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無功功率補償基礎知識
無功功率補償基礎知識
1.什么是無功功率
電網中電力設備大多是根據電磁感應原理工作的，他們在能量轉換過程中建立交變的磁場，在一個周期內吸收的功率和釋放的功率相等。電源能量在通過純電感或純電容電路時并沒有能量損耗，僅在負荷與電源之間往復交換，在三相之間流動，由于這種交換功率不對外做功，因此稱為無功功率。
無功功率分為：
感性無功：電流矢量滯后于電壓矢量90度，如電動機、變壓器、晶閘管變流設備等；
容性無功：電流矢量超前于電壓矢量90度，如電容器、電纜輸配電線路等；
基波無功：與電源頻率相等的無功（50Hz）；
諧波無功：與電源頻率不相等的無功。
從物理概念來解釋感性無功功率：由于電感線圈是貯藏磁場能量的元件，當線圈加上交流電壓后，電壓交變時，相應的磁場能量也隨著變化。當電壓增大，電流及磁場能量也就相應加強，此時線圈的磁場能量就將外電源供給的能量以磁場能量形式貯藏起來；當電流減小和磁場能量減弱時，線圈把磁場能量釋放并輸回到外面電路中。交流電感電路不消耗功率，電路中僅是電源能量與磁場能量之間的往復轉換。
從物理概念來解釋容性無功功率：由于電容器是貯藏電場能量的元件，當電容器加上交流電壓后，電壓交變時，相應的電場能量也隨著變化。當電壓增大，電流及電場能量也就相應加強，此時電容器的電場能量就將外電源供給的能量以電場能量形式貯藏起來；當電壓減小和電場能量減弱時，電容器把電場能量釋放并輸回到外面電路中。交流電容電路不消耗功率，電路中僅是電源能量與電場能量之間的往復轉換。
2.功率因數
實際供用電系統中的電力負荷并不是純感性或純容性的，是既有電感或電容，又有電阻的負載。這種負載的電壓和電流的相量之間存在著一定的相位差，相位角的余弦稱為功率因數，又稱力率，它是有功功率與視在功率之比。
三相功率因數的計算公式為：
式中：cosΦ——功率因數；P——有功功率，kW；Q——無功功率，kvar；S——視在功率，kVA
功率因數通常分為自然功率因數、瞬時功率因數和加權平均功率因數三種。在三相對稱電路中，各相電壓、電流為對稱，功率因數也相同。那么三相電路總的功率因數就等于各相的功率因數。
我國對功率因數有一定要求，對供電公司的要求是110kV站，功率因數在0.95~0.98之間；220kV站，功率因數在0.95以上。對用戶的要求是100kVA以上的變壓器，功率因數大于0.9。對農灌的要求是100kVA以上的變壓器，功率因數大于0.8。
3.無功補償
電力系統中，不但有功功率要平衡，無功功率也要平衡。有功功率、無功功率、視在功率之間的相量關系如圖所示。
由式cosΦ=P/S可知，在一定的有功功率下，功率因數cosΦ越小，所需的無功功率越大。為滿足用電的需求，供電線路和變壓器的容量就需要增加，這樣不僅要增加供電投資、降低設備利用率，也將增加線路損耗。為了提高電網的經濟運行效率，根據電網中的無功類型，人為的補償容性無功或感性無功來抵消線路的無功功率。
無功補償的主要作用就是提高功率因數以減少設備容量和功率損耗、穩定電壓和提高供電質量，在長距離輸電中提高輸電穩定性和輸電能力以及平衡三相負載的有功和無功功率。安裝并聯電容器進行無功補償，可限制無功功率在電網中的傳輸，相應減少了線路的電壓損耗，提高了配電網的電壓質量。無功補償主要有以下幾方面的作用。
1）提高電壓質量
把線路中電流分為有功電流Ia和無功電流Ir，則線路中的電壓損失：
式中：P——有功功率，kW；Q——無功功率，kvar；U——額定電壓，kV；R——線路總電阻，Ω；XI——線路感抗，Ω
因此，提高功率因數后可減少線路上傳輸的無功功率Q，若保持有功功率不變，而R、XI均為定值，無功功率Q越小，電壓損失越小，從而提高了電壓質量。
2）提高變壓器的利用率，減少投資
功率因數由cosΦ1提高到cosΦ2提高變壓器利用率為：
由此可見，補償后變壓器的利用率比補償前提高ΔS%，可以帶更多的負荷，減少了輸變電設備的投資。
3）減少用戶電費支出
a．可避免因功率因數低于規定值而受罰；
b．可減少用戶內部因傳輸和分配無功功率造成的有功功率損耗，電費可相應降低。
4）提高電力網傳輸能力
有功功率與視在功率的關系式為：P=ScosΦ，可見在傳輸一定有功功率的條件下，功率因數越高，需要電網傳輸的功率越小。
4.無功補償的安排方式
集中補償：裝設在企業或地方總變電所6~35kV母線上，可減少高壓線路的無功損耗，而且能提高本變電所的供電電壓質量。
分散補償：裝設在功率因數較低的車間或村鎮終端變、配電所的高壓或低壓母線上。這種方式與集中補償有相同的優點，但無功容量較小，效果較明顯。
就地補償：裝設在異步電動機或電感性用電設備附近，就地進行補償。這種方式既能提高用電設備供電回路的功率因數，又能改變用電設備的電壓質量。
無功補償的節能只是降低了補償點至發電機之間的供電損耗，所以高壓側的無功補償不能減少低壓網側的損耗，也不能使低壓供電變壓器的利用率提高。根據補償理論，就地補償的節能效果為顯著。集中補償與分散補償相結合，以分散補償為主；調節補償與固定補償相結合，以固定補償為主；高壓補償與低壓補償相結合，以低壓補償為主。