【正文】 電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，應(yīng)有充足的無功電源。 無功電源的總?cè)萘恳? 4 滿足系統(tǒng) 的額定電壓下對無功功率的需求。否則，電壓就會(huì)偏離額定值。 當(dāng)電力網(wǎng)有能力向負(fù)荷供給足夠的無功功率時(shí)，負(fù)荷的電壓就能維持在正常的水平上。如果無功電源容量不足，負(fù)荷的端電壓就會(huì)降低。所以，我們要保證電力系統(tǒng)的電壓質(zhì)量，就必須先保證電力系統(tǒng)無功功率的平衡。 無功功率對線損的影響 無功電源的分布、無功功率的傳輸以及無功功率的管理，直接影響線路的損耗和電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行 [8]。當(dāng)有功功率和無功功率通過網(wǎng)絡(luò)電阻時(shí)，會(huì)造成有功功率損耗。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)已定，輸送有功功率一定時(shí)，總的功率損耗完全決定于無功功率 的大小。 電力系統(tǒng)無功電源與無功負(fù)荷 電力系統(tǒng)的無功電源 在電力系統(tǒng) 中，無功電源主要是同步發(fā)電機(jī)、同步調(diào)相機(jī)以及同步電動(dòng)機(jī)。 (1) 同步發(fā)電機(jī)。 同步發(fā)電機(jī)是唯一的有功電源，同時(shí)又是最基本的無功電源裝置。從系統(tǒng)觀點(diǎn)來看，它的容量最大，調(diào)節(jié)也最方便。電力系統(tǒng)中大部分無功功率需求都是由同步發(fā)電機(jī)提供的。同步發(fā)電機(jī)在過勵(lì)磁和欠勵(lì)磁時(shí)可以分別發(fā)出或吸收無功功率。即當(dāng)同步發(fā)電機(jī)在低功率因數(shù)情況下，可以發(fā)出無功功率。但是，發(fā)電機(jī)應(yīng)嚴(yán)格地按照有功功率 — 無功功率 (PQ)極限曲線運(yùn)行，不得越出曲線范圍。 同步發(fā)電機(jī)供給無功功率的能力，不僅與短路比之值有關(guān)，還與同時(shí)擔(dān)負(fù)的有功負(fù)載大小有關(guān)，其最大無功功率出力將受轉(zhuǎn)子溫升的條件限制。 同步發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，以滯后功率因數(shù)運(yùn)行為主，即向系統(tǒng)提供無功功率。但必要時(shí)，也可以減小勵(lì)磁電流，使功率因數(shù)超前，即所謂“進(jìn)相運(yùn)行”，以吸收系統(tǒng)多余的無功功率。 (2) 同步調(diào)相機(jī)。同步調(diào)相機(jī)是一種特制的同步電動(dòng)機(jī)，軸上不帶機(jī)械負(fù)載，專門用于補(bǔ)償無功功率。它能在過勵(lì)磁運(yùn)行時(shí)，向系統(tǒng)供給感性無功功率，起無功電源的作用；在欠勵(lì)磁運(yùn)行時(shí)，從系統(tǒng)吸取感性無功功率，起無功負(fù)荷的作用。 裝有自 動(dòng)勵(lì)磁裝置的同步調(diào)相機(jī)能根據(jù)電壓平滑地調(diào)節(jié)輸入或輸出的無功功率。同步調(diào)相機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子間的空隙比一般同步電動(dòng)機(jī)小很多，軸的結(jié)構(gòu)較簡單，強(qiáng)度要求也比 5 較低。同步調(diào)相機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是可以無級調(diào)節(jié)無功功率的數(shù)值，但由于它是一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械，有功功率損耗較大，運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜，響應(yīng)速度慢，近來已逐漸退出電網(wǎng)運(yùn)行，通常只在需要大容量的無功功率補(bǔ)償設(shè)備時(shí)才裝設(shè)同步調(diào)相機(jī)。 (3) 同步電動(dòng)機(jī)。同步電動(dòng)機(jī)時(shí)一種除可將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能外，還能調(diào)節(jié)其勵(lì)磁電流產(chǎn)生無功功率的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，因而也是一種無功電源補(bǔ)償裝置。同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：①可在 功率因數(shù)超前的方式下運(yùn)行，輸出無功功率；②當(dāng)電網(wǎng)頻率不變時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定，且轉(zhuǎn)速與負(fù)載情況無功；③如果采用強(qiáng)行勵(lì)磁，可提高供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但這種電動(dòng)機(jī)的價(jià)格較貴，控制設(shè)備較復(fù)雜，維護(hù)也比較麻煩。 電力系統(tǒng)的無功 負(fù)荷 (1) 異步電動(dòng)機(jī)。 異步電動(dòng)機(jī)在電力系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷重占的比重非常大，是電力系統(tǒng)的無功功率消耗大戶。所以系統(tǒng)中無功負(fù)荷的電壓特性主要是由異步電動(dòng)機(jī)來確定的。特別是經(jīng)輻射性網(wǎng)絡(luò)供電的工業(yè)負(fù)荷，如果這些負(fù)荷主要是大型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷時(shí)，甚至可能引起負(fù)荷端的電壓連續(xù)下降，最后可能擴(kuò) 展到整個(gè)電力系統(tǒng)的電壓崩潰。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于負(fù)荷端無功功率供應(yīng)不足，系統(tǒng)為滿足負(fù)荷的無功功率需求而造成電壓不穩(wěn)定。據(jù)有關(guān)的統(tǒng)計(jì)，在工礦企業(yè)所消耗的全部無功功率中，異步電動(dòng)機(jī)的無功功率消耗占了60%～ 70%；而在異步電動(dòng)機(jī)空載時(shí)所消耗的無功功率又占到電動(dòng)機(jī)總無功功率消耗的60%～ 70%。 (2) 變壓器。變壓器是電力系統(tǒng)的又一無功功率消耗大戶。變壓器的無功功率消耗包括勵(lì)磁消耗和漏抗中的消耗兩部分：勵(lì)磁消耗基本上等于空載損耗電流的百分值，約為1%～ 2%；繞組漏抗消耗在變壓器滿載時(shí)基本上等于短路電壓的百分值 ，約為 10%。因此，在從電源到用戶需要經(jīng)過好幾級變壓的情形，其無功功率消耗的數(shù)值時(shí)相當(dāng)可觀的。 無論是雙繞組 還是三繞組變壓器，繞組均有兩組參數(shù)。電阻和電抗為繞組縱分量 ，電導(dǎo)與電納為繞組橫分量，而消耗系統(tǒng)無功功率的參數(shù)是電抗和電納。電抗中的無功功率消耗是感性無功功率，與負(fù)荷有關(guān)，隨負(fù)荷隨機(jī)變化，變化范圍很大。電納中的無功功率損耗稱為勵(lì)磁損耗，消耗容性無功功率，它與空載電流有關(guān)，變動(dòng)范圍很小，對于給定的變壓器，勵(lì)磁損耗是固定不變的。所以變壓器無功功率損耗的變化大小主要由負(fù)荷的變化來決定。 (3) 電力線路。電力 線路有一定的特殊性。由于電力線路存在分布電容，能產(chǎn)生無功功率作為無功功率源，又由于自身串聯(lián)阻抗的作用，消耗無功功率作為 無功功率負(fù)荷。無 6 功功率損耗是由電力線路的電抗和電納造成的。電力網(wǎng)中對于一定電壓等級的電力線路，電力線路越長，電力線路參數(shù)值越大，無功功率損耗也就越大，電力線路上電壓降也就越大。 