1、浅析电力系统电压与无功补偿摘要：本文主要谈及电压与无功补偿、无功补偿原理、电压水平与无功功率补偿，希望能带给同行参考。 关键词：电压；无功补偿；电压水平 中图分类号：TM761+.1 文献标识码： A 文章编号： 引言: 所谓电能质量，主要是指所提供电能的电压、频率和波形是否合格，在合格的电能下工作，用电设备性能最好、效率最高，电压质量是电能质量的一个重要方面，同时，电压质量的高低对电网稳定、经济运行也起着至关重要的作用。 1、 电压与无功补偿 电压顾名思义就是电(力)的压力。在电压的作用下电能从电源端传输到用户端，驱动用电设备工作。 交流电力系统需要电源供给两部分能量，一部分将用于作功而被消
2、耗掉，这部分电能将转换为机械能、光能、热能或化学能，我们称为“有功功率” 。另一部分能量是用来建立磁场，用于交换能量使用的，对于外部电路它并没有作功，由电能转换为磁能，再由磁能转换为电能，周而复始，并没有消耗，这部分能量我们称为“无功功率” ，无功是相对于有功而言，不能说无功是无用之功，没有这部分功率，就不能建立感应磁场，电动机、变压器等设备就不能运转。在电力系统中，除了负荷无功功率外，变压器和线路的电抗上也需要大量无功功率。 国际电工委员会给出的无功功率的定义是：电压与无功电流的乘积为无功功率。其物理意义是：电路中电感元件与电容元件活动所需要的功率交换称为无功功率。 电容和电感并联接在同一电
3、路时，当电感吸收能量时，正好电容释放能量；电感放出能量时，电容正好吸收能量。能量就在它们中间互相交换。即电感性负荷所需的无功功率，可以由电容器的无功输出得到补偿，因此我们把具有电容性的装置称为“无功补偿装置” 。电力系统常用的无功补偿装置主要是电力电容器和同步调相机。 若电力负荷的视在功率为 S，有功功率为 P，无功功率为 Q，有功功率、无功功率和视在功率之间的关系可以用一个直角三角形来表示，以有功功率和无功功率各为直角边，以视在功率为斜边构成直角三角形，有功功率与视在功率的夹角称为功率因数角。有功功率与视在功率的比值，我们称为功率因数，用 cosf 表示，cosf = P/S。它表明了电力负
4、荷的性质。 P = UIcosf Q = UIsinf S = (P2 + Q2)1/2 = UI 有功功率的常用单位为千瓦(kW)，无功功率为千乏(kvar)，视在功率的单位为千伏安(kVA)。 无功功率按电路的性质有正有负，Q 为正值时表示吸收无功功率，Q 为负值时表示发出无功功率，在感性电路中，电流滞后于电压，f 0，Q 为正值。而在容性电路中，电流超前于电压，f 0，Q 为负值。这就是人们通常称电动机等设备“吸收”无功而电容器发出“无功”的道理。 2 、无功补偿原理 当电网电压的波形为正弦波，且电压与电流同相位时，电阻性电气设备如白炽灯、电热器等从电网上获得的功率 P 等于电压 U 和
5、电流 I 的乘积，即：P=UI。电感性电气设备如电动机和变压器等由于在运行时需要建立磁场，此时所消耗的能量不能转化为有功功率，故被称为无功功率 Q。此时电流滞后电压一个角度 。在选择变配电设备时所根据的是视在功率 S，即有功功率和无功功率的矢量和：S =（P2 + Q2）1/2 无功功率为:Q=（S2 - P2）1/2 有功功率与视在功率的比值为功率因数: cosf=P/S 无功功率的传输加重了电网负荷，使电网损耗增加，系统电压下降。故需对其进行就近和就地补偿。并联电容器可补偿或平衡电气设备的感性无功功率。当容性无功功率 QC 等于感性无功功率 QL 时，电网只传输有功功率 P。根据国家有关规
6、定，高压用户的功率因数应达到 0.9 以上，低压用户的功率因数应达到 0.85 以上。如果选择电容器功率为 Qc，则功率因数为：cosf= P/ (P2 + (QL- QC)2)1/2 在实际工程中首先应根据负荷情况和供电部门的要求确定补偿后所需达到的功率因数值，然后再计算电容器的安装容量：Qc = P(tanf1 - tanf2)=P(1/cos2f1-1)1/2-(1/cos2f2-1)1/2式中:Qc 一电容器的安装容量，kvarP 一系统的有功功率，kWtanf1-补偿前的功率因数角, cosf1-补偿前的功率因数 tanf2-补偿后的功率因数角, cosf2-补偿后的功率因数采用查表
