新在线无功补偿

电力系统中无功补偿的应用技术

ARC无功补偿技术讲座合肥新在线科技发展有限公司

2013-10-6无功补偿的概念与作用有功功率、无功功率与功率因数自然功率因数与标准功率因数功率因数低的不良影响无功补偿原理无功补偿的意义和作用ARC无功补偿装置技术讲座有功功率、无功功率与功率因数电源升压变压器降压变压器输电线电力用户M

PL+jQLPG+jQG∆P+j∆Q交流发电机输出的功率(视在功率

-容量)(kVA)有功功率(kW):用于做功和发热损耗的那部分电能。例如：转换成机械能、热能、光能等；方向：电源至负载。一个周期的平均功率大于零。无功功率(kVar):用于电路内电场与磁场交换的那部分电能。方向：上半周期从电源至负载，下半周期从负载至电源。一个周期的平均功率等于零。电能形成（电源）电能转换（负载）ARC无功补偿装置技术讲座无功补偿的概念：电网中电力设备大多是根据电磁感应原理工作的，他们在能量转换过程中建立交变的磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等。电源能量在通过纯电感或纯电容电路时并没有能量消耗，仅在负荷与电源之间往复交换，在三相之间流动，由于这种交换功率不对外做功，因此称为无功功率。从物理概念来解释感性无功功率：由于电感线圈是贮藏磁场能量的元件，当线圈加上交流电压后，电压交变时，相应的磁场能量也随着变化。当电压增大，电流及磁场能量也就相应加强，此时线圈的磁场能量就将外电源供给的能量以磁场能量形式贮藏起来；当电流减小和磁场能量减弱时，线圈把磁场能量释放并输回到外面电路中。交流电感电路不消耗功率，电路中仅是电源能量与磁场能量之间的往复转换。ARC无功补偿装置技术讲座从物理概念来解释容性无功功率：由于电容器是贮藏电场能量的元件，当电容器加上交流电压后，电压交变时，相应的电场能量也随着变化。当电压增大，电流及电场能量也就相应加强，此时电容器的电场能量就将外电源供给的能量以电场能量形式贮藏起来；当电压减小和电场能量减弱时，电容器把电场能量释放并输回到外面电路中。交流电容电路不消耗功率，电路中仅是电源能量与电场能量之间的往复转换。无功分类感性无功：电流矢量滞后于电压矢量90°

如电动机、变压器、晶闸管变流设备等容性无功：电流矢量超前于电压矢量90°

如电容器、电缆输配电线路等基波无功：与电源频率相等的无功（50HZ）谐波无功：与电源频率不相等的无功ARC无功补偿装置技术讲座什么是功率因数实际供用电系统中的电力负荷并不是纯感性或纯容性的，是既有电感或电容、又有电阻的负载。这种负载的电压和电流的相量之间存在着一定的相位差，相位角的余弦cosφ称为功率因数，又称力率。它是有功功率与视在功率之比。三相功率因数的计算公式为：ARC无功补偿装置技术讲座什么是功率因数式中：cosφ—功率因数

P—有功功率，KWQ—无功功率，KvarS—视在功率，KVA功率因数通常分为自然功率因数、瞬时功率因数和加权平均功率因数三种。在三相对称电路中，各相电压、电流为对称，功率因数也相同。那么三相电路总的功率因数就等于各相的功率因数。非正弦电路的功率因数：

P=UI1cosφ1Q=UI1sinφ1S=UI

此时非正弦电路功率因数为：

式中：cosφ1—基波功率因数

I1—基波电流

I—总电流ARC无功补偿装置技术讲座

由上式可以看出：功率因数是由基波电流相移和电流波形畸变两个因素决定的。总电流可以看成由三个分量，基波有功电流、基波无功电流和谐波电流组成。什么是无功补偿电力系统中，不但有功功率要平衡，无功功率也要平衡。有功功率、无功功率、视在功率之间的相量关系如图一由式cosφ=P/S可知，在一定的有功功率下，功率因数cosφ越小，所需的无功功率越大。为满足用电的要求，供电线路和变压器的容量就需要增加。这样，不仅要增加供电投资、降低设备利用率，也将增加线路损耗。为了提高电网的经济运行效率，根据电网中的无功类型，人为的补偿容性无功或感性无功来抵消线路的无功功率。ARC无功补偿装置技术讲座无功补偿的作用无功补偿的主要作用就是提高功率因数以减少设备容量和功率损耗、稳定电压和提高供电质量，在长距离输电中提高输电稳定性和输电能力以及平衡三相负载的有功和无功功率。安装并联电容器进行无功补偿，可限制无功功率在电网中的传输，相应减少了线路的电压损耗，提高了配电网的电压质量。无功补偿的作用1．提高电压质量把线路中电流分为有功电流Ia和无功电流Ir，则线路中的电压损失:

