電力系統(tǒng)電壓與無功補償概述

現(xiàn)代生產和現(xiàn)代生活離不開電力。電力部門不僅要滿足用戶對電力數(shù)量不斷增長的需要，而且也要滿足對電能質量上的要求。所謂電能質量，主要是指所提供電能的電壓、頻率和波形是否合格，在合格的電能下工作，用電設備性能最好、效率最高，電壓質量是電能質量的一個重要方面，同時，電壓質量的高低對電網(wǎng)穩(wěn)定、經(jīng)濟運行也起著至關重要的作用。

1. 電壓與無功補償

電壓顧名思義就是電(力)的壓力。在電壓的作用下電能從電源端傳輸?shù)接脩舳?，驅動用電設備工作。

交流電力系統(tǒng)需要電源供給兩部分能量，一部分將用于作功而被消耗掉，這部分電能將轉換為機械能、光能、熱能或化學能，我們稱為"有功功率"。另一部分能量是用來建立磁場，用于交換能量使用的，對于外部電路它并沒有作功，由電能轉換為磁能，再由磁能轉換為電能，周而復始，并沒有消耗，這部分能量我們稱為"無功功率"，無功是相對于有功而言，不能說無功是無用之功，沒有這部分功率，就不能建立感應磁場，電動機、變壓器等設備就不能運轉。在電力系統(tǒng)中，除了負荷無功功率外，變壓器和線路的電抗上也需要大量無功功率。

國際電工委員會給出的無功功率的定義是:電壓與無功電流的乘積為無功功率。其物理意義是:電路中電感元件與電容元件活動所需要的功率交換稱為無功功率。

電容和電感并聯(lián)接在同一電路時，當電感吸收能量時，正好電容釋放能量;電感放出能量時，電容正好吸收能量。能量就在它們中間互相交換。即電感性負荷所需的無功功率，可以由電容器的無功輸出得到補償，因此我們把具有電容性的裝置稱為"無功補償裝置"。

若電力負荷的視在功率為S，有功功率為P，無功功率為Q，有功功率、無功功率和視在功率之間的關系可以用一個直角三角形來表示，以有功功率和無功功率各為直角邊，以視在功率為斜邊構成直角三角形，有功功率與視在功率的夾角稱為功率因數(shù)角。有功功率與視在功率的比值，我們稱為功率因數(shù)，用cosf表示，cosf = P/S。它表明了電力負荷的性質。

P = UIcosf

Q = UIsinf

S = (P2 + Q2)1/2 = UI

有功功率的常用單位為千瓦(kW)，無功功率為千乏(kvar)，視在功率的單位為千伏安(kVA)。

無功功率按電路的性質有正有負，Q為正值時表示吸收無功功率，Q為負值時表示發(fā)出無功功率，在感性電路中，電流滯后于電壓，f > 0，Q為正值。而在容性電路中，電流超前于電壓，f < 0，Q為負值。

這就是人們通常稱電動機等設備"吸收"無功而電容器發(fā)出"無功"的道理。

2. 電壓水平與無功功率補償

當輸電線路或變壓器傳輸功率時，電流將在線路或變壓器阻抗上產生電壓損耗，下面以一條輸電線路為例來分析這個問題。一段輸電線路的單相等值電路，其中R、X分別為一相的電阻和等值電抗，U1、U2為首未端相電壓，I為線路中流過的相電流。

為了說明問題，以線路末端電壓U2為參考軸，設線路電流I為正常的阻感性負荷電流，它滯后于U2一個角度f，電流流過線路電阻產生一個電壓降IR，它與電流向量同方向，同時，線路電流也在線路上產生一個電壓降IX，它超前于電流向量90度,U1就是U2、IR、IX三個電壓的和。

線路的電壓損耗DU為電壓DU1和DU2之和，U1 = IRcosf，DU2 = IXsinf，所以線路的電壓損耗為DU = DU1 + DU2 = I(Rcosf + Xsinf)，如果電流I用線路末端的單相功率S和電壓U2來表示，即

