摘要：本文主要从电力电容器的补偿原理、补偿的特点、无功补偿方式、电容器补偿容量的计算及电容器安全运行这几个方面进行阐述
绪论
随着国民经济的发展,用电负荷的增加,必然要求电网系统利用率的提高。但由于接入电网的用电设备绝大多数是电感性负荷,自然功率因素低,影响发电机的输出功率;降低有功功率的输出;影响变电、输电的供电能力;降低有功功率的容量;增加电力系统的电能损耗;增加输电线路的电压降等。因此,连接到电网中的大多数电器不仅需要有功功率,还需要一定的无功功率。无功,简单的说就是用于电路内电场与磁场的交换,并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。电机和变压器中的磁场靠无功电流维持,输电线中的电感也消耗无功,电抗器、荧光灯等所有感性电路全部需要一定的无功功率。为减少电力输送中的损耗,提高电力输送的容量和质量,必须进行无功功率的补偿。
目前,在110kV及以下的电网中,常安装电力电容器组来进行无功功率补偿,这是一种实用、经济的方法。而采用无功补偿,具有减少设计容量;减少投资;增加电网中有功功率的输送比例,降低线损,改善电压质量,稳定设备运行;可提高低压电网和用电设备的功率因素,降低电能损耗和节能;减少用户电费支出;可满足电力系统对无功补偿的检测要求,消除因为功率因素过低而产生的罚款等优点。
一、电力电容器的补偿原理
电容器在原理上相当于产生容性无功电流的发电机。其无功补偿的原理是把具有容性功率负荷的装置和感性功率负荷并联在同一电容器上,能量在两种负荷间在就地转换。这样,电网中的变压器和输电线路的负荷降低,从而输出有功能力增加。在输出一定有功功率的情况下,供电系统的损耗降低。可见电容器是减轻变压器、供电系统和工业配电负荷的最简便、最经济的方法。因此,电容器作为电力系统的无功补偿势在必行。当前,采用并联电容器作为无功补偿装置已经非常普遍。
二、电力电容器补偿的特点
2.1优点
电力电容器无功补偿装置具有安装方便,安装地点增减方便;有功损耗小(仅为额定容量的0.4%左右);建设周期短;投资小;无旋转部件,运行维护简便;个别电容器组损坏,不影响整个电容器组运行等优点。
2.2缺点
电力电容器无功补偿装置的缺点有:只能进行有级调节,不能进行平滑调节;通风不良,一旦电容器运行温度高于70℃时,易发生膨胀爆炸;电压特性不好,对短路稳定性差,切除后有残余电荷;无功补偿精度低,易影响补偿效果;补偿电容器的运行管理困难及电容器安全运行的问题未受到重视等。
三、无功补偿方式
3.1高压分散补偿
高压分散补偿实际就是在单台变压器高压侧安装的,用以改善电源电压质量的无功补偿电容器。其主要用于城市高压配电中。
3.2高压集中补偿
高压集中补偿是指将电容器装于变电站或用户降压变电站6kV～10kV高压母线的补偿方式;电容器也可装设于用户总配电室低压母线,适用于负荷较集中、离配电母线较近、补偿容量较大的场所,用户本身又有一定的高压负荷时,可减少对电力系统无功的消耗并起到一定的补偿作用。其优点是易于实行自动投切,可合理地提高用户的功率因素,利用率高,投资较少,便于维护,调节方便可避免过补,改善电压质量。但这种补偿方式的补偿经济效益较差。
3.3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单台或多台低压电容器组分散地安装在用电设备附近,以补偿安装部位前边的所有高低压线路和变压器的无功功率。其优点是用电设备运行时,无功补偿投入,用电设备停运时,补偿设备也退出,可减少配电网和变压器中的无功流动从而减少有功损耗;可减少线路的导线截面及变压器的容量,占位小。缺点是利用率低、投资大,对变速运行,正反向运行,点动、堵转、反接制动的电机则不适应。
3.4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,以无功补偿投切装置作为控制保护装置,根据低压母线上的无功符合而直接控制电容器的投切。电容器的投切是整组进行,做不到平滑的调节。低压补偿的优点: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,具有较高的经济性,是目前无功补偿中常用的手段之一。
[pagebreak]四、电容器补偿容量的计算
无功补偿容量宜按无功功率曲线或无功补偿计算方法确定,其计算公式如下:
QC=p(tgφ1-tgφ2)或是QC=pqc(1)
式中:Qc:补偿电容器容量;
P:负荷有功功率;
COSφ1:补偿前负荷功率因数;
COSφ2:补偿后负荷功率因数;
qc:无功功率补偿率,kvar/kw