式中：P—有功功率，KW Q—无功功率，Kvar U—额定电压，KVR—线路总电阻，Ω Xl—线路感抗，ΩARC无功补偿装置技术讲座

因此，提高功率因数后可减少线路上传输的无功功率Q，若保持有功功率不变，而R、Xl均为定值，无功功率Q越小，电压损失越小，从而提高了电压质量。无功补偿的作用2．提高变压器的利用率，减少投资功率因数由cosφ1提高到cosφ2提高变压器利用率为：

由此可见，补偿后变压器的利用率比补偿前提高ΔS%，可以带更多的负荷，减少了输变电设备的投资。ARC无功补偿装置技术讲座3．减少用户电费支出（1）可避免因功率因数低于规定值而受罚。（2）可减少用户内部因传输和分配无功功率造成的有功功率损耗，电费可相应降低。4、提高电力网传输能力有功功率与视在功率的关系式为：

P=Scosφ

可见，在传输一定有功功率的条件下，功率因数越高，需要电网传输的功率越小补偿方式的选择集中补偿与分散补偿相结合，以分散补偿为主；调节补偿与固定补偿相结合，以固定补偿为主；高压补偿与低压补偿相结合，以低压补偿为主。1．集中补偿：装设在企业或地方总变电所6~35KV母线上，可减少高压线路的无功损耗，而且能提高本变电所的供电电压质量。

2．分散补偿：装设在功率因数较低的车间或村镇终端变、配电所的高压或低压母线上。这种方式与集中补偿有相同的优点，但无功容量较小，效果较明显。3．就地补偿：装设在异步电动机或电感性用电设备附近，就地进行补偿。这种方式既能提高用电设备供电回路的功率因数，又能改变用电设备的电压质量。ARC无功补偿装置技术讲座

*无功补偿的节能只是降低了补偿点至发电机之间的供电损耗，所以高压侧的无功补偿不能减少低压网侧的损耗，也不能使低压供电变压器的利用率提高。根据最佳补偿理论，就地补偿的节能效果最为显著。电能损耗线损是电流在输变电设备和线路中流动产生的，因而它由线路损耗和变压器损耗两部分组成。按损耗的变化情况可划分为可变损耗和固定损耗。前者指当电流通过导体和变压器所产生的损耗，包括变压器的铜损和电力线路上的铜损，它与负荷率、电网电压等因素有关，约占电网总损耗的80%~85%。后者指只要接通电源电力网就存在的损耗，包括变压器的铁损，电缆线路、电容器及其他电器上的介质损耗及各种计量仪表、互感器线圈上的铁损，它与电网运行电压和频率有关，占总损耗15%~20%‘

我国与发达国家相比，线损较大。发达国家的线损约为2%~3%，而我国在2006年的线损统计为7.1%，所以线损的解决显得越来越重要。从前面的论述可知，线损与电力用户的功率因数的平方成反比，故提高功率因数是降低损耗的有效措施。装设并联补偿电容器可减少电网无功输出量。在用户或靠近用户的变电站装设自动投入的并联电容器，以平衡无功功率，限制无功功ARC无功补偿装置技术讲座率在电网中传送，可减少电网的无功损耗，同时还可提高有功功率的输送量。功率因数指标我国对功率因数的要求：对供电公司的要求：110KV站，功率因数在0.95~0.98之间。

220KV站，功率因数在0.95以上。对用户的要求：100KVA以上的变压器，功率因数大于0.9。对农灌的要求：100KVA以上的变压器，功率因数大于0.8。ARC无功补偿装置技术讲座电容器无功补偿原理

