从无功功率补偿技术谈节约用电和用电质量问题

谭耀洲 钱 琨 孙 宁

（武汉军械士官学校基础部电工教研室 湖北 武汉 ４３００７５）

摘 要：根据提高功率因数的原则，对用户进行无功功率补偿，以减少无功功率输入，节约用户的用电成本，提高供电质量。从传统的无功功率补偿技术入手，分析无功功率补偿的必然性和无功功率补偿技术的发展方向。

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关键词 ：无功功率补偿技术；安全用电；用电质量

中图分类号：TM714.3 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６６５－２２７２．２０１5．15．０43

收稿日期：２０１5－05－16

０ 引言

电力是现代工业、现代农业、现代科学技术和现代国防不可缺少的动力。又是人民日常生活中不可缺少的二次能量，节约用电量就是节约能源。节约用电不仅节约了发电所需要的一次能源（例如：煤、油等燃料），而且可以充分发挥现有设备的潜力，节省国家和厂矿企业对发、供、用电设备所需投入的基本建设资金，节约用电将促进企业采用新技术、新工艺、新材料并加强用电的科学管理，使其用电水平和管理水平得到进一步提高，节约用电，减少电能损失，使企业减少电费支出，降低成本，提高经济效益。

随着电力工业的发展，我国电力装机容量也迅速增加，大大缓解了供电紧张的局面，其电力网络损耗问题，也变得日益突出，降低网损是节约用电和提高电源利用率的重要突破口，也是提高供电质量的重要手段。无功功率补偿技术，是降低网损提高经济效益的重要技术措施。

１ 无功功率产生的机理

１．１ 交流电路中的功率与功率因数

在实际的交流电路中，电阻、电容和电感元件，既可以组成串联或并联形式，也可以组成混联形式，但不管交流电路的结构形式如何，对整个交流电路来说，其功率的表达式和含义都是一样的，即交流电路的视在功率（容量）Ｓ，由有功功率Ｐ和无功功率Ｑ两部分组成，其表达式为：视在功率S=，有功功率P=Scosφ=UIcosφ，无功功率Q=Ssinφ=UIsinφ， 功率因数交流电路的功率因数cosφ，主要是由负载各元件的性质决定的。对于单一负载来说，功率因数决定于负载本身的性质，例如：白炽灯、电阻炉等，电阻性负载的功率因数具有最大值（cosφ=1），而对于纯电感或纯电容负载，其功率因数等于零，对于一般负载来说，其功率因数是介于０与１之间，例如，工业上常用的异步电动机，满载时的功率因数为０．６~０．８，而空载时的功率因数只有０．２~０．３，对于有许多负载所组成的电力电网而言，其功率因数取决于此电路的性质，究竟是电阻性还是电感性或电容性，其数值的大小与所有这些负载各元件的具体数值有关。

１．２ 交流电路中，无功功率的表现形式

电路中的无功功率分量，虽然不消耗电源的能量，但由于其始终在电源和负载之间往返进行能量转换，而且无功功率分量，要靠电流来传递，所以在电力网中，无功功率消耗是很大的，大约有５０％的无功功率消耗在输、变、配电设备上，５０％消耗在电力用户上，当前我国电气铁路的改变和地铁的建设出现了电力机车这类冲击性、不对称、流动性强的大功率动态负荷，对电网的影响很大，容易引起电网电压的波动和闪变，降低了对其他用户的供电质量，因此电路的无功功率越大，无功电流也越大，从而会导致电源输出电压的降低，电源带动负载的能力也会随之降低，这样就使得电源设备容量不能被充分利用，造成了电力使用上的浪费。从节约用电改善变配电设备的利用情况和提高供电质量等方面考虑，在实际工作中，我们总是尽量想办法提高电路的功率因数，增加电路中的有功功率分量，以提高电源设备容量的利用率。

２ 无功功率补偿技术

无功功率补偿通常按以下三个方面考虑：一是根据提高功率因数的原则，对用户进行无功功率补偿，以减少无功功率输入，节约用户的用电成本；二是根据增加无功补偿的总容量，采用等网损微增率进行全网无功补偿；三是根据无功经济当量来选择补偿点和补偿容量对电力局域网进行集中补偿。此处就减少无功功率输入，节约用户用电成本层面，从传统的无功功率补偿技术入手，分析无功功率补偿的必然性和无功功率补偿技术的发展方向。

