电力电容器及无功补偿技术手册

1、电力电容器及无功补偿技术手册沙舟 编著目 录前 言 第一章 基本概念.(1)§1-1 交流电的能量转换.(1)§1-2 有功功率与无功功率.(2)§1-3 电容器的串联与并联.(3)§1-4 并联电容器的容量与损耗.(3)§1-5 并联电容器的无功补偿作用.(4)第二章 并联电容器无功补偿的技术经济效益.(5)§2-1 无功补偿经济当量.(5)§2-2 最佳功率因数的确定.(7)§2-3 安装并联电容器改善电网电压质量.(8)§2-4 安装并联电容器降低线损.(11)§2-5 安装并联电容器释放

2、发电和供电设备容量.(13)§2-6 安装并联电容器减少电费支出.(15)前 言众所周知，供电质量主要决定于电压、频率和波形三个方面。电网频率稳定决定于电网有功平衡，波形主要决定于网络和负荷的谐波，电压稳定则决定于无功平衡。当然三者之间也具有一定的内在关系。无功平衡决定于网络中无功的产生和消耗。在系统中无功电源有同步发电机、同步调相机、电容器、电缆、输电线路电容、静止无功补偿装置和用户同步电动机，无功负荷则有电力变压器，输电线路电感和用户的感应电动机，各种感应式加热炉、电弧炉等。为了满足系统中无功电力的需求，单靠发电机、调相机、电缆和输电线路电容是不够的，静补装置中也是采用电容器等。

3、因此电容器在系统的无功电源中占有相当比重，加之调相机为旋转设备。建设投资大，运行维护费用高。近年来世界各国都积极装设电容器，满足系统无功电力要求，维持电压稳定。但各国主要是装设并联电容器，装串联电容器者较少，因此编者主要介绍并联电容器无功补偿技术，它还广泛应用于谐波滤波装置，动态无功补偿设备和电气化铁道无功补偿装置之中，因与电力系统谐波有关。限于篇幅，准备在“谐波技术”中详述。这里主要介绍一些无功补偿技术基础。限于编者水平，加上时间仓促，不当之处难免，请读者批评指正。 第一章 基本概念§1-1 交流电的能量转换电力工程中常用的电流、电压、电势等均按正弦波规律变化，即它们都是时间的正弦

4、函数。以电压u为例，可用下式表达： u=Umsin(t+j) (1-1)式中u为电压瞬时值，Um为电压最大值，w=2pf为角频率，表示电压每秒变化的弧度数，f为电网频率，为每秒变化的周数，我国电网f=50Hz，国外有50Hz和60Hz。当t=0时，相角为j，称之初相角，若选择正弦电压通过零点作为时间起点，则j=0，则： u=Umsinwt (1-2)如果将此电压加于电阻R两端，按欧姆定律，通过电阻的电流i为： (1-3)由上式可见，电阻上的电压u和电流i同相位，电压和电流同时达到最大值和零，电阻电路中的功率：PR=ui=UmImsin2wt=UI(1cos2wt) (1-4) 式中U，I分别为

5、电压和电流的有效值，由于电压和电流的方向始终相同，故功率始终为正值，电阻电路始终吸收功率，转换为热能或光能等被消耗掉。当正弦电流I=Imsinwt通过电感时，则电感两端的电压为： (1-5)式中=wLIm。可见电感两端的电压uL和电流i都是频率相同的正弦量，其相位超前于电流或90°，即电压达最大值时电流为零，电感的功率为： (1-6)它也是时间的正弦函数，但频率为电流频率的两倍，由图1-1可见，在第一、三个四分之一周期内电感吸收功率（PL>0），并把吸收的能量转化为磁场能量，但在第二、四个四分之一周期内电感释放功率（PL<0磁场能量全部放出。磁场能量和电源能量的转换反复进

6、行，电感的平均功率为零，不消耗功率。图1-1 电感中电流、电压和功率的变化把正弦电压u=sinwt接在电容C的两端，流过电容C中的电流为： (1-7)电容电流ic和电压u为频率相同的正弦量，电流最大值Im=wc，电流相位超前电压或90°，即电压滞后于电流，电容的功率：Pc=uicImsinwtcoswt=Isin2wt (1-8)可见功率也是时间的正弦函数，其频率为电压频率的两倍，为与图1-1比较，取ic起始相位为零，电压u滞后于电流。由图1-2可见，Pc在一周期内交变两次，第一、三个四分之一周期内，电容放电释放功率（Pc<0）,储存在电场中的能量全部送回电源，在第二、四个四分

