无功补偿装置的设计

王晓梅 王贤民

（1.合肥水泥研究设计院，合肥 230051；2.南京工程学院，南京 211157）

无功补偿装置的设计

王晓梅1王贤民2

（1.合肥水泥研究设计院，合肥 230051；2.南京工程学院，南京 211157）

无功补偿技术对用电企业提高电网运行质量十分重要。本文对无功补偿方法与关键技术进行了分析，并通过实际案例介绍了无功补偿装置的设计方法与注意事项，无疑将对无功补偿技术的应用起到推动作用。

无功补偿技术；电网；设计；装置

1 引言

无功补偿技术对于提高电力系统的电能质量和挖掘电网的潜力是十分必要的，是用电企业节能降耗有效措施之一。其主要作用包括提高负载和系统的功率因数、减少设备容量和功率损耗，稳定电压，提高供电质量，提高系统输电稳定性和输电能力，平衡三相负载的功率等。因此，无功功率补偿已成为保证电网高质量运行的重要手段之一，是水泥厂电力系统设计中研究的一个重大课题，。也是在配电网改造中推广无功补偿技术的一个值得关注的实际课题。

2 电网中的无功损耗

电力系统由输配电线路、升降压变压器、配电变压器、用户电力负荷等各个功能环节所组成。电能在电压的作用下，以电流的形式在电力系统的各个功能环节中流动，为用户提供期望的能量，同时也存在着不可忽视的能量损耗。特别是系统中无功功率负荷和无功功率网损，在电网中几乎无处不在，不但造成大量能源的浪费，同时也严重地影响了电能的质量。

2.1 用户端的无功损耗

用户端的用电设备，基本上以感性负荷为主，其无功损耗主要由励磁损耗和漏磁损耗所构成，其功率因数约为0.6～0.9之间。 由此可推出，用户端负荷的功率因数角约在53°～26°之间，根据功率三角形，功率因数角的正切值 tgφ≈1.33～0.49，也就是说，用户端的无功功率需求是有功功率需求的0.49～1.33倍。可见，用户端无功负荷之大，是不可忽视的，即：用户侧是无功功率的最大需求侧。

2.2 变压器的无功损耗

变压器的无功损耗同样由励磁损耗和漏磁损耗构成，根据运行状态，可分为空载和负载两种状态。变压器空载无功损耗≈3%；有（满）载运行时，变压器的无功损耗＝变压器空载无功损耗（约3%Sn）＋漏磁无功损耗增量（约 3%）＋向用户端输出的无功功率。如果从电源到用户需要经过好几级变压，则变压器的无功损耗就是一个很大的数字。

2.3 输配电线路的无功损耗

电力线路上的无功损耗，主要体现在串联电抗上的感性无功损耗和并联电纳上的容性充电损耗。线路电抗上的感性无功损耗与电流的平方成正比、与电压的平方成反比：

可见，负荷功率（有功＋无功）越大，线路上的无功损耗越大；线路电压越低，无功损耗越大。由上述分析可见：无功功率是由负荷性质和电网结构决定的，是不可消除的。 无功功率产生了无功损耗，使发、变、配电设备有效利用率降低，网损增大，电能质量下降，能源浪费严重，供用电成本增高。

3 无功补偿方法

（1）区域性中心变电站，无功负荷波动平缓，其35kV及以上电压等级，可采用固定补偿（FC）方式，对下级电网漏补的无功功率进行补偿。其补偿容量为系统的稳态无功需量。其特点是结构简单、维护方便、造价低廉、运行安全。

（2）临近负荷中心的中小型变电站和企业变电站，无功负荷波动较大，宜在10（6）kV母线上配置母线集中自动补偿（MSC），用于补偿大负荷时段低压侧漏补的无功功率，和各个配电变压器的空载无功损耗。其补偿容量依据低压侧补偿状态和目标功率因数，通过计算确定。其特点为补偿装置随系统无功功率的波动自动调整（分组投切或改变电容器端电压）补偿电容器的容量，减少了欠补和过补的现象，使无功就地平衡的效果明显。

