無功補償原理

無功功率的來源

無功功率是交流電力系統特有的、必然存在的、不可或缺的一種交換功率，它在系統中的分佈和流動對電能品質、電壓水準、網路損耗產生顯著的影響。

發電及多數用電設備均是根據電磁感應原理工作的，如發電機、變壓器和電動機等。它們通過建立交變的磁場進行能量的轉換與傳輸，其中發電及和電動機可以將磁場能量與機械能量進行有功功率的轉換。

同時，大至供電電網，小至所有導體，其所傳輸的電能並不是集中在電纜導體內部，而是通過在導體周圍空間中建立起交變的電磁場進行傳輸。電纜導體只起著導向該電磁場的作用。

為建立交變電磁場和感應磁通所需要的電能功率稱為無功功率，其代表負荷與電源之間能量來回交換的一種量度，而且一般只有當有儲能元件時才有這種能量交換。因此，在供用電系統中除了需要傳輸有功能量外，還需要建立起無功能量，兩者缺一不可。

功率因數的定義

在功率三角形中，基波功率因數PF的計算公式為：

，S為視在功率，P為有功功率。

習慣上，規定電感性負載吸收的無功功率為正，電容性負載吸收的無功功率為負。

電力系統的電網及變壓器的電能傳輸轉換能力均體現為對視在功率的傳輸能力。而功率因數可以反映電網及變壓器的輸出能力被有效利用的程度，因此我們希望功率因數越高越好，則建立交變電磁場的無功功率可以降到最低，視在功率將大部分用來供給有功功率，從而提高電網電能輸送的能力。

影響功率因數的主要因素

1、電感性設備。

非同步電動機、感應電爐、交流電焊機等設備是無功功率的主要消耗者。據統計，在工礦企業所需要的全部無功功率中，非同步電動機需要的無功占60％～70％；而在非同步電動機空載時所需的無功又占到電動機總無功消耗的60％～70％。非同步電動機吸收的無功功率與負載大小有關，一般滿載時功率因數為0.7～0.9，輕載時功率因數將降低。

2、變壓器。

傳輸大功率的變壓器阻抗（漏抗）為其基值的8％～11％，配電變壓器阻抗為其基值的2％～4％。多數配電變壓器工作在一定的飽和度下，使得無功功率對電壓十分敏感。變壓器需要的無功功率一般約為其額定容量的10％～15％，它的空載無功功率約為滿載時的1/3。因此，為了改善電力系統和企業的功率因數，應避免變壓器輕載運行，並及時退出空載運行的變壓器。

3、變流裝置。

晶閘管控制的變流裝置，如直流輸電的換流站、煉鋁等大工業整流負荷在換流過程中需要大量的無功功率。一般的整流器吸收的無功功率約為直流輸送功率的30％～40％，逆變器吸收的無功功率約為40％～60％。

4、電壓波動。

若供電電網的電壓高於額定值10％，會使得感性負載的磁路飽和，其無功功率將增加35％左右。所以，應當採取措施使電力系統的供電電壓盡可能保持穩定。

無功功率傳輸的困難

無功功率的傳輸條件和有功功率不同，不宜遠距離輸送，當輸送功率與傳送距離達到一定極限時，傳送無功功率成為不可能。其困難有：

1、無功功率傳輸要求顯著的電壓幅值梯度，即無功功率只能由電壓高的一端流向電壓低的一端，輸出電壓線路維持電壓幅值分佈在（1±5%）p.u.左右的要求限制了無功功率的傳輸。

2、傳輸無功功率會引起電壓降落，這與電網維持各節點合格的電壓水準要求相矛盾。

3、傳輸無功功率會引起網路有功功率損失，要使損失最小，必須使無功功率傳輸最小，在傳輸很大有功功率的時候要傳輸無功功率更為困難。和有功功率傳輸相比，遠距離輸送無功功率，在經濟上是不合理的，在技術上也是困難的。

4、傳輸無功功率可能導致“甩負荷”後危險的暫態過電壓，“甩負荷”引起的線路末端出現的暫態過電壓主要由無功功率傳輸確定。

5、傳輸無功功率需要增大變壓器和電纜等設備容量。

故而國家電力系統規定要在各個用電末端補償無功功率。而電力系統中需要的無功功率遠遠大於發電及所能提供的無功功率，這是由於現代超高壓電網包括各級變壓器和架空線路在傳送電能時需要大量的無功。

平衡無功的目的

1、維持供電電壓品質，包括電壓幅值和波形。

中國城網和農村電網都存在著不同程度的電能品質問題，城網中有些負荷點電壓諧波、閃變嚴重，農網中有些負荷點電壓偏低等。

電壓偏離額定值並超出所規定的範圍時，對用電設備將產生不良的後果。當電壓降低10％時，電動機電磁轉矩大約降低19％，此時，如電動機拖動的機械負載的阻力矩不變，電動機的轉差率將增大，發熱增加，繞組溫度升高，加速了絕緣介質的老化，大大影響其使用壽命。如電壓太低，將導致電動機停轉。而對於居民用戶的照明燈將使其發光不足，影響人們的視力和工作效率。

另外，如果電壓偏移太大，也會對電力系統本身有不利的影響。電壓過低，會使網路中的功率和能量損耗加大；如果電壓太低，可能會危及電力系統運行的穩定性。電壓過高時，系統中各種電氣設備的絕緣可能遭受到損壞。

2、降低配電網損耗。

中國電網總的網損較高，至2005年中國電網線損為7.18％，雖然比1980年的8.93％有較大下降，但比國際先進水準比還差幾個百分點。農村低壓配電網線損率超過12％，個別達到20％以上。

無功功率補償的意義

無功補償就是吸收或發出適度的無功功率以補償無功功率需求的變化。無功補償的目的就是要使電力系統達到分層分區的無功功率平衡，無功功率平衡的基本要求是：系統中的無功電源可能發出的無功功率應該稍大於或至少等於負荷和網路所需的無功功率之和。為保證運行可靠性和適度無功負荷的增長，系統還必須有一定的無功備用容量。

達到以下效果：

1、改善負荷功率因數。

2、維持電壓水準。

3、改善電能品質。

4、提高電力系統靜態和動態穩定性。

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