7、之一周期内，电容充电吸收功率（Pc>0），把能量储存在电场中，在一个周期内，平均功率为零，电容也不消耗功率。图1-2 电容中的电流、电压和功率的变化§1-2 有功功率和无功功率交流电力系统需要两部分能量，一部分电能用于做功被消耗，它们转化为热能、光能、机械能或化学能等，称为有功功率，另一部分能量用来建立磁场，作为交换能量使用，对外部电路并未做功，它们由电能转换为磁场能，再由磁场能转换为电能，周而复始，并未消耗，这部分能量称为无功功率。无功功率并不是无用之功，没有这部分功率，就不能建立感应磁场，电动机、变压器等设备就不能运行。除负荷需要无功外，线路电感、变压器电感等也需要。在电力

8、系统中，无功电源有：同步发电机、同步调相机、电容器、电缆及架空线路电容，静止补偿装置等，而主要无功负荷有：变压器、输电线路、异步电动机、并联电抗器。设负荷视在功率为S，有功功率为P，无功功率为Q，电压有效值为，电流有效值为I，则功率三角形如图1-3。图中：P=S·cosj=IcosjQ= S·sinj=IsinjS=I有功功率常用单位为瓦或千瓦，无功功 率为乏或千乏，视在功率为伏安或千伏安，相位角j为有功功率与视在功率的夹角，称为力率角或功率因数角，cosj表示有功功率P和视在功率S的比值，称为力率或功率因数。图1-3 功率三角形在感性电路中，电流落后于电压，j>0，

9、Q为正值，而在容性电路中，电流超前于电压，j<0，Q为负值。§1-3 电容的串联和并联当所需电容量大于单台电容器的电容量时，可采用并联方式解决，各单台电容器充电后的电量分别为q1,q2,q3，而总电量q为各单台电量之和：q= q1+q2+q3+因 q1=Uc1,q2=Uc2,q3=Uc3故 q=UC=Uc1+Uc2+Uc3+总电容量 C=c1+c2+c3+ (1-9)当m个电容量相等的单元并联时，设单元电容量为C0，则C=mC0，可见总电容量为各单元电容量之和。当单台电容器电压低于运行电压时，往往将其串联，若各单元承受的电压分别为U1，U2，U3时，串联后的总电压为U=U1+U

10、2+U3，由于串联回路中各单元充电的电量相等，则：q= q1=q2=q3故 (1-10)若n台电容值为C0的单元串联，则总电容。§1-4 并联电容器的容量和损耗电容器接于交流电压时，大部分电流为容性电流Ic，作为交换电场能量之用，另一部分为介质损失引起的电流IR，通过介质转换为热能而消耗掉。介质在电场的作用下可能产生三种形式的损耗：极化损耗介质在极化过程中由于克服内部分子间的阻碍而消耗的能量；漏导损耗介质的漏导电流产生的损耗；局部放电损耗在介质内部或极板边缘产生的非贯穿性局部放电产生的损耗。电容器电流的向量图如图1-4，电容器的无功功率，即电容器的容量为：Q=Ic=UIsinj因 I

11、c=U/Xc=wc故 Q=wc2 (1-11) 电容器的有功损耗PR=UIR=UIcosj=UIctgd=Qtgd=wc2tgd (1-12) 图1-4介质损耗电流向量表 式中：U外施交流电压，KV；C电容器的电容量，mF；w角频率，w=2pf，f为频率，单位Hz。Q电容器容量，Var；PR电容器损耗功率，W；tgd电容器介质损耗角正切值，用百分数表示。各种并联电容器损耗角正切值百分数如下（在额定电压、额定频率和20时测量）：纯纸介质：额定电压 1KV及以下者，不大于0.4%； 额定电压 1KV以上者，不大于0.3%；膜纸复合介质：额定电压 1KV及以上者，不大于0.12%；全膜介质：额定电压

12、 1KV及以上者，不大于0.05%；低压金属化膜电容器，不大于0.08%；§1-5 并联电容器的无功补偿作用由图1-1和图1-2可见，在第一个四分之一周期内，电流由零逐渐增大，电感吸收功率，转化为磁场能量，而电容放出储存在电场中的能量，而第二个四分之一周期，电感放出磁场能量，电容吸收功率，以后的四分之一周期重复上述循环。因此当电感和电容并联接在同一电路时，电感吸收功率时正好电容放出能量，电感放出能量时正好电容吸收功率，能量在它们之间相互交换，即感性负荷所需无功功率，可由电容器的无功输出得到补偿，这就是并联电容器的无功补偿作用。如图1-5所示，并联电容器C与供电设备（如变压器）或负荷（