一般來說，對于電壓等級為 35kV 及以下的電力線路，其充電功率甚小，電力線路主要消耗無功功率。但是對于電壓等級為 110kV 及以上的電力線路，其情況就較為復(fù)雜。當(dāng)電力線路的傳輸功率較大時(shí)，電力線路中電抗消耗的無功功率將大 于電納中產(chǎn)生的無功功率 ，則電力線路為無功負(fù)荷，消耗無功功率；當(dāng)電力線路的傳輸功率較小時(shí)，電力線路中電納產(chǎn)生的無功功率，除了抵消電抗中的無功功率損耗以外，還有剩余，電力線路為無功電源，發(fā)出無功功率。 (4) 整流裝置。近些年來，國民經(jīng)濟(jì)各部門大力推廣使用各種新型的電力電子整流裝置，他們在減少能量損耗的同時(shí)，也帶來了諸如功率因數(shù)下降、電壓波動(dòng)和閃變、三相不平衡以及諧波干擾等問題，嚴(yán)重危及電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。 (5) 其它用電設(shè)備。各種用電設(shè)備中，除相對很小的白熾燈照明負(fù)載只消耗有功功率外，大多數(shù)都要消耗無功 功率。因此，無論工業(yè)或農(nóng)業(yè)用戶都以滯后功率因數(shù)運(yùn)行，其值約為 .～ ，其中較大的數(shù)值對應(yīng)于使用大容量同步電動(dòng)機(jī)的場合。 無功功率補(bǔ)償 無功功率補(bǔ)償?shù)淖饔? 電力 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中不僅大多數(shù)負(fù)荷要消耗無功功率，而且大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)組件也要消耗無功功率。電力系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)組件和負(fù)荷需要的無功功率必須從網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)地方獲得。如果這些所需要的無功功率由發(fā)電機(jī)提供并經(jīng)過長距離輸送，顯然是不合理的，通常也是不可能的，如果這些所需要的無功功率不能及時(shí)得到補(bǔ)償，電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行以及用電設(shè)備的安全就會(huì)受到影響。因此， 無功功率補(bǔ)償對電力系統(tǒng)有著重要意義，概括起來有： (1) 穩(wěn)定受電端及電網(wǎng)的電壓，提高供電質(zhì)量。 (2) 提高供用電系統(tǒng)及負(fù)載的功率因數(shù)，降低設(shè)備容量，減小功率損耗。 (3) 改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高輸電能力，并提供一定的系統(tǒng)阻尼。 (4) 提高發(fā)電機(jī)有功輸出能力。 (5) 減少線路損失，提高電網(wǎng)的有功傳輸能力。 (6) 降低電網(wǎng)的功率損耗，提高變壓器的輸出功率及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益。 7 (7) 降低設(shè)備發(fā)熱，延長設(shè)備壽命，改善設(shè)備的利用率。 (8) 高水平平衡三相的有功功率和無功功率。 (9) 避免系統(tǒng)電壓崩潰和穩(wěn)定破壞事故，提高運(yùn)行安全性。 無功功率補(bǔ)償裝置 無功功率 補(bǔ)償裝 置經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，形成了種類繁多的無功功率補(bǔ)償裝置。根據(jù)無功功率補(bǔ)償裝置輸出是否跟蹤電力系統(tǒng)無功功率變化來分類，分為靜態(tài)無功功率補(bǔ)償和動(dòng)態(tài)無功功率補(bǔ)償。 根據(jù)無功功率補(bǔ)償裝置是否擁有運(yùn)動(dòng)部件分類，分為運(yùn)動(dòng)無功功率補(bǔ)償和靜止無功功率補(bǔ)償裝置。根據(jù)無功功率補(bǔ)償裝置開始使用的時(shí)間，可以分為傳統(tǒng)無功功率補(bǔ)償裝置 和現(xiàn)代無功功率補(bǔ)償裝置。