P = U2Icosf, Q = U2Isinf

則可得:

DU = (PR + QX)/U2

由此可見，電壓損耗由兩部分組成，即有功功率在電阻上的壓降和無功功率在電抗上的壓降。

一般說來，在超高壓電網(wǎng)的線路、變壓器的等值電路中，電抗的數(shù)值比電阻大得多。所以無功功率對電壓損耗的影響很大，而有功功率對電壓損耗的影響則要小得多。因此，可以得出結論，在電力系統(tǒng)中，無功功率是造成電壓損耗的主要因素。

從前面的分析我們知道，當線路、變壓器傳輸功率時，會產生電壓損耗，因而影響了電網(wǎng)各處電壓的高低。如果能改變線路、變壓器等電網(wǎng)元件上的電壓損耗，也就改變了電網(wǎng)各節(jié)點的電壓狀況。

由電壓損耗表達式DU = (PR + QX)/U可知，要改變電壓損耗有兩種辦法。

(1)改變元件的電阻;(2)改變元件的電抗，都能起到改變電壓損耗的作用。

可采取的一種辦法是增大導線截面減小電阻以減小電壓損耗，這種辦法在負荷功率因數(shù)較高、原有導線截面偏小的配電線路中比較有效。適宜負荷不斷增加的農村地區(qū)采用。

而電網(wǎng)中用的最多的辦法是減少線路中的電抗，在超高壓輸電線路中廣泛采用的分裂導線就可以明顯降低線路的電抗。在我國，220kV線路一般采用二分裂、500kV線路采用四分裂導線。采用分裂導線，降低線路電抗，不僅僅減少了電壓損耗，而且有利于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，能提高線路的輸電能力?，F(xiàn)在已逐步采用的緊湊型結構輸電線路，還可以進一步降低輸電線路的電抗，不僅提高了電網(wǎng)的穩(wěn)定性，同時，也降低了線路的電壓損耗。

減小線路電抗的另一種辦法是采用串聯(lián)電容補償，就是在線路中串聯(lián)一定數(shù)值的電容器，大家知道，同一電流流過串聯(lián)的電感、電容時，電感電壓與電容電壓在相位上正好差180度.采用串聯(lián)電容補償其主要目的也是增加線路的輸電能力，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性，同時，也降低了線路電壓損耗。

串聯(lián)電容器補償，現(xiàn)在主要應用于超高壓、大容量的輸電線路上，山西大同到北京的500kV輸電線路全長300多km，在加裝了串聯(lián)電容補償后電網(wǎng)線損降低，電壓質量改善，電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性得到加強，而且輸電能力提高了30%以上。

為了更直觀的說明改變電抗對降低電路電壓損耗的作用，我們舉一個簡單的例子:

有一110kV線路，輸送有功功率15MW，無功功率20Mvar，線路電阻R為2W，線路電抗XL為6W(這里只是假設的數(shù)值，因線路的電抗和線路的長度、截面、材料，結構等諸多因素有關，計算比較復雜)

求:在電抗XL = 6W和經(jīng)補償后電抗XL = 2W時的壓降。

解:XL = 6W時電壓損耗:

DU = (PR + QXL)/U = (15×106×2 + 20×106×6)/(110×103×31/2) = 788(V)

XL = 2W時電壓損耗:

DU = (PR + QXL)/U = (15×106×2 + 20×106×2)/(110×103×31/2) = 368(V)

減少電壓損耗 = 788V - 368V = 420V。

降低電抗后對提高電壓的作用顯而易見。

除了用改變電力網(wǎng)參數(shù)來減少電壓損耗以外，改變電壓損耗的另一個重要方面是改變電網(wǎng)元件中傳輸?shù)墓β?。即改變表達式中的P和Q的大小，在滿足負荷有功功率的前提下，要改變供電線路、變壓器傳輸?shù)挠泄β?，是比較困難的，常常是不可能的。因此，改變線路、變壓器傳輸功率都是改變其無功功率，使表達式中的Q減少。由此我們引出無功功率的幾個非常重要的關鍵的概念。

