一、電力系統的無(wú)功功率平衡

1.1、無(wú)功功率

電網(wǎng)中的電力負荷如電動(dòng)機、變壓器等都是靠電磁能量的變換而工作的，大部分屬于感性負荷，建立磁場(chǎng)時(shí)要吸收無(wú)功，磁場(chǎng)消失時(shí)要交出無(wú)功。在運行過(guò)程中需向這些設備提供相應的無(wú)功功率。電力設備電磁能量的交換伴隨著(zhù)吸收和放出無(wú)功。每交換一次，無(wú)功都要在整個(gè)電力系統中傳輸，這不僅要造成很多電能損失，而且往往在無(wú)功來(lái)回轉換中會(huì )引起電壓變化，因此設計時(shí)，應注意保持無(wú)功功率平衡。

變電站裝設并聯(lián)電容器是改善電壓質(zhì)量和降低電能損耗的有效措施。在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器等無(wú)功補償設備以后，可以提供感性負載所消耗的無(wú)功功率，減少了電網(wǎng)電源向感性負荷提供、由線(xiàn)路輸送的無(wú)功功率，由于減少了無(wú)功功率在電網(wǎng)中的流動(dòng)，因此可以降低線(xiàn)路和變壓器因輸送無(wú)功功率造成的電能損耗。

1.2、功率因數

電網(wǎng)中的電氣設備如電動(dòng)機、變壓器屬于既有電阻又有電感的電感性負載，電感性負載的電壓與電流的相量間存在相位差，相位角的余弦值即為功率因數cosφ，它是有功功率與視在功率的比值，即cosφ=P/S。

1.3、無(wú)功功率補償的目的

電網(wǎng)中的無(wú)功功率負荷主要有異步電動(dòng)機、變壓器，還有一部分輸電線(xiàn)路。而無(wú)功電源主要有發(fā)電機、靜電電容器、同步調相機、靜止補償器。無(wú)功功率的產(chǎn)生基本不消耗能源，但是無(wú)功功率沿電力網(wǎng)傳輸卻要引起有功功率損耗和電壓損耗。合理配置無(wú)功功率補償容量，以改變電力網(wǎng)無(wú)功潮流分布，可以減少網(wǎng)絡(luò )中的有功功率損耗和電壓損耗，從而改善用戶(hù)端的電壓質(zhì)量。

在做電網(wǎng)網(wǎng)架規劃時(shí)，根據各水平年各負荷點(diǎn)的有功負荷量及可靠性要求確定了變電容量的分配、線(xiàn)路回路數及導線(xiàn)截面和接線(xiàn)方式等等。但是，這樣還不能保證各用戶(hù)端的電壓達到國家和地區規定的要求。因為做電網(wǎng)網(wǎng)架規劃時(shí)是以最大負荷為依據，而實(shí)際運行時(shí)，負荷是變化的，功率因數也是變化的，通過(guò)線(xiàn)路的有功、無(wú)功功率都與規劃計算時(shí)大不相同，因此，導致某些負荷點(diǎn)的電壓“越限”(過(guò)高或過(guò)低)。為了使越限的電壓恢復正常，必須采取有效措施—無(wú)功補償。所謂無(wú)功補償，就是吸收或供給適度的無(wú)功功率，使通過(guò)線(xiàn)路的無(wú)功潮流最小。變電站安裝投運無(wú)功補償裝置，有利降損節能，改善電能質(zhì)量，提高輸變電設備有功出力，使有限的電能發(fā)揮更大的效益。

1.4、無(wú)功補償配置的基本原則

設置補償裝置時(shí)，應由系統專(zhuān)業(yè)根據電網(wǎng)電壓、系統穩定性、有功分配、無(wú)功平衡、調相調壓，以及限制諧波電壓、潛供電流、暫時(shí)過(guò)電壓等因素，提出補償裝置的設置地點(diǎn)、種類(lèi)形式、容量和電壓等級。設計要從安裝地點(diǎn)的自然環(huán)境條件，裝置的接線(xiàn)方式、布置形式、控制保護方式，設備的技術(shù)條件，以及避免或限制補償裝置引起的操作過(guò)電壓和諧振過(guò)電壓等角度出發(fā)，予以配合。

