线路中的无功电流小，也使线路压降减少，电压波动减少。

智能低压动态无功补偿技术：

电力电子技术、智能控制技术和信息通信技术的不断发展，带动了许多电力新技术、新设备的不断出现，近年来随着城乡电网改造的进行，智能无功补偿技术在各地低压配电网的公用配变被广泛应用，它集低压无功补偿、综合配电监测、配电台区的线损计量、电压合格率的考核、谐波监测等多种功能于一身;同时还充分考虑了与配电动态化系统的结合。

一、传统的低压无功补偿设备的状况:

1. 采集单一信号，采用三相电容器，三相共补

这种补偿方式适用于负荷主要是三相负载(电动机)的场合，但如果当前的负载主要为居民用户，三相负荷很可能不平衡。那么各相无功需量也不同，采用这种补偿方式会在不同程度上出现过补或欠补。

2. 投切开关多采用交流接触器

其响应速度较慢，在投切过程中会对电网产生冲击涌流，使用寿命短。

3. 无功控制策略

控制物理量多为功率因数，投切方式为：循环投切。此策略没有考虑电压的平衡关系与区域的无功优化。

4. 通常不具备配电监测功能

二、智能动态无功补偿设备状况:

1. 补偿方式

1) 固定补偿与动态补偿相结合

随着社会的发展，负载类型越来越复杂，电网对无功要求也越来越高，因此单纯的固定补偿已经不能满足要求，新的动态无功补偿技术能较好地适应负载变化。

2) 三相共补与分相补偿相结合

新的设备尤其是大量的电力电子、照明等家居设备，都是单相供电，电网中三相不平衡的情况越来越多，三相共补同投同切已无法解决三相不平衡的问题，而全部采用单相补偿则投资较大。因此根据负载情况充分考虑经济性的共分结合方式在新的经济条件下日益广泛应用。

3) 稳态补偿与快速跟踪补偿相结合

稳态补偿与快速跟踪补偿相结合的补偿方式是未来发展的一个趋势。主要是针对大型的钢铁冶金等企业，工艺复杂、用电量大、负载变化快、波动大，充分有效地进行无功补偿，不仅可以提高功率因数、降损节能，而且可以充分挖掘设备的工作容量，充分发挥设备能力，提高工作效率，提高产量和质量，经济效益大。

2. 采用先进的投切开关

目前采用的投切开关主要有以下几种。

1) 过零触发可控硅投切开关

其特点是动态响应快，在投切过程中对电网无冲击、无涌流，寿命较长，目前运用比较普遍。

2) 机电一体化智能复合开关

该开关由交流接触器和可控硅并联运行，综合两种开关的优点，既实现了快速投切，又降低了功耗。

3. 采用智能型无功控制策略

采集三相电压、电流信号，跟踪系统中无功的变化，以无功功率为控制物理量，以用户设定的功率因数为投切参考限量，依据模糊控制理论智能选择电容器组合，智能投切是针对星—角结合情况。电容投切控制采用智能控制理论，动态及时地投切电容补偿，补偿无功功率容量。根据配电系统三相中每一相无功功率的大小智能选择电容器组合，依据“取平补齐”的原则投入电网，实现电容器投切的智能控制，使补偿精度高。

1) 科学的电压限制条件

可设定的过、欠压保护值，可设置谐波电压保护，具缺相保护功能，以无功功率为投切门限值。

2) 可设置投切延时

延时时间可调(既可支持快速跟踪无功补偿，也可支持稳态补偿)，同组电容投切动作时间间隔可设置，对快速跟踪补偿可设置为零。

4. 集成综合配电监测功能

综合配电监测功能集配电变压器电气参数测量、记忆、通信于一体，是一套比较完整的配电运行参数测量机构，是低压配电电网中考核单元线损的理想手段。它能随时为电网管理人员提供所需要的各类数据，是为电网的安全运行和经济运行提供可靠的管理依据，是配电电网动态化系统的基本组成部分。主要功能如下：

实时监测配变三相数据：电压、电流、功率、功率因数、频率(2～25次谐波);

累计数据记录、整点数据记录和统计数据记录功能，累计计量有功、无功电量;

查询统计分析功能并根据输入条件生成各种报表、曲线、棒图。

一般都配有相关的后台处理软件，大多数可实现网络多机操作与数据共享。

5. 集成电压监测功能

根据电压检测仪标准进行采样与数据统计处理，便于用户考核电压合格率，可用于电压监测考核。