2.1 無功功率補償概念

當今電廠受水、環(huán)保等多方面的制約，它的位置越來越遠離負荷中心，即使建在靠近負荷點，由于單機容量越來越大，發(fā)電機的額定功率因數(shù)也越來越高，這樣，電網(wǎng)實際接受的無功功率就越來越少，單靠發(fā)電機發(fā)出的無功功率遠遠不能滿足電網(wǎng)對無功功率的需要，必須配置各種無功功率補償裝置。

例如:目前北京地區(qū)有功負荷的2/3電力要從山西、內蒙、河北等地遠距離用超高壓500kV線路送來，為了能接受到這么多的有功功率，必須在北京地區(qū)負荷中心裝設相應數(shù)量的無功功率補償電力設施(一般為1kW的有功電力配1kvar的無功電力補償設施)。

2.2 無功功率就地補償?shù)母拍?/p>

無功補償裝置的分布，首先要考慮調壓的要求，滿足電網(wǎng)電壓質量指標。同時，也要避免無功功率在電網(wǎng)內的長距離傳輸，減少電網(wǎng)的電壓損耗和功率損耗。無功功率補償?shù)脑瓌t是做到無功功率分層分區(qū)平衡，就是要做到哪里有無功負荷就在那里安裝無功補償裝置。這既是經(jīng)濟上的需要，也是無功電力特征所必需的，如果不這樣做，就達不到最佳補償?shù)哪康模鉀Q不了無功電力就地平衡的問題。

2.3 無功功率平衡的概念

如同有功功率平衡一樣，電力系統(tǒng)的無功功率在每一刻也必須保持平衡。

在電力系統(tǒng)中，頻率與有功功率是一對統(tǒng)一體，當有功負荷與有功電源出力相平衡時，頻率就正常，達到額定值50Hz，而當有功負荷大于有功出力時，頻率就下降，反之，頻率就會上升。電壓與無功功率也和頻率與有功功率一樣，是一對對立的統(tǒng)一體。當無功負荷與無功出力相平衡時，電壓就正常，達到額定值，而當無功負荷大于無功出力時，電壓就下降，反之，電壓就會上升。

但是，需要說明的是電壓與無功功率之間的關系要比頻率與有功功率之間的關系復雜得多，大體上有以下幾點:

① 在一個并列運行的電力系統(tǒng)中，任何一點的頻率都是一樣的，而電壓與無功電力卻不是這樣的。

當無功功率平衡時，整個電力系統(tǒng)的電壓從整體上看是會正常的，是可以達到額定值的，即便是如此，也是指整體上而已，實際上有些節(jié)點處的電壓并不一定合格，如果無功不是處于平衡狀態(tài)時，那么情況就更復雜了，當無功出力大于無功負荷時，電壓普遍會高一些，但也會有個別地方可能低一些，反之，也是如此。

②系統(tǒng)需要的無功功率遠遠大于發(fā)電機所能提供的無功出力，這是由于現(xiàn)代超高壓電網(wǎng)包括各級變壓器和架空線路在傳送電能時需要消耗大量的無功，稱為"無功損耗"，一般來說，這些無功損耗與整個電網(wǎng)中的無功負荷的大小是差不多的，我們以一臺50MVA的110kV變壓器為例來了解變壓器在運行中的無功損耗情況。

變壓器的參數(shù)為:Ue = 110kV，Se=50MVA，Uk%=17%，變壓器在傳送電能時的無功損耗的計算式為:

Q = SeUk%(I/Ie)2

式中 I--變壓器的負荷電流;