电力系统中网络元件的阻抗主要是感性的，需要容性无功来补偿感性无功。ARC无功补偿装置技术讲座将电容并入RL电路之后，电路如图（a）所示。该电路电流方程为

由图（b）的向量图可知，并联电容后U与I的相位差变小了，即供电回路的功率因数提高了。此时供电电流的相位滞后于电压，这种情况称为欠补偿。若电容C的容量过大，使得供电电流的相位超前于电压，这种情况称为过补偿。其向量图如（c）所示。通常不希望出现过补偿的情况，因为这样会：（1）引起变压器二次侧电压的升高（2）容性无功功率在电力线路上传输同样会增加电能损耗（3）如果供电线路电压因而升高，还会增大电容器本身的功率损耗，使温升增大，影响电容器使用寿命。异步电动机无功功率就地补偿在选用配套电动机时，不少企业往往采用小负载选用大功率电动机的做法，即习惯上称“大马拉小车”，造成电动机轻载运行，使效率和功率因数降低。*在电动机或变压器空载或轻载运行时，由于电压不变，所以磁通不会降低，而负载比额定负载小得多，所以无功功率没减少，有功功率要小得多，这样功率因数就降低了。ARC无功补偿装置技术讲座ARC动态无功补偿装置主要器件ARC无功补偿装置技术讲座ARC动态无功补偿装置主要器件ARC无功补偿装置技术讲座塑壳断路器：动态投切开关：采用先进的大功率晶闸管电流零过度投切技术，在10ms内完成投切，实现零电流投入零电流切除，确保无涌流，无冲击；同时配置智能型微机数字驱动、保护模块。滤波电容器：中外合资佛山市顺德润华电力电容器有限公司该公司所生产滤波电容器，可以长期承受的谐波电流为基波电流的2倍。电容量制造精度小于1%，以保证滤波器有较低的谐振阻抗。电容器为防爆滤波电容器。滤波电抗器：采用铁芯闭合磁路结构，具有防止电磁场辐射的屏蔽磁路，不产生射频干扰影响其它控制设备，电感量制造精度小于1%。动态滤波无功补偿控制器电容器保护单元ARC动态无功补偿装置技术参数ARC无功补偿装置技术讲座1.额定工作电压：AC0.4kV～1kV电压畸变率： 满足GB/T14549－93《公用电网谐波》标准规定的要求。3.功率因数：COSφ≥0.904.工作电压、电流：装置允许在1.1倍的额定电压或1.3倍的额定电流下长期工作。5.动态响应时间：<20ms。补偿总容量：根据客户实际需求7.主接线方式：三相(角形接法)或星形接线。8.保护功能：装置设计有相应的保护及信号设施。主要有：短路保护；过流保护；过压保护；失压保护；单台电容器还有单台熔断器保护。ARC动态滤波补偿装置特点ARC无功补偿装置技术讲座1、动态投切开关通过控制晶闸管实现各次滤波器组无触点自动投切，采用先进的晶闸管柔性投切技术（FACTF）和特殊工艺设计的滤波器，避免了传统接触器投切及晶闸管过零投切时产生的涌流、暂态冲击，无需放电即可再投。延长了动态补偿系统的使用寿命。2、谐波滤除兼无功补偿不仅可以自动跟踪系统无功负荷变化，进行快速无功补偿，还可以滤除电力系统中的谐波电流，保证用户功率因数在规定的范围内。并且由于电容器与电抗器串联。3、响应迅速滤波器组由控制器控制投切，提高了滤波器组的快速响应能力，可根据配电系统的负荷情况动态频繁的投切。动态响应时间不超过20ms。

4、控制、装置功能先进功能强大、易于调试的液晶显示控制器，可实时显示系统电压、功率因数、投入系统滤波器的组数、系统电流等数据。可对功率因数、过压值、失压值、过流值、谐波畸变率值、投切延时等参数进行编程。有过压、过流、欠流等报警功能。5、合理的滤波补偿设计方案根据客户系统专门设计，滤波效果明显，补偿后功率因数满足要求。装置所采用的晶闸管投切电力滤波器这一新技术的应用，为配电系统提供了一种动态补偿提高功率因数、滤除谐波及稳定电压改善电能质量，降损节能的新手段。ARC动态滤波补偿装置优点1、准确的测量及完善的设计

设计滤波器的首要条件是谐波测量的准确性，有了准确的测量加上完善的设计才能得到良好的滤波效果。我公司采用的A级精度的电能质量测试仪保证了测量的准确性，采用的高端设计和仿真软件有效的保证了设计的完善性和可靠性。2、可靠的晶闸管触发