1)、電力系統配置的無(wú)功補償裝置應能保證在系統有功負荷高峰和負荷低谷運行方式下，分(電壓)層和分(供電)區的無(wú)功平衡。分(電壓)層無(wú)功平衡的重點(diǎn)是220kV及以上電壓等級層面的無(wú)功平衡，分(供電)區就地平衡的重點(diǎn)是110kV及以下配電系統的無(wú)功平衡。無(wú)功補償配置應根據電網(wǎng)情況，從整體上考慮無(wú)功補償裝置在各電壓等級變電站、10kV及以下配電網(wǎng)和用戶(hù)側配置比例的協(xié)調關(guān)系，實(shí)施分散就地補償與變電站集中補償相結合，電網(wǎng)補償與用戶(hù)補償相結合，高壓補償與低壓補償相結合，滿(mǎn)足降損和調壓的需要。

2)、各級電網(wǎng)應避免通過(guò)輸電線(xiàn)路遠距離輸送無(wú)功電力。500(330)kV電壓等級系統與下一級系統之間不應有大量的無(wú)功電力交換。500(330)kV電壓等級超高壓輸電線(xiàn)路的充電功率應按照就地補償的原則采用高、低壓并聯(lián)電抗器基本予以補償。

3)、受端系統應有足夠的無(wú)功備用容量。當受端系統存在電壓穩定問(wèn)題時(shí)，應通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟比較，考慮在受端系統的樞紐變電站配置動(dòng)態(tài)無(wú)功補償裝置。

4)、各電壓等級的變電站應結合電網(wǎng)規劃和電源建設，經(jīng)過(guò)計算分析，合理配置適當規模、類(lèi)型的無(wú)功補償裝置;配置的無(wú)功補償裝置應不引起系統諧波明顯放大，并應避免大量的無(wú)功電力穿越變壓器。35kV～220kV變電站，所配置的無(wú)功補償裝置，在主變最大負荷時(shí)其高壓側功率因數應不低于0.95，在低谷負荷時(shí)功率因數不應高于0.95，不低于0.92。

5)、各電壓等級變電站無(wú)功補償裝置的分組容量選擇，應根據計算確定，最大單組無(wú)功補償裝置投切引起所在母線(xiàn)電壓變化不宜超過(guò)電壓額定值的2.5%。

6)、對于大量采用10kV～220kV電纜線(xiàn)路的城市電網(wǎng)，在新建110kV及以上電壓等級的變電站時(shí)，應根據電纜進(jìn)、出線(xiàn)情況在相關(guān)變電站分散配置適當容量的感性無(wú)功補償裝置。

6)、各電壓等級變電站、發(fā)電廠(chǎng)內應配備相應的雙向有功功率和無(wú)功功率(或功率因數)、雙向有功電能和無(wú)功電能、無(wú)功補償裝置運行狀態(tài)及有載調壓變壓器分接位置等量值的采集與計量裝置。

7)、為了保證系統具有足夠的事故備用無(wú)功容量和調壓能力，并入電網(wǎng)的發(fā)電機組應具備滿(mǎn)負荷時(shí)功率因數在0.85(滯相)～0.97(進(jìn)相)運行的能力，新建機組應滿(mǎn)足進(jìn)相0.95運行的能力。發(fā)電機自帶廠(chǎng)用電時(shí)，進(jìn)相能力應不低于0.97。接入220kV～750kV電壓等級的發(fā)電廠(chǎng)，為平衡送出線(xiàn)路的充電功率，在電廠(chǎng)側可以考慮安裝一定容量的并聯(lián)電抗器。