五、电力电容器的安全运行
5.1允许运行电流
正常运行时,电容器应在额定电流下运行,最大运行电流不得超过额定电流的1.3倍,三相电流差不超过5%。
5.2允许运行电压
电容器对电压十分敏感,因电容器的损耗与电压平方成正比,过电压会使电容器发热严重,电容器绝缘会加速老化,寿命缩短,甚至电击穿。因此,电容器装置应在额定电压下运行,一般不宜超过额定电压的1.05倍,最高运行电压不宜超过额定电压的1.1倍。当母线超过1.1倍额定电压时,须采取降温措施。
5.3允许运行温度
电容器正常工作时,其周围额定环境温度一般为40℃～-25℃;其内部介质的温度应低于65℃,最高不得超过70℃,否则会引起热击穿,或是引起鼓肚现象。电容器外壳的温度是在介质温度与环境温度之间,不应超过55℃。因此,应保持电容器室内通风良好,确保其运行温度不超过允许值
六、电力电容的安全问题
6.1谐波问题
由于电容器回路是一个LC电路,对于某些谐波容易产生谐振,易造成高次谐波,使电流增加和电压升高。且谐波的这种电流对电容器非常有害,极容易使电容器击穿引起相间短路。因此,当电容器在正常工作时,在必要时可在电容器上串联适当的感抗值的电抗器,以限制谐波电流。
6.2继电保护问题
继电保护主要由继电保护成套装置实现,目前国内几个知名电气厂家生产的继电保护装置技术都已经非常成熟,安全稳定、功能强大。继电保护装置可以有效的切除故障电容器,是保证电力系统安全稳定运行的重要手段。主要的电容器继电保护措施有:①三段式过流保护;②为防止系统稳态过压造成电容器损坏而设置的过电压保护;③为避免系统电源短暂停投引起电容器瞬时重合造成的过电压损坏而设置的低电压保护;④反映电容器组中电容器的内部击穿故障而配置的不平衡电压保护、不平衡电流保护或三相差电压保护。
6.3合闸问题
电容器组禁止带电重合闸。主要是因电容器放电需要一定时间,当电容器组的开关跳闸后,如果马上重合闸,电容器是来不及放电的,在电容器中就可能残存着与重合闸电压极性相反的电荷,这将使合闸瞬间产生很大的冲击电流,从而造成电容器外壳膨胀、喷油甚至爆炸。所以,电容器组再次合闸时,必须在断路器断开3min之后才可进行。因此,电容器不允许装设自动重合闸装置,相反应装设无压释放自动跳闸装置。
一些终端变电站往往配置有备用电源自动投切装置,装置动作将故障电源切除,然后经过短暂延时投入备用电源,在这个过程中,如果电容器组有低压自投切功能,那么电容器组将在短时间内再次合上,这就会发生以上所说的故障。所以,安装有备用电源自动投切装置的系统与电容器组的投切问题,应值得充分的重视。
6.4运行中的放电声问题
电容器在运行时,一般是没有声音的,但在某些情况下,其在运行时也会存在放电声的问题。如电容器的套管露天放置时间过长时,一旦雨水进入两层套管之间,加上电压后,就有可能产生放电声;当电容器内缺油时,易使其套管的下端露出油面,这时就有可能发出放电声;当电容器内部若有虚焊或脱焊,则会在油内闪络放电;当电容器的芯子与外壳接触不良时,会出现浮动电压,引起放电声。
一旦出现以上几种出现放电声状况,应针对每种情况做出处理,即其处理方法依次为:将电容器停运并放电后把外套管卸出,擦干重新装好;添加同种规格的电容器油;如放电声不止,应拆开修理;将电容器停运并放电后进行处理,使其芯子和外壳接触好。
[pagebreak]6.5爆炸问题
电容器在运行过程中,如出现电容器内部元件击穿、电容器对外壳绝缘损坏、密封不良和漏油、鼓肚和内部游离、鼓肚和内部游离、带电荷合闸或是温度过高、通风不良、运行电压过高、谐波分量过大、操作过电压等情况,都有可能引起电容器损坏爆炸。为预防电容器爆炸事故,正常情况下,可根据每组相电容器通过的电流量的大小,按1.5倍～2倍,配以快速熔断器,若电容被击穿,则快速熔断器会熔化而切断电源,保护电容器不会继续产生热量;在补偿柜上每相安装电流表,保证每相电流相差不超过±5%,若发现不平衡,立即退出运行,检查电容器;监视电容器的温升情况;加强对电容器组的巡检,避免出现电容器漏油、鼓肚现象,以防爆炸。
七、无功补偿的原理
电网中的许多用电设备是根据电磁感应原理工作的。它们在能量转换过程中建立交变磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等，这种功率叫无功功率。电力系统中，不但有功功率平衡，无功功率也要平衡。
有功功率、无功功率、视在功率之间的关系 如图1所示
式中
S——视在功率，kVA
P——有功功率，kW
Q——无功功率，kvar
φ角为功率因数角，它的余弦(cosφ)是有功功率与视在功率之比即cosφ=P/S称作功率因数。