（3）对0.4kV低压母线集中自动补偿（MSC、TSC），用于对低压负荷无功功率进行直接补偿。其补偿容量按自然功率因数和目标功率因数计算得出，其电容器分组（含分相和共补）按无功负荷曲线或经验值确定。其特点是就近提供无功，对降低网损效果特别明显。

（4）大功率高低压电动机随机固定补偿（FC），用于补偿电动机的空载无功损耗。其容量为电容器电流小于电动机空载电流的90%以下，以避免产生自激振荡。其特点为结构简单，电容器并联在电动机定子上，与电动机同时起动或停止，真正实现了无功功率的就地平衡。

（5）对于具有谐波源且无功功率波动平缓（如：电解工艺、充电整流等）的系统，可采用 LC单调谐无源滤波器，在滤除特征谐波的同时，实现无功补偿功能。其特点是结构简单，造价低廉。

（6）对于具有谐波源的大功率突变性负荷（如：矿井提升机、轧钢机等），宜采用静止式动态无功补偿装置（SVC），该装置由容性FC滤波补偿支路和感性相控电抗器 TCR（或磁控电抗器 MCR）两部分组成。其特点是根据无功需量自动改变晶闸管阀组的触发角以改变电抗器的感性电流，反应速度＜20ms，特别适合于冲击性负荷的无功补偿。

（7）APF有源电力滤波器，一种新型的电力电子自适应滤波装置。该装置利用大功率全控型电力电子器件和PWM脉宽调制技术，根据电网瞬时谐波状态，自动产生与系统谐波等值反向的补偿电流，从而使电网电流只含有基波分量。

4 无功补偿装置的设计

（1）设计主要的依据。国家标准有GB 50227－2008《并联电容器装置设计规范》，SD 325－1989《电力系统电压和无功电力技术导则》，GB/T 14549－93《电能质量与公用电网谐波》DL/T 604－1996〈高压并联电容器装置订货技术条件〉，GB/T 15576－2008〈低压成套无功功率补偿装置〉GB/T 20298－2006〈静止无功补偿装置（SVC）功能特性〉等。

（2）要达到“节能降耗”的目的，无功补偿装置必须要有一定的运行效果，其具体的运行效果，主要体现在以下几个方面：①功率因数明显提高，并达到电力系统力率考核的标准。②系统总电流明显下降。③系统电压趋于稳定。④供电设备的带负载能力明显提高。⑤系统无功损耗（线损和变损）明显降低。⑥系统谐波含有率满足GB/T 14549的规定，且不引起系统谐振。⑦供用电成本明显降低，企业经济效益明显提高。⑧供电设备温升降低，设备的安全性和使用寿命提高。⑨补偿设备自身运行安全可靠，设备投资回收期约为1年，基本使用寿命在5年以上。

（3）无功补偿设计中要注意一些问题，如电容器过载、变压器及传输设备的过载等，对计算机及电气传动装置的干扰及谐振增加，即谐波放大。特别注意一下关键技术的处理。

1）补偿方式问题。首先要实现无功就地平衡，即注意补偿用户的功率因数，同时必须通过计算无功潮流，确定各点的最优补偿量、补偿方式，降低电力网的损耗，达到最有效的降损，才能使有限的资金发挥最大的效益。

2）谐波问题。电容器具备一定的抗谐波能力，但谐波含量过大时会对电容器的寿命产生影响；由于电容器对谐波有放大作用，因而使系统的谐波干扰更严重，使电压畸形。另外，较大谐波干扰影响，使测量及控制系统的控制失灵。在需补偿无功的地点，应考虑滤波装置。

3）无功倒送问题。无功倒送会增加线路和变压器的损耗，加重线路负担。在三相负荷不对称的情况下，只选择一相作采样和无功分析，就可能造成无功倒送，采用固定电容器补偿方式的无功补偿装置，在负荷低谷时，也可能造成无功倒送。因此，无功补偿装置应能根据系统的无功变化，及时地进行调整，避免无功倒送。