13、如电动机）并联，则供电设备或负荷所需要的无功功率，可以全部或部分由并联电容器供给，即并联电容器发出的容性无功，可以补偿负荷所消耗的感性无功。 图1-5 并联电容器补偿原理图1-6 并联电容器补偿向量图当未接电容C时，流过电感L的电流为IL，流过电阻R的电流为IR。电源所供给的电流与I1相等。I1=IR+jIL,此时相位角为j1，功率因数为cosj1。并联接入电容C后，由于电容电流IC与电感电流IL方向相反（电容电流IC超前电压U90°，而电感电流滞后电压U90°），使电源供给的电流由I1减小为I2，I2=IR+j(IL_IC)，相角由j1减小到j2，功率因数则由cosj1提

14、高到cosj2。并联电容器无功补偿可以降低线路损耗，改善电网电压质量等，分别在第二章详细叙述。第二章 并联电容器无功补偿的技术经济效益§2-1 无功补偿经济当量所谓无功补偿经济当量，就是无功补偿后，当电网输送的无功功率减少1千乏时，使电网有功功率损耗低的千瓦数。众所周知，线路的有功功率损耗值如式（2-1） = (2-1)式中：PL线路有功功率损耗，KW；P线路传输的有功功率，KW；Q线路传输的无功功率，KvarU线路电压，KV；R线路电阻，W；S线路的视在功率，KVA；PLP线路传输有功功率产生的损耗，KW；PLQ线路传输无功功率产生的损耗，KW。装设并联电容器无功补偿装置后，使传输

15、的无功功率减少Qb时，则有功功率损耗为：因此减少的有功功率损耗为： =按无功补偿经济当量的定义，则= (2-2)式中：为单位无功功率通过线路电阻引起的有功损耗值；为无功功率的相对降低值，即补偿度。由上式可见，当Qb<<Q，即无功补偿的容量比线路原来传输的无功功率小很多时，cb=2cy,无功补偿使线路损耗减少的效果显著，无功补偿经济当量大，而当QbQ时，cbcy,说明补偿容量大时，减少有功损耗的作用变小，即补偿装置使功率因数提高后的经济效益降低。实际情况中，无功补偿经济当量由用电单位确定，无详细资料时，可按图2-1和表2-1确定。图2-1 确定系统无功补偿经济当量的接线图表2-1 各

16、类供电方式的无功经济当量功 率因 数无功补偿经济当量 千瓦/千乏 供 电 方 式cbcbcb0.750.0860.130.080.80.0760.120.070.90.0620.090.06例如在I处安装1000千乏并联电容器装置，该处在功率因数为0.9时，无功经济当量为0.062千瓦/千乏，则每小时可节电62度，全年按实际运行4000小时计算，可节电24.8万度，每度电成本按0.04元计算，全年节电价值为9920元，安装电容器费用（包括配套设备）按35元/千乏计算，约需投资3.5万元。仅此一项三年多时间便可收回投资。§2-2 最佳功率因数的确定设系统输送的有功功率为P1，无功功率为

17、Q1，相应的视在功率为S1，其功率三角形如图2-2。图2-2 有功功率不变时，无功补偿功率三角形安装无功补偿容量Qc后，输送的无功功率降为Q2，在维持有功功率不变时， （2-3）令 （2-4）按（2-3）式，对应于每一cosj1值，以cosj2为纵座标，b为横座标，可绘出一组cosj2b曲线，如图2-3。如cosj1=，cosj2=1时，则P=Qc。图2-3 cosj2b曲线由图2-3可见，当cosj2<0.96时，cosj2b基本为直线，即补偿后的功率因数cosj2随b值增加而增加，也即随Qc容量增加近似成比例增加，但在cosj2>0.96时，曲线趋于平缓，即随Qc容量增加，co

18、sj2增加缓慢，如从cosj1=0.7曲线中可查得，由cosj2=0.7提高到cosj2=0.96时，相对提高37%，b值为0.70；而cosj2再从0.96提高到1时，相对提高4.16%，b值需相应增大0.3，因此cosj2越接近于1，无功补偿容量Qc越大，投资高，但效益愈小。这与上节所述补偿容量愈大时，对减少有功功率损耗的作用愈小的结论一致。由图2-3可查得，要求从cosj1=0.6,0.7,0.8 补偿到cosj2=0.90,0.95和1时，b=如表2-2。表2-2 从不同的cosj1补偿到不同的cosj2时的b值cosj10.60.70.8b值cosj20.900.820.530.25

