谈谈电力系统无功补偿装置

王鸣，范钧伟

(宁波电业局，浙江 宁波 315600)

1 引言

电力系统中由于无功功率的不足，会使系统电压及功率因数的降低，从而损坏用电设备，严重造成电压崩溃，系统瓦解，从而造成大面积停电事故，功率因数和电压的降低，还会使电气设备得不到充分利用，造成电能损耗的增加，效率的降低，限制了线路的送电能力，影响电网的安全运行以及用户的正常用电。电力系统需要采用装设无功补偿装置，在变电站中普遍使用并联电容器组来提高无功功率，保证系统的稳定。

随着科技的发展，原来人工根据电压和功率因素的大小投切电容器组，现在借助VQC可以按照事先设定的条件投切电容器组，使电容器组投切更加合理、及时，保证电力系统的电压质量。

由于各位行家对无功补偿的意义、电容器组电容器与电抗器组合压制谐波，限制合闸涌流等许多问题各抒己见，百家争鸣。本文从繁多的公式和推导中解放出来，从简单明了的手法，对无功补偿装置进行分析。

2 电力系统无功补偿装置投入的意义

我们通过一组数据的分析，得到比较清晰的结论:电力系统补偿装置是必不可少的设备。

当功率因素从 cosφ1=0.6提高到 cosφ2=0.85时，单位有功功率节省的视在功率为:

式中，ΔS—视在功率的节省量，kVARP;P—负载的有功功率，kW;cosφ1—电容器投入前的功率因数;cosφ2—电容器投入后的功率因数。

每kVAR电容器容量节省视在功率为:

减少输电线路电能损失，变压器铜损。当功率因素从cosφ1=0.6提高到cosφ2=0.85时，减少损失的百分值:

减少输电线路个设备的容量，提高电网的输送能力，cosφ2=0.85 比 cosφ1=0.60，提高输送功率的百分比为:

减少线路的电压降，提高受电端电压，改善电压的质量。

式中，ΔU—线路电压损失值，kV;U—线路电压，kV;P—线路有功负载，kW;Q—线路无功负载，kVAR;X—线路感抗，Ω;R—线路电阻，Ω。

由于就地补偿，线路Q减少，电压损失ΔU减少，上述数据则是一个说明特例，变电站功率因素控制在更高，一般在0.92～0.97之间。由此可知，无功补偿装置是保证电能质量，节能的最有效的方法，不但在变电站要装无功补偿装置，在其他企业也要装设，效果非常显著。

3 无功补偿装置并联电容器组和串联电抗器等配合问题

3.1 电容器谐波放大特性及抑制高次谐波措施

式中，Icn—流入电容器组的n次谐波电流，A;In—非正弦用电设备所产生的n次谐波电流，A;Xs—该电力系统的电抗，Ω;Rs—该电力系统的电阻，Ω;R—电容器总电阻，Ω。

式中，UCN—被要求制造的电容器额定电压，kV;US—变电站低压侧系统电压，kV;n—设计确定需要谐波次数。

一般说来，整流负荷的生产厂家产生矩形恒谐波电流源，变压器将产生3，5，7次谐波，但当变电站主变压器的低压侧三角形接线时，3次谐波被短路，主要是5次谐波，电弧炉主要是3次谐波，电气机车主要是3，5次谐波，通过电容器可放大几十倍的谐波电流，为了抑制3次谐波，可以先用电容器容量的12% ～13%的串联电抗器，为了抑制5次谐波，可以选用4.5% ～6%电抗器。

3.2 限制电容器组的合闸涌流

并联电容器组根据系统电压和无功补偿的变化进行投切，是操作频繁的设备，设电容器组中感抗的百分值为X0，容抗百分值为Xc，以容抗为100%比较，则，突然合闸的涌流为基波电流的倍数为:

设主变压器的电抗为电容器感抗比值的0.1%～1%，则代入上式为11～32.3倍。为了便于计算，取1%，当选择13%的滤去3次谐波的电抗器。则:

如果滤去5次谐波的6%电抗器则为:

仅仅是限制合闸涌流的1%电抗器，则为:

可见，限制效果很明显，因此对电容器的保护非常有效。

3.3 放电线圈的电阻放电和保护

并联电容器组的投切，在切除电容器组的时候，应在短时间内将电容器上的电荷放掉，以防止再次合闸时产生的大电流冲击和过电压，对单只电容器可以采用并联电阻或放电线圈自放电，对密集型电容器采用并在电容器两端的放电线圈，放电线圈一般设有二次绕组，可以作为测量和保护用。同时放掉了电容器上的剩余电荷，给安全带来了保证，但是如果单个熔丝熔断的电容器，需要个别放电才能工作，保证检修人员的安全。

放电线圈的设计较为简单，其实是个电阻，这里不再多讨论。

3.4 电容器过电压分析

并联电容器组的过电压，主要是由于投切电容器组引起的，如电容器上还有剩余电荷，短时间内再次合闸将会产生过电压，另外，合闸过电压的大小和断路器合闸相角密切相关。因此，选择三相合闸同时性较好的断路器对于防止高电压的产生是很有效的措施，同样，断路器分闸过程中也会产生过电压，分闸过电压包括截流过电压和重燃过电压，如果截流电流很少则截流过电压可以不考虑，过去的少油断路器经常损坏，就是这个原因，所以要选择重燃少的断路器，优质的真空断路器或SF6断路器，是防止过电压产生的有效措施，另外，可以采用氧化物避雷器对过电压加以限制。

4 并联电容器组的运行分析

并联电容器的接线一般分为三角形或星形接线(包括双三角形或双星形接线)，三角形接线的优点是不受电容器三相容抗不平衡的影响，可补偿不平衡电荷，可形成3n次谐波通道，对消除3n次谐波有利，缺点是短路电流大，选用继电保护方式少，只用于6kV的以下的小容量电容器组。

星形接线优点设备故障电流较少，继电保护构成方便，设备布置清晰，缺点是对3n次谐波没有通道，广泛应用与6kV以上的并联电容器组，加装串联电抗器后可以滤去高次谐波。

电容器组运行条件比较苛刻，电容器的运行温度是保证其安全运行的重要条件之一，根据不同的介质材料，给定一个最高允许温度，只要控制在规定的温度内才可以保证不受损坏。

运行电压对电容器的影响。电容器的无功功率与电压的平方成正比，因此过高的电压对电容器的容量有影响，同时，电压的升高，会使电容器的温度升高，寿命减少和损坏。一般控制电压在电容器的额定电压的1.1倍。

电压的升高也会引起电容器的过流，电容器组应能在1.3倍额定电流内长期工作，超过1.3倍则应退出运行。

电压波形畸变和升高对电容器的影响，虽然经过电抗器的作用，消除了大部分谐波电流，但是安装6%电抗器，只消除5次谐波，对于3次谐波还是存在潜在的威胁。

此外在运行中，雷击，低压侧母线短路等，对电容器的损坏也时有发生。个别击穿也时有发生，加强对电容器的设备巡视，和借助红外线测温等手段，是防止电容器组故障的重要手段。

5 结束语

本文从理论上分析电容器组的各电气组成部分的各种数据和计算，避开复杂的计算，采用较为现实的计算方法，系统地概述了电容器组各电气设备的配合问题，同时分析运行工况，对于电容器组的各元件设备的定型，电力安装设计，运行注意点具有一定的意义。

［1］方世琦，王鸣.并联电容器组使用两种电抗率混装时涌流计算问题［J］.电力电容器，1993，1.

［2］范钧伟.无功补偿中限流电感配置和设计计算［J］.电气开关，1999 年，5.

［3］赵可盖.电力电容器的节能效益［J］.电力电容器，1985，1.

［4］范钧伟.谈城区变电站无功补偿装置中的户内空心串联电抗器的设计和应用［J］.电气开关，2001，6.

［5］刘乾业.并联电容器组用串联电抗器限制高次谐波和涌流［J］.电力电容器，1981，3.

［6］范钧伟，水航东.谈各种串联电抗器设计在无功补偿装置中的应用［C］//电力电容器学会2000年论文集.中国电机工程学会.

［7］周盛锋，范钧伟.浅谈变电站对高次谐波的抑制［J］.电气开关，2003，4.

［8］黄相元.并联电容器投切电路的暂态分析［J］.电力电容器，1986，2.