5 应用实例

以下为越南缘何 5000t/d熟料水泥生产线高压补偿系统，该系统采用了母线集中自动补偿和电动机就地固定补偿两种补偿方式。图2是原料磨工段补偿点位置图。

图2 是原料磨工段补偿点位置图

（1）母线集中自动补偿 水泥磨工段6kV母线集中自动补偿方案如图3所示。

图3 水泥磨工段6kV母线集中自动补偿方案

设计说明如下。

总容量分两组，每组1台柜子，共两面柜；可实现4级补偿，各级补偿容量如下：0，600，1200，1800kvar；电抗率6%，可抑制涌流并滤除高次谐波；采用真空接触器有利于频繁投切；采用内熔丝实现电容器过载、短路保护；采用避雷器实现电容器瞬时过压保护；采用HW控制器实现实时跟踪补偿；采用电磁锁对隔离开关进行五防闭锁保护；采用HWCZB电容综合保护器实现对支路过流、速断、开口与不平衡保护。

（2）电动机就地固定补偿。窑头高压电动机固定补偿装置系统如图4所示。

图4 窑头高压电动机固定补偿装置系统

设计说明如下。

对电动机空载无功进行就地补偿；额定电流：35A；使用条件：电动机空载电流大于 39A；工作条件：与电动机同步投切；采用内熔丝实现电容器过载、短路保护；采用避雷器实现电容器瞬时过压保护；采用电磁锁对隔离开关进行五防闭锁保护；整机过载、短路、缺相等由开关柜保护。

（3）补偿装置设计中主要参数的确定

1）电抗率K的选择

仅用于限制涌流时，K=0.1%～1.0%，其效果应使投入时涌流小于电容器回路额定电流的20倍。

当用于抑制5次及以上谐波时，K=4.5%～5.0%

当用于抑制3次及以上谐波时，K=12%，亦可采用4.5%～5.0%与12%两种电抗率混装的方式。

2）电容器的额定电压

电容器回路串联了电抗率为K的电抗器后，将引起电容器端电压的升高，所以，电容器的额定电压必须相应提高。

串联不同电抗率的电抗器，电容器需要的端电压按下式计算：

3）有电抗器时补偿容量的计算

首先计算出串联电抗率为K的电抗器时，所需要的电容器额定端电压 Uc，根据 Uc选取电容器标准系列的额定电压值 Uce（Uce＞Uc）则：装机容量Qzj，补偿容量Qbc由下式确定：

4）电容器补偿容量的几种确定方法

按主变容量的 10%～30%配置电容器总补偿容量，35～110kV电压等级，可按主变容量的10%～25%配置补偿容量；10kV公用配电网，可按主变容量的20%～40%配置补偿容量。补偿效果要求：在主变最大负荷时，一次侧功率因数≥0.95；在主变低谷负荷时，一次侧功率因数≤0.95。

6 结论

本文结合水泥厂电力系统设计中的无功补偿装置的设计，对无功补偿技术开展了研究，总结了实现无功补偿的方法，提出了无功补偿装置设计中应该注意的事项，通过具体的应用案例给出了计算公式，对无功补偿装置的设计将有所帮助，对无功补偿技术应用推广将是非常有益的。

[1] 王兆安,杨君,刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,2004.

[2] 苑舜,韩水.配电网无功优化及无功补偿装置[M].北京:中国电力出版社,2003.

[3] 靳龙章,丁毓山.电网无功补偿实用技术[M].北京:中国水利水电出版社,2006.

[4] 王晓丽.供配电系统[M].北京:机械工业出版社,2004.

Design of Reactive Power Compensation Equipment

Wang Xiaomei1 Wang Xianmin2
(1.Hefei Design and Academe of cement, Hefei 230051；2.Mechanical Engineering Department of Nanjing Engineering Institute, Nanjing 211157)

Reactive power compensation technology is very important to improve the operation quality of power grid in electricity enterprise. This article contributed to the analysis of the reactive power compensation technology and related key technique and introduces the design method of reactive power compensation device and its important notes through real case, which will promote the application and promotion of the reactive power compensation technology.

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王晓梅（1959-），女，籍贯：浙江省宁波市，工作单位：合肥水泥设计研究院，高级工程师及国家注册电气工程师，研究方向：电气设备及其自动控制。