19、0.9510.690.421.001.30.960.75由以上分析可得：1、用户功率因数cosj2提高到1是不经济和不适宜的；2、最佳的cosj2值与负荷的供电方式有关，需根据技术经济比较确定；3、补偿后cosj2值一般不宜超过0.96，因此能源部规定电费按功率因数的奖惩制度，由过去“不封顶”改在0.95封顶（即cosj2超过0.95时不再另行增加奖励）是合适的。而且如后面所述，无功倒送会造成系统不稳定和出现谐振等问题。§2-3 安装并联电容器改善电网电压质量当集中电力负荷直接从电力线路受电时，典型接线和向量图如图2-4。图2-4 由电力线路集中供电的接线和向量图线路电压降U的简化计

20、算如式（2-5）。没有无功补偿装置时，线路电压降为U1： （2-5）式中：P、Q分别为负荷有功和无功功率；R、X分别为线路等值电阻和电抗；U为线路额定电压。安装无功补偿装置Qc后，线路电压降为U2 （2-6）显然U2<U1，一般情况下，因X>>R，QX>>PR，因此安装无功补偿装置Qc后，引起母线的稳态电压升高为：U=U1U2= （2-7）若补偿装置连接处母线三相短路容量为SK，则，代入上式得：U= （2-8）或 式中：U投入并联电容器装置的电压升高值，KV； U并联电容器装置未投入时的母线电压，KV； Qc并联电容器装置容量，Mvar； SK并联电容器装置连接处

21、母线三相短路容量，MVA。由上式可见，Qc愈大，SK愈小，U愈大，即升压效果越显著，而与负荷的有功功率，无功功率关系不大。因此越接近线路末端，系统短路容量SK愈小的场合，安装并联电容器装置的效果愈显著。统计资料表明，用电电压升高1%，可平均增产0.5%；电网电压升高1%，可使送变电设备容量增加1.5%，降低线投2%；发电机电压升高1%，可挖掘电源输出1%。例：某变电站接线如图2-5，求并联电容器装置投入后，提高功率因数和电压的效果。图2-5 某变电站接线和功率三角形解： 提高电压的效果以10MVA为基准，则系统短路阻抗折算到11KV侧为 变压器短路阻抗 uk=0.075总阻抗为0.02+0.0

22、75=0.095 11KV母线处短路容量 投入并联电容器装置后的电压升高 KV=209V 提高功率因数的效果因P=5000KW， 投入装置Qc后的功率因数cosj2为 = 即功率因数由0.75提高到0.901。§2-4 安装并联电容器降低线损线损是电网经济运行的一项重要指标，能源部已颁发线损管理条例。线损与通过线路总电流的平方成正比，设送电线路输送的有功功率P为定值，功率因数为cosj1时，流过线路的总电流为I1，线路电压为U，等值电阻为R，则此时线损为： = (2-9)装设并联电容器装置后，功率因数提高为cosj2，则线损为： = (2-10)线损降低值为： (2-11)设KP=

23、(2-12) 。 KP称为线损降低功率系数或节能功率系数,则(2-11)式为：线损降低的比例为： （2-13）由（2-13）式可绘出不同的cosj1时，线损降低比例与cosj2的关系曲线（见§4-1）。由（2-13）式可得，补偿后功率因数cosj2越高，线损降低功率系数越大，节能效果愈好，在不同的cosj1和 cosj2时，KP值可由图2-6查出。KP=图2-6 线损降低功率系数KP值例：某厂用电负荷P=1000KW，cosj1=0.8，线损PL1=80KW，装并联电容器装置Qc=400Kvar后，求cosj2和KP 。解：装设并联电容器装置前，该厂的视在功率为无功功率为： =装设并联电容器装置后，视在功率和功率因数为： =线损降低的比例：=每小时节能效果度。§2-5 安装并联电容器释放发供电设备容量由图2-2可见，安装并联电容器装置后，若有功功率P1不变，功率因数由cosj1提高到cosj2，相应的视在功率由S1减小到S2，即释放容量，因此可减少系统输变电设备容量，或者提高系统的输送能力，节约建设投资。 = = = (2-14)输变