概述电力系统中的无功补偿装置

一、电力系统的无功功率平衡

1.1、无功功率

电网中的电力负荷如电动机、变压器等都是靠电磁能量的变换而工作的，大部分属于感性负荷，建立磁场时要吸收无功，磁场消失时要交出无功。在运行过程中需向这些设备提供相应的无功功率。电力设备电磁能量的交换伴随着吸收和放出无功。每交换一次，无功都要在整个电力系统中传输，这不仅要造成很多电能损失，而且往往在无功来回转换中会引起电压变化，因此设计时，应注意保持无功功率平衡。

变电站装设并联电容器是改善电压质量和降低电能损耗的有效措施。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。

1.2、功率因数

电网中的电气设备如电动机、变压器属于既有电阻又有电感的电感性负载，电感性负载的电压与电流的相量间存在相位差，相位角的余弦值即为功率因数cosφ，它是有功功率与视在功率的比值，即cosφ=P/S。

1.3、无功功率补偿的目的

电网中的无功功率负荷主要有异步电动机、变压器，还有一部分输电线路。而无功电源主要有发电机、静电电容器、同步调相机、静止补偿器。无功功率的产生基本不消耗能源，但是无功功率沿电力网传输却要引起有功功率损耗和电压损耗。合理配置无功功率补偿容量，以改变电力网无功潮流分布，可以减少网络中的有功功率损耗和电压损耗，从而改善用户端的电压质量。

在做电网网架规划时，根据各水平年各负荷点的有功负荷量及可靠性要求确定了变电容量的分配、线路回路数及导线截面和接线方式等等。但是，这样还不能保证各用户端的电压达到国家和地区规定的要求。因为做电网网架规划时是以最大负荷为依据，而实际运行时，负荷是变化的，功率因数也是变化的，通过线路的有功、无功功率都与规划计算时大不相同，因此，导致某些负荷点的电压“越限”(过高或过低)。为了使越限的电压恢复正常，必须采取有效措施—无功补偿。所谓无功补偿，就是吸收或供给适度的无功功率，使通过线路的无功潮流最小。变电站安装投运无功补偿装置，有利降损节能，改善电能质量，提高输变电设备有功出力，使有限的电能发挥更大的效益。

1.4、无功补偿配置的基本原则

设置补偿装置时，应由系统专业根据电网电压、系统稳定性、有功分配、无功平衡、调相调压，以及限制谐波电压、潜供电流、暂时过电压等因素，提出补偿装置的设置地点、种类形式、容量和电压等级。设计要从安装地点的自然环境条件，装置的接线方式、布置形式、控制保护方式，设备的技术条件，以及避免或限制补偿装置引起的操作过电压和谐振过电压等角度出发，予以配合。

1)、电力系统配置的无功补偿装置应能保证在系统有功负荷高峰和负荷低谷运行方式下，分(电压)层和分(供电)区的无功平衡。分(电压)层无功平衡的重点是220kV及以上电压等级层面的无功平衡，分(供电)区就地平衡的重点是110kV及以下配电系统的无功平衡。无功补偿配置应根据电网情况，从整体上考虑无功补偿装置在各电压等级变电站、10kV及以下配电网和用户侧配置比例的协调关系，实施分散就地补偿与变电站集中补偿相结合，电网补偿与用户补偿相结合，高压补偿与低压补偿相结合，满足降损和调压的需要。

2)、各级电网应避免通过输电线路远距离输送无功电力。500(330)kV电压等级系统与下一级系统之间不应有大量的无功电力交换。500(330)kV电压等级超高压输电线路的充电功率应按照就地补偿的原则采用高、低压并联电抗器基本予以补偿。

3)、受端系统应有足够的无功备用容量。当受端系统存在电压稳定问题时，应通过技术经济比较，考虑在受端系统的枢纽变电站配置动态无功补偿装置。

4)、各电压等级的变电站应结合电网规划和电源建设，经过计算分析，合理配置适当规模、类型的无功补偿装置;配置的无功补偿装置应不引起系统谐波明显放大，并应避免大量的无功电力穿越变压器。35kV～220kV变电站，所配置的无功补偿装置，在主变最大负荷时其高压侧功率因数应不低于0.95，在低谷负荷时功率因数不应高于0.95，不低于0.92。

5)、各电压等级变电站无功补偿装置的分组容量选择，应根据计算确定，最大单组无功补偿装置投切引起所在母线电压变化不宜超过电压额定值的2.5%。

6)、对于大量采用10kV～220kV电缆线路的城市电网，在新建110kV及以上电压等级的变电站时，应根据电缆进、出线情况在相关变电站分散配置适当容量的感性无功补偿装置。

6)、各电压等级变电站、发电厂内应配备相应的双向有功功率和无功功率(或功率因数)、双向有功电能和无功电能、无功补偿装置运行状态及有载调压变压器分接位置等量值的采集与计量装置。

7)、为了保证系统具有足够的事故备用无功容量和调压能力，并入电网的发电机组应具备满负荷时功率因数在0.85(滞相)～0.97(进相)运行的能力，新建机组应满足进相0.95运行的能力。发电机自带厂用电时，进相能力应不低于0.97。接入220kV～750kV电压等级的发电厂，为平衡送出线路的充电功率，在电厂侧可以考虑安装一定容量的并联电抗器。