根據(jù)電壓等級的不同分為，可以分為低壓無功功率補(bǔ)償裝置和高壓無功功率補(bǔ)償裝置。根據(jù)裝置本身有無自帶電源分類，可以分為無源無功功率補(bǔ)償裝置和有源無功功率補(bǔ)償裝置。運(yùn)動(dòng)無功功率補(bǔ)償裝置主要有 電力電容器、電力電抗器、靜止無功功率補(bǔ)償器、靜止無功功率發(fā)生器、統(tǒng)一長流控制器、有源電力濾波器，其中電力電容器和電力電抗器為傳統(tǒng)靜止無功功率補(bǔ)償裝置，其他靜止無功功率補(bǔ)償裝置屬于現(xiàn)代靜止無功功率補(bǔ)償裝置。傳統(tǒng)靜止無功功率補(bǔ)償裝置的最大特征是 補(bǔ)償容量不能隨負(fù)荷無功功率容量的變化而變化，因此又稱靜態(tài)靜止無功功率補(bǔ)償裝置，簡稱靜態(tài)無功功率補(bǔ)償裝置?，F(xiàn)代靜止無功功率補(bǔ)償裝置最大的特征是補(bǔ)償容量能隨負(fù)荷無功功率容量的變化而變化，因此又稱動(dòng)態(tài)靜止無功功率補(bǔ)償裝置。 同步調(diào)相機(jī)是一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械，由于其有功功率損耗較大，運(yùn)行 維護(hù)復(fù)雜、響應(yīng)速度慢，已逐漸退出電網(wǎng)運(yùn)行，正在被高性能的靜止無功功率補(bǔ)償裝置所取代。 8 第 二 章 靜態(tài)無功 功率 補(bǔ)償 靜態(tài)無功補(bǔ)償指阻抗固定，其補(bǔ)償容量不能實(shí)時(shí)跟蹤負(fù)荷無功功率的變化，主要是用于提供固定無功功率補(bǔ)償容量的一種無功功率補(bǔ)償方式。無功功率補(bǔ)償裝置接入系統(tǒng)的方式有兩種：并聯(lián)和串聯(lián)。以并聯(lián)方式接入系統(tǒng)的無功功率補(bǔ)償裝置稱為并聯(lián)無功功率補(bǔ)償，以串聯(lián)方式接入系統(tǒng)的無功功率補(bǔ)償裝置稱為串聯(lián)無功功率補(bǔ)償 [9]。并聯(lián)補(bǔ)償方式因?yàn)榻泳€簡單 、 。 操作方便、對系統(tǒng)可靠性影響小而廣泛使用，串聯(lián)補(bǔ)償方式因 為接線復(fù)雜、操作部方便、對系統(tǒng)可靠性影響大而使使用范圍受到限制，一般在并聯(lián)補(bǔ)償方式不能滿足技術(shù)要求的情況下才使用。 用于電力系統(tǒng)無功功率補(bǔ)償 [10]的靜態(tài)無功功率補(bǔ)償裝置有并聯(lián)電容器、并聯(lián)電抗器、串聯(lián)電容器、串聯(lián)電抗器及其組合。并聯(lián)電容器用于補(bǔ)償感性無功功率，并聯(lián)電抗器用于補(bǔ)償容性無功功率。串聯(lián)電容器和串聯(lián)電抗器也常用于電力系統(tǒng)。單獨(dú)使用時(shí)，串聯(lián)電容器用于補(bǔ)償線路等效感抗、降低線路感性無功功率流動(dòng)和提高受電端的電壓，串聯(lián)電抗器用于限制系統(tǒng)短路電流、補(bǔ)償線路等效容抗和降低線路容性無功功率流動(dòng)?；旌鲜褂脮r(shí)，一般 是串聯(lián)電抗器在并聯(lián)電容器支路中，然后與并聯(lián)電容器一起接入系統(tǒng)，補(bǔ)償高頻無功功率，起到抑制諧波以及保護(hù)并聯(lián)電容器的作用。由于串聯(lián)電容器和傳聯(lián)電抗器不如并聯(lián)電容器和并聯(lián)電抗器方便，無功功率補(bǔ)償效果也不及并聯(lián)電容器和并聯(lián)電抗器，因此，靜態(tài)無功補(bǔ)償主要采用并聯(lián)電容器和并聯(lián)電抗器 并聯(lián)電容器 并聯(lián) 電容器是指并聯(lián)在系統(tǒng)的電容器。電容器是電子工業(yè)與電工設(shè)備中的基本元件之一。電容器就是儲(chǔ)藏電荷的容器。電容器通常由兩塊中間隔以絕緣介質(zhì)的導(dǎo)電板組成。兩塊絕緣板中間的介質(zhì)可以是氣體、液體、固體或者混合體。