浅谈电力系统的电压质量暨无功功率补偿

摘 要：本文探讨了功率因数对广大供电企业的影响以及提高功率因数所带来的经济效益和社会效益，介绍了影响功率因数的主要因素和提高功率因数的几种方法，还讨论了目前所通用的几种无功电源及其特点。这对供电企业是十分有益的。

关键词：电网 电压 无功功率补偿

电压是电能质量的重要指标之一，电压质量对电网稳定及电力设备安全运行、线路损失、安全生产、人民生活用电都有直接影响。可以说，电压问题就是本质上就是无功问题，解决好无功补偿问题具有十分重要的意义。

在电力网的运行中，无功电力是影响电压质量的一个重要因素，电压质量与无功是密不可分的，功率因数反映了电源输出的视在功率被有效利用的程度，我们希望的是功率因数越大越好。这样电路中的无功功率可以降到最小，视在功率将大部分用来供给有功功率，从而提高电能输送的功率。

吉林石油集团是一家以采油为主体，多种经营为特色的大型石油化工企业。主要年生产油气700万吨，下属供电公司总装机容量为380000KVA，设有66kv/6～10kv变电所30余座，年用电量12.6亿KVA*H。

一、影响我油田功率因数的主要因素

1.大量的电感性设备对功率因数影响

如异步电动机、交流电焊机等设备是无功功率的主要消耗者。我油田绝大部分动力负荷都是异步电动机，据统计，所消耗的全部无功功率中，异步电动机的无功消耗占了70～80%；而在异步电动机空载时所消耗的无功又占到电动机总无功消耗的50～60%。所以要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率。

2.电力变压器对功率因数的影响

电力变压器的无功功率消耗，是由于变压器的变压过程是由电磁感应来完成的，是由无功功率建立和维持磁场进行能量转换的。没有无功功率，变压器就无法变压和输送电能。变压器消耗无功的主要是空载无功功率，变压器消耗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，为了改善电力系统电压质量，提高变压器的功率因数就必须降低变压器的无功损耗，避免变压器空载运行或长期处于低负载运行状态。

3.电压对功率因数影响

当供电电压高于额定值的10%时，由于磁路饱和的影响，无功功率将增长得很快，据有关资料统计，当供电电压为额定值的110%时，一般无功将增加35%左右。当供电电压低于额定值时，无功功率也相应减少而使它们的功率因数有所提高。但供电电压降低会影响电气设备的正常工作。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。

二、无功补偿的一般方法

无功补偿通常采用的方法主要有3种：低压分散补偿、低压集中补偿、高压集中补偿。下面简单介绍这3种补偿方式及优缺点。

1.低压分散补偿

低压分散补偿就是根据个别用电设备对无功的需要量将移相电容器单台或多台分散地装设用电设备上。这种补偿方式能够补偿安装部位前的所有高低压线路和变电所主变压器的无功功率，因此它的补偿范围最大，效果也较好。但是这种补偿方式总的设备投资较大。

2.低压集中补偿

低压集中补偿是指将低压电容器通过低压开关接在配电变压器低压母线侧。具有接线简单、运行维护工作量小，使无功就地平衡，从而提高配变利用率，降低网损等优点。

3.高压集中补偿

高压集中补偿是指将并联电容器组直接装在变电所的6～10kV高压母线上的补偿方式。这种补偿方式只能补偿10KV母线前（电源方向）所有线路上的无功功率，而此母线后的配电线路没有得到无功补偿，适用于用户远离变电所或配电线路比较长，用户本身又有一定的高压负荷时，补偿装置根据负荷的大小自动投切，从而合理地提高了功率因数，避免功率因数降低导致电费的增加。同时便于运行维护，补偿效益高。

三、采取适当措施，设法提高系统自然功率因数

提高自然功率因数是不需要任何补偿设备投资，仅采取各种管理上或技术上的手段来减少各种用电设备所消耗的无功功率，这是一种最经济的提高功率因数的方法。

1.根据负荷合理选择电动机功率

2.提高异步电动机的检修质量

3.采用同步电动机：同步电动机消耗的有功功率取决于电动机上所带机械负荷的大小，而无功功率取决于转子中的励磁电流大小，在欠励状态时，定子绕组向电网"吸取"无功，在过励状态时，定子绕组向电网"送出"无功。

4.合理选择变压器的容量，调整负荷结构、改善配电变压器的运行方式：对负载率比较低的，一般采取"撤、换、并、停"等方法，使其负载率提高到最佳值，从而改善电网的自然功率因数。

四、 无功电源

电力系统的无功电源除了同步电机外，还有并联电容器、静止无功补偿器以及静止无功发生器，这4种装置又称为无功补偿装置。除电容器外，其余几种既能吸收容性无功又能吸收感性无功。

1.同步电机

同步电机中有发电机、电动机及调相机3种。

1.1同步发电机

同步发电机是唯一的有功电源，同时又是最基本的无功电源，当其在额定状态下运行时，可以发出无功功率：

Q=S×sinφ=P×tgφ

其中：Q、S、P、φ是相对应的无功功率、视在功率、有功功率和功率因数角。

发电机正常运行时，以滞后功率因数运行为主，向系统提供无功，但必要时，也可以减小励磁电流，使功率因数超前，即所谓的"进相运行"，以吸收系统多余的无功。

1.2同步调相机

同步调相机是空载运行的同步电机，它能在欠励或过励的情况下向系统吸收或供出无功，装有自励装置的同步电机能根据电压平滑地调节输入或输出的无功功率，这是其优点。但它的有功损耗大、运行维护复杂、响应速度慢，近来已逐渐退出电网运行。

2.并联电容器

并联电容器补偿是目前使用最广泛的一种无功电源，由于通过电容器的交变电流在相位上正好超前于电容器极板上的电压，相反于电感中的滞后，由此可视为向电网“发送”无功功率：

Q=U2/Xc

其中：Q、U、Xc分别为无功功率、电压、电容器容抗。

并联电容器本身功耗很小，装设灵活，节省投资；由它向系统提供无功可以改善功率因数，减少由发电机提供的无功功率。

3.静止无功补偿器

静止无功补偿器是由晶闸管所控制投切电抗器和电容器组成，由于晶闸管对于控制信号反应极为迅速，而且通断次数也可以不受限制。当电压变化时静止补偿器能快速、平滑地调节，以满足动态无功补偿的需要，同时还能做到分相补偿；对于三相不平衡负荷及冲击负荷有较强的适应性；但由于晶闸管控制对电抗器的投切过程中会产生高次谐波，为此需加装专门的滤波器。

4.静止无功发生器

它的主体是一个电压源型逆变器，由可关断晶闸管适当的通断，将电容上的直流电压转换成为与电力系统电压同步的三相交流电压，再通过电抗器和变压器并联接入电网。适当控制逆变器的输出电压，就可以灵活地改变其运行工况，使其处于容性、感性或零负荷状态。

与静止无功补偿器相比，静止无功发生器响应速度更快，谐波电流更少，而且在系统电压较低时仍能向系统注入较大的无功。

五、结束语

本文集中探讨了功率因数对广大供电企业的影响以及提高功率因数所带来的经济效益和社会效益，介绍了影响功率因数的主要因素和提高功率因数的几种方法，还讨论了目前所通用的几种无功电源及其特点。这对供电企业是十分有益的。