全国石油和化学工业电气技术委员会

摘要：本文首先介绍了无功补偿的基础理论知识和当今无功补偿技术的发展情况及趋势,并对暂态稳定的概念、控制的重要性，及其应用所带来的经济效益进行分析.

随着国民经济的高速发展和人民生活水平的提高，人们对电力的需求日益增长，对供电的可靠性和供电质量提出了更高的要求。然而就我厂电气设施来说，配电网建设却严重滞后，网架薄弱，设施老化，线路长，线径小，配电变压器也大部分存在高能耗问题，网络损耗问题日益突出。同时，还需考虑网络的功率因数和电压，因为网络功率因数和电压的降低会使电气设备得不到充分利用，从而降低网络的传输能力，并引起损耗增加。
　　无功补偿是电力网建设和改造的重要组成部分，它是保持网络无功平衡，提高电压质量，降低网络损耗的有效措施，是降损措施中投资少回报高的方案。通过无功补偿来降低网损和提高电压是一种投资少、回报高的方案。因此，解决好配电网络无功补偿的问题，对我单位的用电安全和降损节能有着重要的意义。
1 无功补偿理论基础

在工厂供电系统中,绝大多数用电设备都具有电感的特性.(诸如:感应电动机,电力变压器,电焊机等)这些设备不仅需要从电力系统吸收有功功率,还要吸收无功功率以产生这些设备正常工作所必须的交变磁场.然而在输送有功功率一定的情况下,无功功率增大,就会降低供电系统的功率因数.因此,功率因数是衡量供电系统电能利用程度及电气设备使用状况的一个具有代表性的重要指标.功率因数主要分为自然功率因数(未装设人工补偿装置时的功率因数)和总功率因数(设置人工补偿装置后的功率因数).

当供电系统中输送的有功功率维持恒定的情况下,无功功率增大,即供电系统的功率因数降低会引起:

1）系统中输送的总电流增加,是的供电系统中的电气元件,如变压器,电器设备,导线等容量增大,从而使工厂内部的起动设备,测量仪表等的规格尺寸增大,因而增大了初投费用。

2）由于无功功率的增大而引起的总电流增加，使得设备及供电线路的有功功率损耗相应的增大。通常可用系数

来反映由于输送无功功率的变化而引起的线路上的有功功率损耗的变化量，因此，系统中总的有功功率损耗就可以表示为：

是一个系数，他表示由供电电源到用户所有元件由于传送无功功率产生的有功功率损耗数。一般对于发电厂母线支配的工厂

＝0.02Kw/kvar,对于10～6Kv/0.4kV的工厂变电所

＝0.1～0.15 Kw/kvar。

无功功率对电力系统及工厂内部的的供电系统都有极不良的影响。因此，供电单位和工厂内部都有降低无功功率需要量的要求，无功功率的减少就相应的提高了功率因数。目前供电部门实行按功率因数征收电费，因此功率因数的高低也是供电系统的一项重要经济指标。

单台静电电容器能够发出的无功功率数少，容易组成所需要的补偿容量。我国生产的BW系列电容器，单台容量6～10kV为12kvar/台，0.5kV以下的单台容量可做到4kvar/台。电容器发出单位无功功率损耗的有功功率很小，约为0.003～0.004kW/kvar,安装拆卸方便。但电容器有以下特点，在设计和运行时必须加以注意：

1）静电电容器的周围空气极限温度是-40℃～＋40℃，因此，电容器室应该优良好的通风，当周围空气温度达到35℃时，便应将电容器从电网中切除。

2）电容器对电压比较敏感，当电压升高而且超过电容器的额定电压时，气隙中电离现象的形成速度加快，这时，有功功率损失也显著增加，致使电介质击穿，因此，在运行中应严格监视加在电容器上的电压。

如果加于电容器的端电压低于电容器的额定电压，则电容器达不到额定输出。其实际输出量为：

从上式可以看出，当线路电压降低时，电容器的输出功率随之下降，从而使电网所需无功功率增大，进一步使电压质量变坏。

4）电容器从电网上切断时由于残余电荷的影响，接线端上有电压且其值和没有断开时一样，以后渐渐自行放电，直到放完位置，延续时间很长，危及到工作人员安全。因此对电容器要求断开后能自行放电。

放电的办法是给电容器端子上并联电阻，电阻的数值应使其在正常运行时功率损耗很小（每kvar不超过1W），且应使其从网路断开后，端子上电压在较短时间内就能降低到50V，电阻值可按下式计算