8)、無(wú)功補償裝置宜采用自動(dòng)控制方式。

9)、風(fēng)電場(chǎng)應配置足夠的無(wú)功補償裝置，以滿(mǎn)足接入電網(wǎng)點(diǎn)處無(wú)功平衡及電能質(zhì)量的相關(guān)技術(shù)標準要求，必要時(shí)應配置動(dòng)態(tài)無(wú)功補償裝置。

10)、電力用戶(hù)應根據其負荷性質(zhì)采用適當的無(wú)功補償方式和容量，在任何情況下，不應向電網(wǎng)倒送無(wú)功電力，保證在電網(wǎng)負荷高峰時(shí)不從電網(wǎng)吸收大量無(wú)功電力，同時(shí)保證電能質(zhì)量滿(mǎn)足相關(guān)技術(shù)標準要求(即只能欠補償不能過(guò)補償的原則，防止無(wú)功倒流，實(shí)際補償容量必須小于理論計算值)。

11)、無(wú)功補償裝置的額定電壓應與變壓器對應側的額定電壓相匹配。選擇電容器的額定電壓時(shí)應考慮串聯(lián)電抗率的影響。

二、補償裝置的分類(lèi)與功能

補償裝置可以分為兩大類(lèi)：串聯(lián)補償裝置和并聯(lián)補償裝置。補償裝置都是設置于變、配電站、換流站或開(kāi)關(guān)站中，大部分連接在這些站的母線(xiàn)上，也有的補償裝置是并聯(lián)或串聯(lián)在線(xiàn)路上

2.1、串聯(lián)電容補償裝置(簡(jiǎn)稱(chēng)串補裝置)

串聯(lián)在輸電線(xiàn)路中, 由電容器組及其保護、控制等輔助設備組成的裝置,簡(jiǎn)稱(chēng)串補裝置或串補, 主要有固定串聯(lián)電容器補償裝置(簡(jiǎn)稱(chēng)固定串補) 和晶閘管控制串聯(lián)電容器補償裝置 (簡(jiǎn)稱(chēng)可控串補 )。

電容串聯(lián)，容量減少(串聯(lián)后總容量的計算，參照電阻的并聯(lián)方法)，耐壓增加。串聯(lián)電容：串聯(lián)個(gè)數越多，電容量越小，但耐壓增大。

(1)、串補裝置的安裝位置

1 )、在110kV及以下的電網(wǎng)中, 當線(xiàn)路沒(méi)有分支線(xiàn)時(shí),串補裝置均裝設在線(xiàn)路末端的變電所;當線(xiàn)路上有多個(gè)負荷分支線(xiàn)時(shí), 將串補裝置設在線(xiàn)路總壓降為一半的附近變電所中。

2 )、在220kV及以上電網(wǎng)中, 一般將串補裝置與線(xiàn)路中間的開(kāi)關(guān)站或變電所合建在一起; 當無(wú)中間開(kāi)關(guān)站或變電所時(shí),才將串補裝置設置在末端變電所中。

(2)、串聯(lián)電容器串接在線(xiàn)路中，其作用如下：

1)、提高線(xiàn)路末端電壓。串接在線(xiàn)路中的電容器，利用其容抗xc補償線(xiàn)路的感抗xl，使線(xiàn)路的電壓降落減少，從而提高線(xiàn)路末端(受電端)的電壓。

2)、降低受電端電壓波動(dòng)。當線(xiàn)路受電端接有變化很大的沖擊負荷(如電弧爐、鐵路牽引站等)時(shí)，串聯(lián)電容器能消除電壓的劇烈波動(dòng)。這是因為串聯(lián)電容器在線(xiàn)路中對電壓降落的補償作用是隨通過(guò)電容器的負荷而變化的，具有隨負荷的變化而瞬時(shí)調節的性能，能自動(dòng)維持負荷端(受電端)的電壓值。

3)、提高線(xiàn)路輸電能力。由于線(xiàn)路串入了電容器的補償電抗xc，線(xiàn)路的電壓降落和功率損耗減少，相應地提高了線(xiàn)路的輸送容量。