7、法也可确定电容器的安装容量。 3、 电压水平与无功功率补偿 当输电线路或变压器传输功率时，电流将在线路或变压器阻抗上产生电压损耗，下面以一条输电线路为例来分析这个问题。一段输电线路的单相等值电路，其中 R、X 分别为一相的电阻和等值电抗，U1、U2 为首未端相电压，I 为线路中流过的相电流。 为了说明问题，以线路末端电压 U2 为参考轴，设线路电流 I 为正常的阻感性负荷电流，它滞后于 U2 一个角度 f，电流流过线路电阻产生一个电压降 IR，它与电流向量同方向，同时，线路电流也在线路上产生一个电压降 IX，它超前于电流向量 90 度,U1 就是 U2、IR、IX 三个电压的和。 线路的电压损
8、耗 DU 为电压 DU1 和 DU2 之和，U1 = IRcosf，DU2 = IXsinf，所以线路的电压损耗为 DU = DU1 + DU2 = I(Rcosf + Xsinf)，如果电流 I 用线路末端的单相功率 S 和电压 U2 来表示，即 P = U2Icosf, Q = U2Isinf 则可得： DU = (PR + QX)/U2 由此可见，电压损耗由两部分组成，即有功功率在电阻上的压降和无功功率在电抗上的压降。 一般说来，在超高压电网的线路、变压器的等值电路中，电抗的数值比电阻大得多。所以无功功率对电压损耗的影响很大，而有功功率对电压损耗的影响则要小得多。因此，可以得出结论，在电
9、力系统中，无功功率是造成电压损耗的主要因素。 从前面的分析我们知道，当线路、变压器传输功率时，会产生电压损耗，因而影响了电网各处电压的高低。如果能改变线路、变压器等电网元件上的电压损耗，也就改变了电网各节点的电压状况。由电压损耗表达式 DU = (PR + QX)/U 可知，要改变电压损耗有两种办法。 （1）改变元件的电阻；（2）改变元件的电抗，都能起到改变电压损耗的作用。 可采取的一种办法是增大导线截面减小电阻以减小电压损耗，这种办法在负荷功率因数较高、原有导线截面偏小的配电线路中比较有效。适宜负荷不断增加的农村地区采用。 而电网中用的最多的办法是减少线路中的电抗，在超高压输电线路中广泛采用
10、的分裂导线就可以明显降低线路的电抗。在我国，220kV 线路一般采用二分裂、500kV 线路采用四分裂导线。采用分裂导线，降低线路电抗，不仅仅减少了电压损耗，而且有利于电力系统的稳定性，能提高线路的输电能力。现在已逐步采用的紧凑型结构输电线路，还可以进一步降低输电线路的电抗，不仅提高了电网的稳定性，同时，也降低了线路的电压损耗。 减小线路电抗的另一种办法是采用串联电容补偿，就是在线路中串联一定数值的电容器，大家知道，同一电流流过串联的电感、电容时，电感电压与电容电压在相位上正好差 180 度. 采用串联电容补偿其主要目的也是增加线路的输电能力，提高电网的稳定性，同时，也降低了线路电压损耗。 串
11、联电容器补偿，现在主要应用于超高压、大容量的输电线路上，山西大同到北京的 500kV 输电线路全长 300 多 km，在加装了串联电容补偿后电网线损降低，电压质量改善，电网运行的稳定性得到加强，而且输电能力提高了 30%以上。 为了更直观的说明改变电抗对降低电路电压损耗的作用，我们举一个简单的例子： 有一 110kV 线路，输送有功功率15MW，无功功率 20Mvar，线路电阻 R 为 2W，线路电抗 XL 为 6W(这里只是假设的数值，因线路的电抗和线路的长度、截面、材料，结构等诸多因素有关，计算比较复杂) 求：在电抗 XL = 6W 和经补偿后电抗 XL = 2W时的压降。 解：XL =
12、6W 时电压损耗： DU = （PR + QXL）/U = （151062 + 201066）/（11010331/2） = 788（V） XL = 2W 时电压损耗： DU = （PR + QXL）/U = （151062 + 201062）/（11010331/2） = 368（ V） 减少电压损耗 = 788V - 368V = 420V，降低电抗后对提高电压的作用显而易见。除了用改变电力网参数来减少电压损耗以外，改变电压损耗的另一个重要方面是改变电网元件中传输的功率。即改变表达式中的 P 和 Q 的大小，在满足负荷有功功率的前提下，要改变供电线路、变压器传输的有功功率，是比较困难的，常常是不可能的。因此，改变线路、变压器传输功率都是改变其无功功率，使表达式中的 Q 减少。 4 、结语 现代生产和现代生活离不开电力。电力部门不仅要满足用户对电力数量不断增长的需要，而且也要满足对电能质量上的要求。 参考文献： 1无功补偿原理. 配电资料，2008 2低压电网谐波治理和无功补偿装置的合理选择. 调度技术，2006