目前国内已有放电电阻与电容器成套供应。这种成套装置，正常情况下电阻断开以减少损耗，当电容器切断时则自动将电阻投入。

低压静电电容器也可以利用白炽灯作放电电阻，6只22V,15~25W白炽灯接成星形就可以满足要求。

如果电容器与电动机直接连接时也可利用电动机作为放电电阻，但应注意，当电动机从网络中断开时，由于惯性仍需继续旋转，这时电容器供给激磁电流作为发电机工况的感应电动机产生“自激”，自激电压大小与电动机技术特性，电容器容量，电动机选装速度有关，在电动机空载且过补偿条件下，自激电压可能达到电动机额定电压140～160％，此外，若电动机在未停止转动时又投入工作，有可能产生达到电动机额定转矩20倍左右的瞬时扭矩，防止的办法只能是电动机与网路断开的同时将电容器也断开，或当电动机完全制动后再投入。至于高压静电电容器若与变压器或电动机直接连接时，则可以利用他们作放电电阻。

在对感应电动机个别补偿时，一般应以空负荷时补偿至功率因数接近1为准，因为空负荷时所消耗的无功功率绝对数值很少（与带感性负荷的用电设备相对而言），补偿以后，使电动机在满负荷工作，功率因数应是滞后的，如果以满负荷时耗用的无功功率作为补偿的依据，则空负荷时必然形成过补偿，表1.1列出与电动机常接的电容器的最大容量。

电动机额定功率（Kw）	3000r/min	1500r/min	1000r/min	750r/min	600r/min	500r/min
7	2.5	3.0	3.5	4.5	5.0	7.0
10	3.5	3.0	4.5	6.5	7.5	9.0
14	5.0	4.0	6.0	7.5	8.5	11.5
20	7.0	7.0	8.5	10.0	12.5	15.5
28	8.5	8.5	10.0	12.5	15.0	15.5
40	13.0	13.0	15.0	18.0	22.0	26.0
55	17.0	17.0	18.0	22.0	27.5	33.0
75	21.5	22.0	25.0	29.0	33.0	38.0
125	32.5	32.5	33.0	36.0	45.0	52.5

在末端负荷处补偿，可以最大限度减少系统中流过的无功功率，使整个供电线路的功率及能量损耗，送电线路的导线截面，有色金属消耗量，开关设备和变压器容量都相应减少或降低，从技术观点来看，这是最好的补偿方式，但这种补偿方式也有不足之处：（1）电容器利用率低，因为在用电设备切除的同时电容器也被切除，否则产生无功功率的倒送；（2）易受到机械震动及其他环境条件的影响。因此，这种补偿方式适用于长期稳定运行，无功功率需要量较大，或距电源较远，不便于实现分组补偿的场合。

分组补偿与独立补偿相比，它的优点是利用率高，同时，所需电容器总容量也会少些。现在多将独立补偿方式与分组补偿方式混合使用，大部分设在低压用电设备及配电箱附近处。

从集中补偿分析看，可将静电电容器设置在车间变电所变压器的低压侧和高压侧。若放置在变压器高压侧，虽然电容器本身价格比较便宜，但从车间变电所的机构来看不容易安排，且只能节约送电至车间变电所的导体截面；而设置在低压侧，除具有上述优点外，还能提高车间变电所变压器的负荷能力；若将电容器设置在工厂总变电所，并根据该线路无功负荷的大小和负荷距离的远近，分别设置在若干个配电所处，则无功负荷变化比较平稳，便于管理，电容器利用率较高；但设置在总变电所至少能减少变电所前电力系统通过的无功功率和增加总降变电所变压器的负荷能力，而设置在配电所中还能节约总降变电所至该配电所的导线截面和金属消耗量。

随着电力电子技术的日新月异以及各门学科的交叉影响，静止无功补偿的发展趋势主要有以下几点：
    1）在城网改造中，运行单位往往需要在配电变压器的低压侧同时加装无功补偿控制器和配电综合测试仪，因此提出了无功补偿控制器和配电综合测试仪的一体化的问题。
  2）快速准确地检测系统的无功参数，提高动态响应时间，快速投切电容器，以满足工作条件较恶劣的情况(如大的冲击负荷或负荷波动较频繁的场合)。随着计算机数字控制技术和智能控制理论的发展，可以在无功补偿中引入一些先进的控制方法，如模糊控制等。
    3）目前无功补偿技术还主要用于低压系统。高压系统由于受到晶闸管耐压水平的限制，是通过变压器降压接入的，如用于电气化铁道牵引变电所等。研制高压动态无功补偿的装置有重要意义，关键问题是解决补偿装置晶闸管和二极管的耐压，即多个晶闸管元件串联及均压、触发控制的同步性等。
2 无功补偿容量的计算及其效益分析