電容器的命名方法 很多，如按接入系統(tǒng)的方式的不同進(jìn)行命名，分為并聯(lián)電容器、串聯(lián)電容器，按電壓級別的不同，分為高壓電容器、低壓電容器。不過通常對于具體的電容器來說，一般以絕緣介質(zhì)的名稱來命名電容器，如空氣電容器，云母電容器、紙質(zhì)電容器、薄膜電容器 等。在電路以符號“ C”來表示電容器。并聯(lián)電容器通過吸收容性無功功率來補(bǔ)償感性無功功率和增大局部電壓。 并聯(lián)電容器以價(jià)格低廉、安裝靈活、操作簡單、運(yùn)行穩(wěn)定、維護(hù)方便而 受到歡迎，已被用在電力系統(tǒng)中的各點(diǎn)上，為提高輸電和配電的效率，保持電力系統(tǒng)無功功率平衡發(fā)揮 9 了很大作用。并聯(lián)電容器的一個(gè)缺點(diǎn) 是其無功功率輸出與電壓平方成正比，結(jié)果是在低壓時(shí)無功功率輸出減小，而這時(shí)的系統(tǒng)卻需要更多無功功率；并聯(lián)電容器的另一個(gè)缺點(diǎn)是電容器提供的無功功率在電壓穩(wěn)定時(shí)是不變的，不能隨系統(tǒng)無功功率的需求的改變而改變，是一種靜態(tài)無功功率補(bǔ)償裝置，適用于無功功率需求穩(wěn)定的場所，但即使這樣，也容易造成欠補(bǔ)償或過補(bǔ)償。 并聯(lián)電容器補(bǔ)償無功功率的原理 電力系統(tǒng)中的大部分負(fù)荷是電感性的，這些感性負(fù)荷要消耗大量的無功功率，例如，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)消耗的無功功率約占其總功率的 60%70%，變壓器約占其總功率的 20%25%，而空 載運(yùn)行時(shí)，變壓器的功率因數(shù)只有 左右，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)只有 左右。如果感性負(fù)荷所需的無功功率得不到就地補(bǔ)償?shù)脑?，勢必由發(fā)電機(jī)供給，即電器設(shè)備與電源之間存在大量的功率交換。大量的無功電流在電源與負(fù)荷之間流動(dòng)，造成電網(wǎng)電能的消耗，降低電源的功率因數(shù)。因此，一般需要增設(shè)無功功率補(bǔ)償裝置進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，以提高系統(tǒng)電源的功率因數(shù)。 首先分析一個(gè)簡單的并聯(lián)電路。假設(shè)負(fù)荷時(shí)電阻 R 和電感 L 組成的并聯(lián)電路，對 R、L 電路進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，就需要對電路并接電容 C， 等值電路與向量圖如圖 所示。 (a)R、 L、 C 并聯(lián)等值電路； (b)R、 L 串聯(lián)后與 C 并聯(lián)的等值電路 (c)欠補(bǔ)償?shù)南蛄繄D； (d)過補(bǔ)償?shù)南蛄繄D 圖 等值電路與向量圖 ? 1— 補(bǔ)償前電壓 ?U 與電流 ?I 的相位差 。； ? 2— 補(bǔ)償 后 電壓 ?U 與電流 ?I 的相位差 10 在 (a)圖所示電路中 ，電流方程為 ?I =?I C+?I RL=?I C+?I R+?I L (21) 電容提供的無功功率為 Q=UIC=2? fCU2 (22) 由 (21)式可知，當(dāng)并聯(lián)電容器不投入時(shí)， ?I C=0，即不對符合進(jìn)行無功功率補(bǔ)償， 那么電源即要向負(fù)荷提供有功電流 ?I R，還要提供無功電流 ?I L，電源向負(fù)荷提供的總電流?I =?I RL=?I R+?I L；當(dāng)并聯(lián)電容器投入時(shí)， ?I C? 0，即對負(fù)荷進(jìn)行無功功 率補(bǔ)償，那么電源在向負(fù)荷 提供 有功電流 ?I R 的同時(shí)，提供 無功電流 ?I L+ ?I C，電源向負(fù)荷提供的總電流?I =?I R+?I L+?I C，特別是當(dāng) ?I L= ?I C, ?I L+?I C=0，電源不需要向負(fù)荷提供無功電流，功率因數(shù)等于 1， 一般情況下 ?I L? ?I C， 這時(shí)可能的情況有兩