電力系統(tǒng)電壓與無功補(bǔ)償

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1、電力系統(tǒng)電壓與無功補(bǔ)償（之一）汪延宗陳立飛北京電力公司(100031)現(xiàn)代生產(chǎn)和現(xiàn)代生活離不開電力。電力部門不僅要滿足用戶對(duì)電力數(shù)量不斷增長(zhǎng)的需要，而且也要滿足對(duì)電能質(zhì)量上的要求。所謂電能質(zhì)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(shè)備性能最好、效率最高，電壓質(zhì)量是電能質(zhì)量的一個(gè)重要方面，同時(shí)，電壓質(zhì)量的高低對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行也起著至關(guān)重要的作用。1電壓與無功補(bǔ)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?，?qū)動(dòng)用電設(shè)備工作。交流電力系統(tǒng)

2、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(zhuǎn)換為機(jī)械能、光能、熱能或化學(xué)能，我們稱為“有功功率”。另一部分能量是用來建立磁場(chǎng)，用于交換能量使用的，對(duì)于外部電路它并沒有作功，由電能轉(zhuǎn)換為磁能，再由磁能轉(zhuǎn)換為電能，周而復(fù)始，并沒有消耗，這部分能量我們稱為“無功功率”，無功是相對(duì)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(yīng)磁場(chǎng)，電動(dòng)機(jī)、變壓器等設(shè)備就不能運(yùn)轉(zhuǎn)。在電力系統(tǒng)中，除了負(fù)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(guó)際電工委員會(huì)給出的無功功率的

3、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(dòng)所需要的功率交換稱為無功功率。我們以電感元件和電容元件的并聯(lián)回路來說明這個(gè)問題，見圖1a，在電壓的作用下，電感回路中電流滯后電壓90?，而栽懣d莼羋分械緦魅詞淺暗繆90?，紖仓I壞繆棺饔孟攏我凰彩?，IL和IC在時(shí)間軸對(duì)稱。我們將每一瞬間電感上的電壓與電感電流IL相乘得到電感的功率曲線PL(圖1b)，同樣的，將電容上的電壓與電容電流IC相乘得到電容的功率曲線PC(圖1c)。如圖2a所示，功率在第二個(gè)和第四個(gè)1/4周期

4、內(nèi)電感在吸收功率，并把所吸收的能量轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能量；而在第一和第三個(gè)1/4周期內(nèi)電感就放出功率，儲(chǔ)存在磁場(chǎng)中的能量將全部放出。這時(shí)電感好象一個(gè)電源，把能量送回電網(wǎng)。磁場(chǎng)能量和外部能量的轉(zhuǎn)化反復(fù)進(jìn)行，電感的平均功率為零，所以電感是不消耗功率的。如圖2b所示，在電容中，在第一個(gè)1/4周期內(nèi)，電容在吸收功率進(jìn)行充電，把能量?jī)?chǔ)存在電場(chǎng)中。在第二個(gè)1/4周期內(nèi)電容則放出功率，原來儲(chǔ)存在電場(chǎng)中的能量將全部送回給外部電路。第三和第四個(gè)1/4周期內(nèi)各重復(fù)一次。電容的充電和放電過程，實(shí)際上就是外部電路的能量和電容的電

5、場(chǎng)能量之間的交換過程。在一個(gè)周期內(nèi)，其平均功率為零，所以電容也是不消耗功率的。我們注意到：在第一個(gè)1/4周期中，當(dāng)電壓通過零點(diǎn)逐漸上升時(shí)，電容開始充電吸收功率，電感則將儲(chǔ)存的能量放回電路。而當(dāng)?shù)诙€(gè)1/4周期，電感吸收功率時(shí)，電容放出功率。第三和第四個(gè)1/4周期又重復(fù)這樣的充放電循環(huán)過程。因此，電容和電感并聯(lián)接在同一電路時(shí)，當(dāng)電感吸收能量時(shí)，正好電容釋放能量；電感放出能量時(shí)，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(fù)荷所需的無功功率，可以由電容器的無功輸出得到補(bǔ)償，因此我們把具有電容性

6、的裝置稱為“無功補(bǔ)償裝置”。電力系統(tǒng)常用的無功補(bǔ)償裝置主要是電力電容器和同步調(diào)相機(jī)。若電力負(fù)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(guān)系可以用一個(gè)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(gòu)成直角三角形(見圖3)，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(fù)荷的性質(zhì)。P=UIcosfQ=UIsinfS=(P2+Q2)1/2=UI有功功率的常用單位為

7、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(zhì)有正有負(fù)，Q為正值（感性）時(shí)表示吸收無功功率，Q為負(fù)值(容性)時(shí)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(fù)值。這就是人們通常稱電動(dòng)機(jī)等設(shè)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(bǔ)償當(dāng)輸電線路或變壓器傳輸功率時(shí)，電流將在線路或變壓器阻抗上產(chǎn)生電壓損耗，下面以一條輸電線路為例來分析這個(gè)問題。如圖4所示，該圖表示一段輸

8、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，我們作出向量圖，以線路末端電壓U2為參考軸，設(shè)線路電流I為正常的阻感性負(fù)荷電流，它滯后于U2一個(gè)角度f，電流流過線路電阻產(chǎn)生一個(gè)電壓降IR，它與電流向量同方向，同時(shí)，線路電流也在線路上產(chǎn)生一個(gè)電壓降IX，它超前于電流向量90?，那么，蠁h肥錐說繆筓1就是U2、IR、IX三個(gè)電壓的和，如圖5所示。從向量圖可知，線路的電壓損耗DU為電壓DU1和DU2之和，從圖中可知