补偿容量的选择，要根据变压器的负载率和容量以及线路的负荷决定。原则是：轻负荷时不能向系统倒送无功，节能效益达到最大。轻负荷时，不同配变所需补偿容量不同，当补偿容量等于低压侧平均无功负荷时，节能效益最大。综合考虑高峰所需容量和节能效益，可按配变容量计算。
用户的功率因数偏低要补偿无功功率，使之达到电力公司规定的要求，这是降低网损的主要措施之一。用户提高功率因数有两种方法：一是提高自然功率因数，让设备运行于最佳状态；二是自然功率因数达不到要求时采取无功补偿的方法。在补偿的过程中有一个经济问题需要考虑。因此，对于已运行的用户，采用集中补偿或根据昼夜负荷变化配合就地补偿的办法，将功率补偿到0.9～0.93为宜，以节约投资。对新建企业用户，设计上选取设备容量一般都偏大，因此带来自然力率偏低的问题，建议尽可能使计算负荷接近实际值或以实际运行负荷来确定无功补偿较为合理。

一般可以通过简单的计算得到其补偿容量：变电所集中装设的补偿容量可以按照主变容量的20%～40%来选择；配电线路上的分散补偿容量可以按照“三分之二”法则来选择。即：在均匀分布负荷的配电线路上，安装电容器的最佳容量是该线路平均负荷的2/3；电动机就地补偿以不超过电动机空载时的无功消耗为度，配变低压侧电容器补偿要防止轻负荷时向10kV配电网倒送无功。
对于我厂丁二烯项目配电部分，即第九号变电站的双母线供电附母联系统来说，无功补偿的选择最优为0.95～0.98更为合理。

配变低压无功补偿能有效降低配电变及以上输配电网的损耗。下面就我厂丁二烯抽提项目配电变电室为例，通过简单计算，说明无功补偿具有巨大的直接和间接效益。
　　在没有投入无功补偿器之前功率因数

＝0.85，视在功率S＝4000KVA，年用电时间为T＝8760小时，收费按实际电价。试确定：若将

提高到0.95，计算需要的补偿电容器容量；补偿前需要支付的年费用；补偿装置单位投资为15000元/kvar，补偿装置本身损耗为3％，投资回收率为10％/年，计算补偿后的年效益。
　　已知条件，可计算补偿前
　　                 P₁=ScosΦ₁=4000*0.85=3400kw
　　                 Q₁= ScosΦ₁=4000*0.95=2107.12kw
    （一）求需要安装的补偿电容器容量
         装置本身有功损耗为3％，补偿后的电网无功Q2＝526.78－χ，要求为0.95，               （2107.12－x）/(3400+0.03x)=0.3278

可求

,于是有：
　　

，即，
　　可求补偿容量χ＝245.73≈246kvar
　　（二）补偿前需要支付的年费用
　　基本电费：假定按最大负荷收取，设每KVA收取的费用为1800元/年，故有：
      Fj1＝1800×4000＝720万元
　　电量电费：设每KWh为0.5元，故有
　　FD1＝0.5×3400×8760＝1489.2万元
　　补偿前年费用：FZ1＝Fj1+FD1＝720+1489.2＝2209.2万元
　　（三）补偿后需要支付的年费用和年效益
　　补偿后的视在功率和基本电费：
     (3400+0.03χ)/0.95=(3400+0.03x246)/0.95=857KVA，Fj2＝3400×857＝297.5万元
　　电量电费：
　    FD2＝0.5×(3400+0.03×246)×3000＝512.214万元
　   补偿装置折旧费：
　    Ff＝20.212万元
　    补偿后年费用：
　    FZ2=Fj2+ FD2+Ff ＝2021.25万元
　　安装无功补偿可获得的年效益:
　　△F=FZ1-FZ2＝2209.2-2021.25=187.95万元
　　上面仅仅是无功补偿提高功率因数角度计算的效益；如果计及降低输配电网损耗、功率因数调整电费，以及节约建设投资、改善电压质量等方面因素，其经济效益更加可观。

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