8)、无功补偿装置宜采用自动控制方式。

9)、风电场应配置足够的无功补偿装置，以满足接入电网点处无功平衡及电能质量的相关技术标准要求，必要时应配置动态无功补偿装置。

10)、电力用户应根据其负荷性质采用适当的无功补偿方式和容量，在任何情况下，不应向电网倒送无功电力，保证在电网负荷高峰时不从电网吸收大量无功电力，同时保证电能质量满足相关技术标准要求(即只能欠补偿不能过补偿的原则，防止无功倒流，实际补偿容量必须小于理论计算值)。

11)、无功补偿装置的额定电压应与变压器对应侧的额定电压相匹配。选择电容器的额定电压时应考虑串联电抗率的影响。

二、补偿装置的分类与功能

补偿装置可以分为两大类：串联补偿装置和并联补偿装置。补偿装置都是设置于变、配电站、换流站或开关站中，大部分连接在这些站的母线上，也有的补偿装置是并联或串联在线路上

2.1、串联电容补偿装置(简称串补装置)

串联在输电线路中, 由电容器组及其保护、控制等辅助设备组成的装置,简称串补装置或串补, 主要有固定串联电容器补偿装置(简称固定串补) 和晶闸管控制串联电容器补偿装置 (简称可控串补 )。

电容串联，容量减少(串联后总容量的计算，参照电阻的并联方法)，耐压增加。串联电容：串联个数越多，电容量越小，但耐压增大。

(1)、串补装置的安装位置

1 )、在110kV及以下的电网中, 当线路没有分支线时,串补装置均装设在线路末端的变电所;当线路上有多个负荷分支线时, 将串补装置设在线路总压降为一半的附近变电所中。

2 )、在220kV及以上电网中, 一般将串补装置与线路中间的开关站或变电所合建在一起; 当无中间开关站或变电所时,才将串补装置设置在末端变电所中。

(2)、串联电容器串接在线路中，其作用如下：

1)、提高线路末端电压。串接在线路中的电容器，利用其容抗xc补偿线路的感抗xl，使线路的电压降落减少，从而提高线路末端(受电端)的电压。

2)、降低受电端电压波动。当线路受电端接有变化很大的冲击负荷(如电弧炉、铁路牵引站等)时，串联电容器能消除电压的剧烈波动。这是因为串联电容器在线路中对电压降落的补偿作用是随通过电容器的负荷而变化的，具有随负荷的变化而瞬时调节的性能，能自动维持负荷端(受电端)的电压值。

3)、提高线路输电能力。由于线路串入了电容器的补偿电抗xc，线路的电压降落和功率损耗减少，相应地提高了线路的输送容量。

4)、改善了系统潮流分布。在闭合网络中的某些线路上串接一些电容器，部分地改变了线路电抗，使电流按指定的线路流动，以达到功率经济分布的目的。

5)、提高系统的稳定性。线路串入电容器后，提高了线路的输电能力，这本身就提高了系统的静稳定。当线路故障被部分切除时(如双回路被切除一回、但回路单相接地切除一相)，系统等效电抗急剧增加，此时，将串联电容器进行强行补偿，即短时强行改变电容器串、并联数量，临时增加容抗xc，使系统总的等效电抗减少，提高了输送的极限功率，从而提高系统的动稳定。

2.2、并联电抗补偿装置

由并联电容器和相应的一次及二次配套设备组成, 并联连接于三相交流电力系统中, 能完成独立投运的一套设备 。

电容器并联时，相当于电极的面积加大，电容量也就加大了。并联时的总容量为各电容量之和. 并联电容：并联个数越多，电容量越大，但耐压不变。

(1)、并联电抗补偿装置的安装位置

并联电容补偿装置是直接连接或者通过变压器并接于需要补偿无功的变(配)电站、换流站的母线上。并联电容器装置宜装设在变压器的主要负荷侧。当不具备条件时,可装设在三绕组变压器的低压侧。当配电站中无高压负荷时,不宜在高压侧装设并联电容器装置。低压并联电容器装置的安装地点和装设容量,应根据分最补偿和就地平衡的原则设置,并不得向电网倒送无功。

(2)、并联电容器的作用

并联电容器并联在系统的母线上，类似于系统母线上的一个容性负荷，它吸收系统的容性无功功率，这就相当于并联电容器向系统发出感性无功。因此，并联电容器能向系统提供感性无功功率，系统运行的功率因数，提高受电端母线的电压水平，同时，它减少了线路上感性无功的输送，减少了电压和功率损耗，因而提高了线路的输电能力。

(3)、并联电容器无功补偿方式

无功补偿应遵循“全面规划,合理布局,分级补偿,就地平衡”的总原则。因此按电容器安装的位置不同,通常有三种补偿方式:

1)、集中补偿

电容器组集中装设在用户或变电站的母线上,用来提高整个变电站的功率因数,使该变电所的供电范围内无功功率基本平衡。可减少高压线路的无功损耗,而且能够提高本变电站的供电电压质量。

2)、分组补偿

将电容器组分别装设在功率因数较低的终端变配电站高压或低压母线上,也称为分散补偿。这种方式具有与集中补偿相同的优点,仅无功补偿容量和范围相对小些。但是分组补偿的效果比较明显,采用得也较普遍。

3)、就地补偿

将电容器或电容器组装设在异步电动机或感性用电设备附近,就地进行无功补偿,也称为单独补偿或个别补偿方式。这种方式既能提高为用电设备供电回路的功率因数,又能改善用电设备的电压质量,对中、小型设备十分适用。

设计中应将三种补偿方式统筹考虑,合理布局,选配合适的补偿容量,可取得较好的补偿效果。

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