Ie--變壓器的額定電流，與變壓器的無功損耗與變壓器的負載率、變壓器的額定容量及短路阻抗有關。

如果這臺變壓器滿負荷運行，那么它的無功損耗就是:Q = 50MVA×17%=8.5Mvar

此時變壓器的無功損耗相當大，其低壓側安裝的并聯(lián)電容器組的容量甚至不夠補償變壓器滿負荷時的無功損耗。

③無功功率不宜遠距離輸送，當輸送功率與傳送距離達到一定極限時，其傳送功率成為不可能，這是由于超高壓等級的變壓器、線路電抗較大，其無功損耗Q = I2X相應也很大，所輸送的無功功率均損耗在變壓器及線路上了。另外，傳送大量的無功功率時，線路電壓損失也相當大，同樣會造成無法傳送的結果。

合理的就地無功補償對調整系統(tǒng)電壓、降低線損有十分重要的作用。

設有一條110kV線路選用LG-300型導線(導線電阻0.095W/km)線路全長20km，輸送有功功率30MW，無功功率40Mvar，下面分別計算在功率因數(shù)cosf = 0.6和0.9時線路的功率損耗和應補償?shù)臒o功功率。本題只計算導線電阻的功率損耗，不考慮其它因素。

1)在cosf = 0.6時，此時有功P = 30MW，無功Q = 40Mvar，視在功率S = 50MVA，電流I = S/U = 50MVA/(110kV×31/2) = 263A，功率損耗P = I2·R = 2632×0.095×20×3 = 394kW。

2) 在cosf = 0.9時，此時有功功率P = 30MW，視在功率S = 33.333MVA，無功功率Q = 14.528Mvar，I = S/U = 33.333MVA/(110kV×31/2) = 175A，功率損耗 P = I2·R = 1752×0.095×20×3 = 175kW。應補償無功容量 = 40 - 14.528 = 25.472Mvar。

補償前后有功損耗相差219kW。由計算結果可知補償無功功率25.472Mvar后每小時可降低線損219kWh。

無功補償對電力系統(tǒng)的重要性越來越受到重視，合理地投停使用無功補償設備，對調整電網(wǎng)電壓、提高供電質量、抑制諧波干擾、保證電網(wǎng)安全運行都有著十分重要的作用。

無功補償裝置的合理使用可以給供電企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。對于像北京電力公司這樣的大企業(yè)來說，線損每降低0.1個百分點，就可以增加上千萬元收入。

從根本上說，要維持整個系統(tǒng)的電壓水平，就必須有足夠的無功電源來滿足系統(tǒng)負荷對無功功率的需求和補償線路和變壓器中的無功功率損耗。

如果系統(tǒng)無功電源不足，則會使電網(wǎng)處于低電壓水平上的無功功率平衡，即靠電壓降低、負荷吸收無功功率的減少來彌補無功電源的不足。同樣，如果由于電網(wǎng)缺乏調節(jié)手段或無功補償元件的不合理運行使某段時間無功功率過剩，也會造成整個電網(wǎng)的運行電壓過高。

我國電網(wǎng)曾在20世紀70年代由于缺乏無功功率補償設備而長期處于低電壓運行狀態(tài)。有些地方想用調節(jié)變壓器分接頭的辦法來解決本地區(qū)電壓低的問題。開始，這種辦法也有一些效果，某些供電點電壓升高了，但這是以降低別處電壓為代價的，因為總的無功電源不足，局部地區(qū)電壓升高無功負荷增大，必然使別處無功功率更少、電壓更低。各處普遍采用調節(jié)變壓器分接頭的結果，不僅沒能提高負荷的供電電壓，而是使得無功損耗加大，整個系統(tǒng)低電壓問題更加嚴重。在這種情況下，首要的問題應該是增加無功功率補償設備。

低壓運行同時對電網(wǎng)安全帶來巨大危害，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，十分脆弱，經(jīng)受不起事故異常及負荷強烈變化對系統(tǒng)的沖擊、十分容易造成大面積的停電和系統(tǒng)瓦解的后果，國內外均有此先例。