夏 輝 虞惠霞

（中鹽金壇鹽化有限責(zé)任公司，江蘇 金壇 213200）

無(wú)功補(bǔ)償裝置的配置和使用

夏 輝 虞惠霞

（中鹽金壇鹽化有限責(zé)任公司，江蘇 金壇 213200）

研究了配電系統(tǒng)中無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑?、無(wú)功補(bǔ)償裝置在配電系統(tǒng)中的使用及無(wú)功補(bǔ)償應(yīng)注意的問(wèn)題。重點(diǎn)闡述了在諧波環(huán)境中并聯(lián)電容器無(wú)功補(bǔ)償裝置串聯(lián)電抗器的必要性，并提出了電抗率選取的原則與方法。

配電系統(tǒng) 無(wú)功補(bǔ)償裝置 電抗率

近年來(lái)，由于我國(guó)工業(yè)的快速發(fā)展，配電系統(tǒng)中的非線性負(fù)載也迅速增加，使得線路中的無(wú)功損耗增加，電網(wǎng)質(zhì)量嚴(yán)重下降。而無(wú)功補(bǔ)償可以提高配電系統(tǒng)的功率因數(shù)，改善電能質(zhì)量，減小線路損耗。所以，加強(qiáng)配電系統(tǒng)中無(wú)功補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化配置及保持無(wú)功平衡，對(duì)于提高電能的利用率具有重要的作用和意義。

1 無(wú)功補(bǔ)償

1.1 原理分析

目前，工廠中使用的電力設(shè)備負(fù)載絕大部分都是感性負(fù)載，如圖1所示。

圖1 負(fù)載的等效電路圖

由圖1可知，負(fù)載的有功功率為：

令λ=cos φ，表示功率因數(shù)。

由上式可知，在系統(tǒng)確定的情況下，想使有功功率提高，只有提高功率因數(shù)λ，這就需要減小功率因數(shù)角φ，最理想狀態(tài)是φ=0，此時(shí)λ=1，相當(dāng)于純電阻系統(tǒng)。

但是由于實(shí)際情況中絕大部分用電設(shè)備都呈感性，使得電流落后于電壓，由理論可知，在回路上并聯(lián)電容可以使電流超前于電壓。因此在感性負(fù)載上并聯(lián)適量的電容，可以使線路上的電流與電壓盡量同步，即實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償，其原理如圖2所示。

圖2 無(wú)功補(bǔ)償原理

1.2 方法

實(shí)際進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償時(shí)，也是采用在負(fù)載2端并聯(lián)適量電容的方法，從而使母線上的無(wú)功電流減少。

為了提高用戶功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)功的就地平衡，降低配電網(wǎng)損耗和改善用戶電壓質(zhì)量，采用配電變壓器低壓補(bǔ)償是目前應(yīng)用最普遍的方法之一。配電變壓器低壓補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是能夠大幅度提高功率因數(shù)，能夠節(jié)能和降損，并且運(yùn)行方式靈活，維護(hù)工作量較小，使用壽命相對(duì)較長(zhǎng)，運(yùn)行更加可靠，缺點(diǎn)是控制保護(hù)裝置較為復(fù)雜，前期投資較大。

2 無(wú)功補(bǔ)償裝置在低壓配電系統(tǒng)中的使用

2.1 并聯(lián)電容補(bǔ)償在使用中的問(wèn)題

并聯(lián)電容器是無(wú)功補(bǔ)償領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的無(wú)功補(bǔ)償裝置，利用電容分組投切，能較為有效地適應(yīng)負(fù)載無(wú)功的動(dòng)態(tài)變化。

合理的無(wú)功補(bǔ)償對(duì)于配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行能夠起到積極的作用，但在實(shí)際的無(wú)功補(bǔ)償使用過(guò)程中也應(yīng)注意以下3個(gè)問(wèn)題：（1）如何確定補(bǔ)償容量才能達(dá)到最佳預(yù)期的補(bǔ)償效果；（2）過(guò)補(bǔ)償時(shí)無(wú)功功率倒送在電力系統(tǒng)中是不允許的，過(guò)補(bǔ)償會(huì)引起電網(wǎng)電壓升高，增加電網(wǎng)損耗；（3）由于目前非線性負(fù)載的大范圍使用，電網(wǎng)中不可避免存在大量的諧波，同時(shí)補(bǔ)償器投入電網(wǎng)后，會(huì)產(chǎn)生所謂“諧波放大”現(xiàn)象，稱為諧振，加劇諧波危害，使電氣元件產(chǎn)生附加損耗，引起元器件過(guò)熱、易老化等隱患。

2.2 并聯(lián)電容器補(bǔ)償容量計(jì)算

并聯(lián)電容器的補(bǔ)償容量QC，可按下式計(jì)算：

Pjs：有功計(jì)算負(fù)荷

tan φ1：補(bǔ)償前計(jì)算負(fù)荷功率因數(shù)正切值

tan φ2：補(bǔ)償后計(jì)算負(fù)荷功率因數(shù)正切值

2.3 補(bǔ)償方式

采用跟蹤補(bǔ)償?shù)男问剑匆詿o(wú)功補(bǔ)償投切裝置作為控制保護(hù)裝置，將低壓電容器組補(bǔ)償在用戶0.4 kV母線上的補(bǔ)償方式。使用時(shí)，無(wú)功補(bǔ)償控制器根據(jù)采集而得的電網(wǎng)參數(shù)，如電壓、電流、電壓與電流的相位角來(lái)計(jì)算當(dāng)前的無(wú)功功率和功率因數(shù)，通過(guò)與設(shè)定的電容組的大小和要求達(dá)到的功率因數(shù)進(jìn)行比較，來(lái)控制電容組的投切，控制補(bǔ)償量，實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償。

