无功补偿原理

无功功率的来源

无功功率是交流电力系统特有的、必然存在的、不可或缺的一种交换功率，它在系统中的分布和流动对电能质量、电压水平、网络损耗产生显著的影响。

发电及多数用电设备均是根据电磁感应原理工作的，如发电机、变压器和电动机等。它们通过建立交变的磁场进行能量的转换与传输，其中发电及和电动机可以将磁场能量与机械能量进行有功功率的转换。

同时，大至供电电网，小至所有导体，其所传输的电能并不是集中在电缆导体内部，而是通过在导体周围空间中建立起交变的电磁场进行传输。电缆导体只起着导向该电磁场的作用。

为建立交变电磁场和感应磁通所需要的电能功率称为无功功率，其代表负荷与电源之间能量来回交换的一种量度，而且一般只有当有储能元件时才有这种能量交换。因此，在供用电系统中除了需要传输有功能量外，还需要建立起无功能量，两者缺一不可。

功率因数的定义

在功率三角形中，基波功率因数PF的计算公式为：

，S为视在功率，P为有功功率。

习惯上，规定电感性负载吸收的无功功率为正，电容性负载吸收的无功功率为负。

电力系统的电网及变压器的电能传输转换能力均体现为对视在功率的传输能力。而功率因数可以反映电网及变压器的输出能力被有效利用的程度，因此我们希望功率因数越高越好，则建立交变电磁场的无功功率可以降到最低，视在功率将大部分用来供给有功功率，从而提高电网电能输送的能力。

影响功率因数的主要因素

1、电感性设备。

异步电动机、感应电炉、交流电焊机等设备是无功功率的主要消耗者。据统计，在工矿企业所需要的全部无功功率中，异步电动机需要的无功占60％～70％；而在异步电动机空载时所需的无功又占到电动机总无功消耗的60％～70％。异步电动机吸收的无功功率与负载大小有关，一般满载时功率因数为0.7～0.9，轻载时功率因数将降低。

2、变压器。

传输大功率的变压器阻抗（漏抗）为其基值的8％～11％，配电变压器阻抗为其基值的2％～4％。多数配电变压器工作在一定的饱和度下，使得无功功率对电压十分敏感。变压器需要的无功功率一般约为其额定容量的10％～15％，它的空载无功功率约为满载时的1/3。因此，为了改善电力系统和企业的功率因数，应避免变压器轻载运行，并及时退出空载运行的变压器。

3、变流装置。

晶闸管控制的变流装置，如直流输电的换流站、炼铝等大工业整流负荷在换流过程中需要大量的无功功率。一般的整流器吸收的无功功率约为直流输送功率的30％～40％，逆变器吸收的无功功率约为40％～60％。

4、电压波动。

若供电电网的电压高于额定值10％，会使得感性负载的磁路饱和，其无功功率将增加35％左右。所以，应当采取措施使电力系统的供电电压尽可能保持稳定。

无功功率传输的困难

无功功率的传输条件和有功功率不同，不宜远距离输送，当输送功率与传送距离达到一定极限时，传送无功功率成为不可能。其困难有：

1、无功功率传输要求显著的电压幅值梯度，即无功功率只能由电压高的一端流向电压低的一端，输出电压线路维持电压幅值分布在（1±5%）p.u.左右的要求限制了无功功率的传输。

2、传输无功功率会引起电压降落，这与电网维持各节点合格的电压水平要求相矛盾。

3、传输无功功率会引起网络有功功率损失，要使损失最小，必须使无功功率传输最小，在传输很大有功功率的时候要传输无功功率更为困难。和有功功率传输相比，远距离输送无功功率，在经济上是不合理的，在技术上也是困难的。

4、传输无功功率可能导致“甩负荷”后危险的瞬时过电压，“甩负荷”引起的线路末端出现的瞬时过电压主要由无功功率传输确定。

5、传输无功功率需要增大变压器和电缆等设备容量。

故而国家电力系统规定要在各个用电末端补偿无功功率。而电力系统中需要的无功功率远远大于发电及所能提供的无功功率，这是由于现代超高压电网包括各级变压器和架空线路在传送电能时需要大量的无功。

平衡无功的目的

1、维持供电电压质量，包括电压幅值和波形。

中国城网和农村电网都存在着不同程度的电能质量问题，城网中有些负荷点电压谐波、闪变严重，农网中有些负荷点电压偏低等。

电压偏离额定值并超出所规定的范围时，对用电设备将产生不良的后果。当电压降低10％时，电动机电磁转矩大约降低19％，此时，如电动机拖动的机械负载的阻力矩不变，电动机的转差率将增大，发热增加，绕组温度升高，加速了绝缘介质的老化，大大影响其使用寿命。如电压太低，将导致电动机停转。而对于居民用户的照明灯将使其发光不足，影响人们的视力和工作效率。

另外，如果电压偏移太大，也会对电力系统本身有不利的影响。电压过低，会使网络中的功率和能量损耗加大；如果电压太低，可能会危及电力系统运行的稳定性。电压过高时，系统中各种电气设备的绝缘可能遭受到损坏。

2、降低配电网损耗。

中国电网总的网损较高，至2005年中国电网线损为7.18％，虽然比1980年的8.93％有较大下降，但比国际先进水平比还差几个百分点。农村低压配电网线损率超过12％，个别达到20％以上。

无功功率补偿的意义

无功补偿就是吸收或发出适度的无功功率以补偿无功功率需求的变化。无功补偿的目的就是要使电力系统达到分层分区的无功功率平衡，无功功率平衡的基本要求是：系统中的无功电源可能发出的无功功率应该稍大于或至少等于负荷和网络所需的无功功率之和。为保证运行可靠性和适度无功负荷的增长，系统还必须有一定的无功备用容量。

达到以下效果：

1、改善负荷功率因数。

2、维持电压水平。

3、改善电能质量。

4、提高电力系统静态和动态稳定性。

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