由功率三角形可以看出，在一定的有功功率下，用电企业功率因数cosφ越小，则所需的无功功率越大。如果无功功率不是由电容器提供，则必须由输电系统供给，为满足用电的要求，供电线路和变压器的容量需增大。这样，不仅增加供电投资、降低设备利用率，也将增加线路损耗。为此，国家供用电规则规定：无功电力应就地平衡，用户应在提高用电自然功率因数的基础上，设计和装置无功补偿设备，并做到随其负荷和电压变动及时投入或切除，防止无功倒送。还规定用户的功率因数应达到相应的标准，否则供电部门可以拒绝供电。因此，无论对供电部门还是用电部门，对无功功率进行自动补偿以提高功率因数，防止无功倒送，从而节约电能，提高运行质量都具有非常重要的意义。
无功补偿的基本原理是：把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，能量在两种负荷之间相互交换。这样，感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率补偿。
当前，国内外广泛采用并联电容器作为无功补偿装置。这种方法安装方便、建设周期短、造价低、运行维护简便、自身损耗小。
八、无功补偿的主要作用：
1、提高功率因数
如图2所示 图中
P——有功功率
S1——补偿前的视在功率
S2——补偿后的视在功率
Q1——补偿前的无功功率
Q2——补偿后的无功功率
φ1——补偿前的功率因数角
φ2——补偿后的功率因数角
由图示可以看出，在有功功率P一定的前提下，无功功率补偿以后(补偿量Qc=Q1-Q2)，功率因数角由φ1减小到φ2，则cosφ2>cosφ1提高了功率因数。
[pagebreak]2、降低输电线路及变压器的损耗
三相电路中，功率损耗ΔP的计算公式为
式中
P——有功功率，kW;
U——额定电压，kV;
R——线路总电阻，Ω。
由此可见，当功率因数cosφ提高以后，线路中功率损耗大大下降。
由于进行了无功补偿，可使补偿点以前的线路中通过的无功电流减小，从而使线路的供电能力增加，减小损耗。
3、改善电压质量
线路中电压损失ΔU的计算公式
式中
P——有功功率，KW;
Q——无功功率，Kvar;
U——额定电压，KV;
R——线路总电阻，Ω
XL——线路感抗，Ω。
由上式可见，当线路中，无功功率Q减小以后，电压损失ΔU也就减小了。
4、提高设备出力
如图3所示，由于有功功率P=S·cosφ，当供电设备的视在功率S一定时，如果功率因数cosφ提高，即功率因数角由φ1到φ2，则设备可以提供的有功功率P也随之增大到P+ΔP，可见，当增加了无功补偿装置以后在一定的范围内增加有功设备的出力而不需要增加供电设备的视在功率，从而提高了供电设备的带负载能力。
电容器容量的选择：
电容器安装容量的选择，可根据使用目的的不同，按改善功率因数，提高运行电压和降低线路损失等因素来确定。
[pagebreak]按改善功率因数确定补偿容量的方法简便、明确，为国内外所通用。根据功率补偿图(如图2)中功率之间的向量关系，可以求出无功补偿容量Qc，
或
式中
P——最大负荷月的平均有功功率，KW;
tgφ1、tgφ2——补偿前后功率因数角的正切值;
cosφ1、cosφ2——补偿前后功率因数值。
可利用查表法，查出每1KW有功功率、功率因数，改善前后所需补偿的容量。再乘以最大负荷的月平均有功功率，即可计算出所需要的无功补偿容量
九、无功补偿实际省电例子
某县电力公司新建配电所，2014年1月～2月份按实际供售电量情况进行分析。该站1～2月份，有功供电量152.6万kW·h，无功供电量168.42万kvar·h，售电量133.29万kW·h，功率因数0.67，损耗电量19.31万kW·h，线损率12.654%。装设电容器进行无功补偿后，如功率因数由原来的0.67提高到0.95 时，
(1)可降低的线路损耗
2)减少线损率12.654%×0.5=6.333%
(3)减少损耗电量152.6×6.333%=9.6642万kW·h
(4)按购电价0.237元计算，可减少购电费
0.237×96642=22904.15元
总之，增加无功补偿后会减少无功在电网中流动，其主要目的是降低线损，其次，能很好地改善电压质量，从而提高供电企业的经济效益。
总结
综上所述,无功补偿技术是提高电网供电能力、减少电压损失和降低网损的一种有效措施。电力电容器具有无功补偿原理简单、安装方便、投资小,有功损耗小,运行维护简便、安全可靠等优点。因此,在当前,随着电力负荷的增加,要想提高电网系统的利用率,通过采用补偿电容器进行合理的补偿,是能够提高供电质量并取明显的经济效益。丝析照坷篓