2.4 串聯(lián)電抗器

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的諧波源是必然存在的，諧波電流都是高頻電流。感抗會(huì)隨著頻率的升高而變大，容抗會(huì)隨著頻率的升高而變小。這樣電流會(huì)向阻抗小的地方流。單一使用電容器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，諧波電流會(huì)大量流入電容器。電容器工作時(shí)都是滿負(fù)荷工作的，一旦諧波電流流入電容器，量小會(huì)造成過(guò)電流，影響電容器壽命；量大會(huì)直接造成電容器鼓肚甚至爆炸，后果不堪設(shè)想。

當(dāng)配電系統(tǒng)中存在了感性設(shè)備（變壓器），容性設(shè)備（電容器）就會(huì)形成諧振電路。當(dāng)發(fā)生串并、聯(lián)諧振時(shí)，諧波電流、電壓會(huì)被放大20倍或以上倍數(shù)，此時(shí)只要存在諧波，諧波電流就有被放大的可能。諧振點(diǎn)會(huì)隨著電容投切量的改變而不斷改變，放大的諧波電流次數(shù)也會(huì)改變，隨時(shí)隨刻都可能發(fā)生諧振。

采用并聯(lián)電容器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償而構(gòu)成的電路中，若電容器支路與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，此時(shí)諧振點(diǎn)的諧振次數(shù)為：

XS：系統(tǒng)等值基波短路電抗；

XL：電抗器基波電抗；

XC：電容器基波電抗。

從上式看出，串入電抗器電感量越大，則諧波次數(shù)n0越低，因而可通過(guò)串入電抗器電感量的大小來(lái)控制并聯(lián)諧振點(diǎn)，從而達(dá)到避開(kāi)諧波源中的各次諧波。由此可見(jiàn)，在補(bǔ)償電容器回路中串聯(lián)一定電抗率的電抗器，即能有效地避開(kāi)諧振點(diǎn)。

在電容器接入處電網(wǎng)存在高次諧波時(shí)，當(dāng)諧波次數(shù)大于諧振點(diǎn)的諧波次數(shù)時(shí)，電容器回路阻抗呈感抗，此時(shí)諧波電流全部流入電容器回路中，故而電容器對(duì)諧波電流不起放大作用。但在諧波次數(shù)小于諧振點(diǎn)的諧波次數(shù)時(shí)，電容器回路阻抗特性呈容性，此時(shí)串聯(lián)的電抗器不會(huì)起到抑制諧波作用，反而對(duì)諧波電流起到放大作用。為此，在電容器回路串聯(lián)的電抗器絕不能任意組合，一定要考慮接入處電網(wǎng)的諧波背景，只有根據(jù)諧波背景選擇合適的電抗率的電抗器，才能起到抑制高次諧波的作用。

綜合以上幾點(diǎn)說(shuō)明，我們不難看出，串聯(lián)改變諧振點(diǎn)的電抗器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆桨甘潜匾暮捅厝坏摹Ｔ趯?shí)際工況中，電容器回路中串聯(lián)不同電抗率的電抗器，對(duì)諧波的抑制作用是不相同的，為使系統(tǒng)達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)，合理選擇串聯(lián)電抗器的電抗率顯得尤為重要。

并聯(lián)電容器裝置系統(tǒng)等效回路如圖3所示。

圖3 供電系統(tǒng)圖與等效回路圖

XS：系統(tǒng)基波阻抗；

XC：電容器組基波阻抗；

XL：串聯(lián)電抗器基波阻抗；

h：諧波次數(shù)；

Ih：諧波源產(chǎn)生的h次諧波電流；

ISh：注入系統(tǒng)的h次諧波電流；

ICh：電容器組回路的h次諧波電流；

Uh：母線h次諧波電壓。

可根據(jù)電容器組的容量QC與并聯(lián)電容器裝置接入處的母線短路容量Sd，計(jì)算在不同電抗率k時(shí)流入電容器支路的諧波電流ICh，根據(jù)目前工業(yè)生產(chǎn)特性，一般計(jì)算3、5、7次諧波電流即可。

由式（5）可得：

（1）當(dāng)主要抑制3次諧波時(shí)：

當(dāng)主要抑制5次及以上諧波時(shí)：

3 結(jié)論

本文主要介紹了供配電網(wǎng)絡(luò)中無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑砑暗湫筒⒙?lián)電容器組無(wú)功補(bǔ)償裝置的使用，同時(shí)對(duì)無(wú)功補(bǔ)償存在的問(wèn)題提出了一定的解決辦法或措施。

（1）無(wú)功補(bǔ)償在使用中必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，對(duì)補(bǔ)償總?cè)萘?、電容器分組容量、補(bǔ)償方式以及預(yù)期運(yùn)行效果等進(jìn)行綜合性的考慮，使之達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)。

（2）應(yīng)根據(jù)不同的諧波狀況，選取合適的串聯(lián)電抗器的電抗率，一般依據(jù)主諧波次數(shù)、補(bǔ)償容量、電容器分組容量、母線短路容量以及系統(tǒng)允許運(yùn)行條件等因素進(jìn)行計(jì)算確定。

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The configuration and usage of reactive power compensation device

XIA Hui YU Hui-xia
(China salt Jintan Co., Ltd., Jintan 213200, China)

The principle of reactive power compensation, the application of the reactive power compensation equipment in distribution grid, and some caution in the reactive power compensation were studied. The necessity of shunt capacitor and series reactor in the harmonic environment were mainly explainde, the principle and method of selecting the reactance rate proposed.

distribution grid; reactive power compensation device; reactance rate