无功功率对电源电网及各电力用户内部供配电系统都有不良影响，从节约用电改善变配电设备利用情况和提高电能质量等方面考虑，安装无功功率补偿设备减少无功功率带来的不利影响，是电力电网正常运行的必然需要。

并联电容器是目前应用最广泛的一种无功功率补偿方式，可以永久性地或用断路器连接至系统的某些节点上，发出无功功率（电能与电磁能的交换），从而减少无功功率在系统中的流动。就节点以后电路而言，大多数负载都属于感性负载，即既含有Ｒ又含有Ｌ这类负载与电容器并联在实际应用上，有很重要的意义（见图１）。

在交流并联电路中，由于各条支路的阻抗不仅要影响电流的数值，而且还要影响电流的相位，于是根据各并联支路两端电压相同的特点，我们以电压矢量作为参考矢量画在水平位置，各电流、电压间的相位关系如图２所示。

由矢量图可以看出，并联电容器以后，线路总电流减小了，因而减少了输电线的功率损耗，总电流与总电压间的相位差φ小于感性负载上的电流与电压的相位差。这样就提高了电路的功率因数，提高了电路的功率因数就提高了电源的利用率，提高了电力用户的供电质量。需要注意的是当ＩＣ＜Ｉ１Ｖ和ＩＣ＞Ｉ１Ｖ时，总电流则分别滞后于电压和导前于电压，相应的整个电路也就分别呈感性和容性，此时电路中还有相当大的无功功率在流动，只有当ＩＣ＝Ｉ１Ｖ时，总电流与电压同相，整个电路相当于一纯电阻负载，此时，总电流的有效值最小。

从以上分析可见，并联电容器补偿无功功率的的原理简单，投资小，运行经济，维护方便及容量任意选择的优点，但其也具有不能连续调节，对系统中的谐波有放大作用，且补偿量与电压的平方成正比。结果是在系统最需要无功功率补偿的时候，由于电压的降低，而使发出的无功功率反而减少了，使系统不能得到及时的补偿，且该补偿电路不能频繁操作等缺点。

在超高压电力系统中，常用串联电容器的技术，补偿输电线路的感抗，并且可以安装在远离负荷的地方，用来减少电抗值，减少线路损耗的无功功率。

现代无功功率补偿技术主要在阻止高次谐波进入电网和吸收换相时产生的过电压，以及对无功电流尽量做到无极调节，减小电路的冲击电流上不断实现突破。最近市面上出现一种潮流控制器，也称可控移相器（ＴＣＰＲ），它可以减小事故后线路的过负荷，抑制事故后线路功率增大所造成暂态过程或电压降低现象，减轻导致保护连锁动作或失步或异常无功需求的大量穿越潮流。

３ 结语

随着社会生活的不断发展，电力用户所产生的非线性动态负荷所引起的电压闪变和电流浪涌以及谐波污染现象日显突出，恰恰也是由非线性的动态负荷对电能的质量要求越来越高。不断实现设备更新、技术突破和行之有效的管理措施来减少电力系统的电压闪变，电流冲击、谐波污染等电能质量问题，提高电源的利用率，达到节能减排的效果，提高对电力用户的供电质量，是现代的无功功率补偿技术不断实现突破的原动力。从技术发展角度考虑，无功功率补偿技术减少了线路的无功电流流动，从而降低了线路的能量损耗，达到了改善电能质量的目的。那么，未来的发展方向应以电力电子逆变技术为核心，结合现有的电力有源滤波技术，解决非线性负荷和并联无源滤波器所产生的供电质量问题。

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参考文献

1 刘建军．王吉恒．电工电子技术［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，２００６

2 于占河．电工基础［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００３

3 蔡元宁．电路及磁路［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２０００

4 刘乾业．我国电网无功补偿装置设备情况分析［Ｊ］．电力电容器，2001(2)

（责任编辑 吴 汉）