我公司研制开发的晶闸管触发控制电路，采用晶闸管柔性投切技术（FACTF）。这种技术可有效的解决采用传统晶闸管电压过零投切技术时产生的过电压、过电流、暂态冲击等问题。充分解决了晶闸管触发可靠性低、波形畸变、晶闸管损坏的问题。3、完善的保护

可以实现长期免维护。保护功能包括滤波器组过电流保护、晶闸管过热保护、过压保护、欠电压保护。运行可靠性高。4、精确迅速的控制 动态功率补偿装置的控制器的控制模块是以数字信号处理器DSP和高精度采样电路为基础，在每一个电网周期对所有数据进行分析。先进的控制方法，在5~20ms内计算出所需要无功补偿的技术，在谐波严重的情况下能进行理想的动态补偿。装置适用范围

该装置广泛应用于电力、钢铁、煤矿、铁道、石油、机械、冶炼、化工、造船、港口、轻工、建材、矿山等低压380v、660v、1000V供配电系统中，要求动态无功补偿且需要抑制或治理谐波的场合，尤其适用于轧机、电焊机、起重机、电梯、行车等有谐波，无功负荷较大且波动频繁的场合。

ARC无功补偿装置技术讲座各种负荷特点1、煤炭行业负荷特点

矿井提升机属于动态负荷，从提升机启动、稳定到制动一个工作周期一般在几分钟之内，而且在这一过程中无功变化大，功率因数在提升阶段最低（达到0.2左右），制动阶段则较高。提升机启动频繁，一般箕斗从井下提升到井上需要2～3分钟时间，其中加速时间约为10～12秒。大功率提升机普遍采用晶闸管供电的直流系统或交-交变频调速系统。对电网的供电质量要求较高，在供电突然中断时，容易产生危险事故，设备损坏，生产中断，造成企业重大损失。因此，煤矿企业负荷属于重要负荷，必须保证供电的可靠性。ARC无功补偿装置技术讲座2、港口负荷特点

码头主要负荷是卸船机、斗轮机、装船机、皮带机等设备，这些设备在生产过程中频繁起动，具有很大的波动性。特别是在吊装货物的过程中，无功波动更加明显，影响电压稳定。电网原采用固定式的电容补偿装置进行功率因数补偿，但存在以下问题：1）固定式电容补偿装置，由现场值班人员手动操作。2）功率因数达不到0.9，每年利率调整费额达到几十万元。3）备操作频繁，经常出现故障。4）维护量大。

ARC无功补偿装置技术讲座3、造船、汽车行业负荷特点 造船、汽车的焊装车间负荷以点焊机作为单相非线性负荷，具有短时工作制（1秒以内）、频繁工作、冲击电流大等特点，给系统带来一系列不良影响，主要有：1）导致电网三相电流严重不平衡，变压器发热严重；2）无功消耗大，功率因数偏低。如采用常规的接触器投切电容方式，反应速度慢，很难补偿到位，经常出现过补偿或负补偿，极易造成系统故障导致故障跳闸；3）产生高次谐波，电压畸变严重；4)存在严重电压闪变，系统电压不稳，造成焊接质量不稳定。ARC无功补偿装置技术讲座4、钢铁行业可逆式冷轧钢板轧机负荷特点 轧钢机生产线的电气传动采用晶闸管可控整流，带动轧钢直流电动机。是一种非线性负荷。主要特点：1）5、7、11、13次等高效次谐波含量大；2)主轧与卷取机功率因数低；3)负荷波动大；ARC无功补偿装置技术讲座5、铁路行业负荷特点 电气化铁路是重要的电力用户。电气化铁路牵引负荷是典型的单相非线性冲击负荷，它对电网的安全稳定和经济运行产生严重的不良影响，具体主要表现在：