4)、改善了系統潮流分布。在閉合網(wǎng)絡(luò )中的某些線(xiàn)路上串接一些電容器，部分地改變了線(xiàn)路電抗，使電流按指定的線(xiàn)路流動(dòng)，以達到功率經(jīng)濟分布的目的。

5)、提高系統的穩定性。線(xiàn)路串入電容器后，提高了線(xiàn)路的輸電能力，這本身就提高了系統的靜穩定。當線(xiàn)路故障被部分切除時(shí)(如雙回路被切除一回、但回路單相接地切除一相)，系統等效電抗急劇增加，此時(shí)，將串聯(lián)電容器進(jìn)行強行補償，即短時(shí)強行改變電容器串、并聯(lián)數量，臨時(shí)增加容抗xc，使系統總的等效電抗減少，提高了輸送的極限功率，從而提高系統的動(dòng)穩定。

2.2、并聯(lián)電抗補償裝置

由并聯(lián)電容器和相應的一次及二次配套設備組成, 并聯(lián)連接于三相交流電力系統中, 能完成獨立投運的一套設備 。

電容器并聯(lián)時(shí)，相當于電極的面積加大，電容量也就加大了。并聯(lián)時(shí)的總容量為各電容量之和. 并聯(lián)電容：并聯(lián)個(gè)數越多，電容量越大，但耐壓不變。

(1)、并聯(lián)電抗補償裝置的安裝位置

并聯(lián)電容補償裝置是直接連接或者通過(guò)變壓器并接于需要補償無(wú)功的變(配)電站、換流站的母線(xiàn)上。并聯(lián)電容器裝置宜裝設在變壓器的主要負荷側。當不具備條件時(shí),可裝設在三繞組變壓器的低壓側。當配電站中無(wú)高壓負荷時(shí),不宜在高壓側裝設并聯(lián)電容器裝置。低壓并聯(lián)電容器裝置的安裝地點(diǎn)和裝設容量,應根據分最補償和就地平衡的原則設置,并不得向電網(wǎng)倒送無(wú)功。

(2)、并聯(lián)電容器的作用

并聯(lián)電容器并聯(lián)在系統的母線(xiàn)上，類(lèi)似于系統母線(xiàn)上的一個(gè)容性負荷，它吸收系統的容性無(wú)功功率，這就相當于并聯(lián)電容器向系統發(fā)出感性無(wú)功。因此，并聯(lián)電容器能向系統提供感性無(wú)功功率，系統運行的功率因數，提高受電端母線(xiàn)的電壓水平，同時(shí)，它減少了線(xiàn)路上感性無(wú)功的輸送，減少了電壓和功率損耗，因而提高了線(xiàn)路的輸電能力。

(3)、并聯(lián)電容器無(wú)功補償方式

無(wú)功補償應遵循“全面規劃,合理布局,分級補償,就地平衡”的總原則。因此按電容器安裝的位置不同,通常有三種補償方式:

1)、集中補償

電容器組集中裝設在用戶(hù)或變電站的母線(xiàn)上,用來(lái)提高整個(gè)變電站的功率因數,使該變電所的供電范圍內無(wú)功功率基本平衡?？蓽p少高壓線(xiàn)路的無(wú)功損耗,而且能夠提高本變電站的供電電壓質(zhì)量。

2)、分組補償

將電容器組分別裝設在功率因數較低的終端變配電站高壓或低壓母線(xiàn)上,也稱(chēng)為分散補償。這種方式具有與集中補償相同的優(yōu)點(diǎn),僅無(wú)功補償容量和范圍相對小些。但是分組補償的效果比較明顯,采用得也較普遍。

3)、就地補償

將電容器或電容器組裝設在異步電動(dòng)機或感性用電設備附近,就地進(jìn)行無(wú)功補償,也稱(chēng)為單獨補償或個(gè)別補償方式。這種方式既能提高為用電設備供電回路的功率因數,又能改善用電設備的電壓質(zhì)量,對中、小型設備十分適用。

設計中應將三種補償方式統籌考慮,合理布局,選配合適的補償容量,可取得較好的補償效果。

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