1）采用单相供电，造成供电网三相不平衡

2）接触网因无功压降导致牵引网末端电压严重降低

3）产生负序电流

4）产生大量高次谐波，使电网电压波形发生畸变

5）功率因数低

6）对电网冲击大，影响电能质量ARC无功补偿装置技术讲座经济效益分析降损节能经济效益分析社会效益分析用途与效果无功功率的节约当量的定义和意义采用无功功率的节约当量估算投资回报终端用户经济效益分析配电变压器无功补偿经济效益分析改善电压质量、提高设备出力改善功率因数、提高设备出力典型负荷----电弧炉的节电效益ARC无功补偿装置技术讲座无功功率的节约当量的定义：无功功率的节约当量的定义ARC无功补偿装置技术讲座用于衡量当某负荷点增加或减少1kVar无功功率时，可以节约或增加的有功功率损耗值的大小，从而可以粗略估算负荷点进行无功补偿是否必要。无功功率的节约当量是根据实际网络和运行状况计算出的，不同的网络或不同的运行状况可能差异较大。典型数据：一般来说，三级变压器供电的无功功率的节约当量取值范围：0.10~0.15；四级变压器供电的无功功率的节约当量取值范围：0.12~0.20；配电变压器一般是三级或四级变压器供电。四级变压器供电的末端负荷的无功功率的节约当量取值范围：0.15~0.25。无功功率的节约当量的意义ARC无功补偿装置技术讲座设:无功功率的节约当量为：0.15（kW/kVar）燃煤发电投资为：4000(元/kW)我国产值能耗为：404（克标准煤/千瓦时）无功补偿容量最大利用小时数为6000小时政府投入1kVar动态无功补偿容量(目前市场行情是500元/kVar)采用无功功率的节约当量估算投资回报结论：

投资1千乏动态无功补偿容量，可以节省：发购电投资：600(元),此外,减少能源消耗和环境污染

4000(元/kW)X0.15（kW/kVar）X1（kVar）=600(元)每年节省煤耗：363.6（公斤标准煤）

404（克标准煤/千瓦时）X0.15（kW/kVar）X1（kVar）X6000(小时)=363600（克标准煤）=363.6（公斤标准煤）年节省电耗：

900（千瓦时）

0.15（kW/kVar）X1（kVar）X6000(小时)X0.5（元/千瓦时）=900（千瓦时）年节省电费：450（元）

900（千瓦时）X0.5（元/千瓦时）=450（元）投资回报:1、如果终端用户投入1kVar动态无功补偿，即投入500元，则：终端用户节电450元，一年多可收回投资；同时，政府节省发购电投资600元2、如果政府投入1kVar动态无功补偿，即投入500元，则：政府节省发购电投资600元，不到一年就可收回投资，同时终端用户节电450元。3、如果政府与终端用户各投资一半则：双方均半年左右就收回投资ARC无功补偿装置技术讲座减少电费支出增加设备出力提高生产质量和生产效率，降低生产成本减少生产或用电设备损耗，提高寿命终端用户经济效益分析补偿前功率因数节能效益ARC无功补偿装置技术讲座配电变压器无功补偿经济效益分析实际问题：变压器容量：1000kVA，补偿容量：480kVar

最大负荷年运行小时：5000小时补偿前功率因数：0.65，补偿后：0.98

标准功率因数：0.9，平均电价：0.5元/kW•h

补偿前线损率：12%，负荷率：0.7万元算一笔经济帐：可产生直接经济效益：(1)可提高终端用户的变压器供电能力：336.7kVA，1年内供电企业有可能多供电创收57.74万元，可以减少电力增容；(2)降低线损：53%，1年内降低电网电能损耗：10.91万元；(3)用户少支出低功率因数罚金：17.06万元/年;(4)用户可获高功率因数奖金：1.28万元/年；用户共增收节支：17.06+1.28=18.34万元/年投资回报期：如果终端用户投资动态无功补偿装置（24万），则1.3年收回投资。ARC无功补偿装置技术讲座计算依据：(1)1000(kVA)(1－0.65/0.98)=336.7(kVA)336.7(kVA)×0.98×5000(小时)×0.5(元/kW·h)×0.7=577,441(元/年)；(2)12%×53%[1]=6.36%,1000(kVA)×0.98×6.36%×5000(小时)×0.5(元/kW·h)×0.7=109,074(元/年)(3)1000(kVA)×0.65×5000(小时)×0.5(元/kW·h)×0.7×15%(增收率)[2],[3]=170,625(元/年)(4)1000(kVA)×0.98×5000(小时)×0.5(元/kW·h)×0.7×0.75%(减收率)[2],[3]=12,863(元/年)(5)480(kVA)×500(元/kVar)/(170,625+12,863)=1.3（年）ARC无功补偿装置技术讲座若补偿前电压为：V=0.9VN，补偿后的电压为V+

V=VN(额定电压)，则电动机负荷的力矩增加19%。即：V(2V+

V)=0.1×(2×0.9+0.1)VN=0.19VN2。