无功补偿装置电容器组的投退原则分析研究

无功补偿装置电容器组的投退原则分析研究

蔡珍珍

(广东电网有限责任公司佛山供电局佛山528000)

摘要：随着国民经济的飞跃发展，电网建设也日新月异，同时，负荷的增长速度日益突出，功率不平衡问题随之出现，因而需要进行无功补偿，这也是提高功率因数，节约电力资源，提高运行稳定性的重要保障。目前在各级变电站低压侧普遍采用并联电抗器和电容器作为无功补偿装置，二者共同配合，保障电力系统电压、功率以及频率的稳定。而在实际运行中，同一变电站根据谐波的不同，配置电容器组的电抗率也有所不同，此时就要按照低压电容器的投退原则进行投退，才能更有效的进行无功补偿以及抑制谐波，如果投退顺序有误，可能会影响电网的安全稳定运行，而本文主要从无功补偿装置的原理，补偿的方式，电抗率的计算，电容器的投退原则等方面进行阐述，为后续电容器的选型以及投退顺序提供一定的借鉴。

关键词:无功补偿；谐波；电抗率；投退原则

0引言

随着电力系统的复杂化，电网的结构形式也各具特色，并且在不同负荷时期，用电过程中产生的无功功率的缺额也各不相同，此时，电力系统需要提供足够的无功以进行补偿，才能保证系统的正常运行。否则，当无功缺额过大时，将导致系统电压不稳定，既影响电能质量，也有可能损坏用电设备，因而在各级电力系统中，需要配备相应的无功补偿装置，简称无功补偿。

在电力系统中，无功补偿能够提高电网的功率因数，降低电力变压器以及输电线路的功率损耗，提高供电质量，另一方面，合理的无功补偿，能降低网络损耗，提高供电效率，减少对用电设备的不良影响，提高供电的可靠性和系统运行的安全性。

1无功补偿的原理

无功补偿[1]装置主要是在电网无功功率不平衡时，提供无功功率，进而降低电网的能量损耗，提高系统运行的功率因数，从而提升电网的电压质量。有功功率是保持用电设备正常运行所需要的功率，并且能将电功率转化为其他形式，比如热能、光能等其他形式的能量，而无功功率相对于有功功率而言，则比较抽象，它主要作用于电路中的电场和维持磁场，对于各种有电气线圈的设备，都需要消耗无功功率来建立磁场，但是由于它不做功，不能实现能量的转换，所以称为无功功率。

电动机的工作原理就是需要建立和维持旋转磁场，使得转子转动，进而带到机械转动，而电动机的转子磁场就是需要从电源处取得无功功率。变压器如果没有无功功率，一次侧线圈则无法产生磁场，在二次侧就无法出现感应电压，变压器就无法变压，交流接触器也无法吸合。

同样，对于用电设备，正常工作时，既需要消耗一定的有功功率，也需要从电源处吸收无功功率来建立磁场，如果无功功率不足，用电设备就不能维持在额定电压下工作，导致端电压下降，同时影响用电设备的使用寿命。

由于从发电机以及高压输电线路供给的无功功率是无法满足负荷需求的，所以为了保障电网的安全运行，需要设置一些无功补偿装置来补偿系统所需要的无功功率。

无功补偿装置的运用有效提高了系统的功率因数，降低线路中的负荷电流，减少无功功率在电网系统的流动，从而降低电网系统的有功损耗，降低线路以及变压器因为输送无功功率造成的电能损失，同时还可以减少系统中电压的损失，提高电压质量，减少相应设备的投资。所以无功补偿装置是一种效率高、投资少的节能措施，可以在系统缺少无功功率时，迅速补偿，保障系统的稳定运行。

2无功补偿的方式

在电力系统中，无功补偿的方式有多种，下面简要介绍几种常见的无功补偿方式[2]。

2.1变电站集中补偿方式

变电站集中补偿方式就是将电容器组安装在变电站的二次母线上，这种补偿方式不能有效减少每一条馈线的无功功率，对于配电网络的线路降损整体效果一般，但是在下级的补偿不能完全符合标准的情况下，却总能保证送电端的功率因数符合要求，并且这种补偿方式管理容易，维护方便，补偿容量较大，不过由于分组有限，且多为手动方式。

2.2线路分布补偿

线路分布补偿主要是在配电线路上安装电容器

来实现功率补偿，但是这类补偿一般需要将电容器安装在远离变电站的位置，在保护配置以及运行维护方面都比较困难，并且成本过高。

2.3随机补偿

随机补偿的补偿方式是将电容器组通过熔断器

与电动机组并接，保持与电动机同时投入或退出，

从电动机端进行无功补偿，从而不需要进行频繁投切，安装和维护都比较方便，但是在电机进行检修或者测量相间绝缘时，容易损坏电机或者电容器，并且需要安装的容量比其他方式大，相应的电容器利用率也较低。

2.4随器补偿方式

这种补偿方式主要在变压器二次侧进行，将电容器接在二次侧以补偿变压器空载情况下的无功损耗，使空载励磁无功功率得到平衡，提高变压器的有效利用率，降低网损，提高用户的电压质量，然而这种方式安装比较分散，维护检修时需要随变压器一起，增加了维护的难度。

2.5跟踪补偿方式

这种补偿方式是将电容器组固定安装一组在变压器的低压侧，而其他组作为备用，根据电网因数的变化进行自动或手动调节进行投切，这种方式虽然比较灵活，但是投入较大，并且相应的保护装置比较复杂，运行维护难度大，并且只能进行有级调节。

所以综合以上各种方式的优缺点，现在普遍采用在变电站集中补偿的方式进行，这种方式维护简单，然而集中补偿方式由于变压器低压侧需要抑制的谐波不同，所选用的电容器组的电抗率也有所不同，相应的投退原则也必须科学合理，否则反而容易产生谐波，影响系统的安全运行。

3电容器组串联电抗器的作用

由于电网中很多电气设备和用电设备在运行中都会产生一定量的谐波，这些谐波对于电网的危害虽然是有限的，但是当变压器出现铁芯饱和、电弧炉炼钢等情况下则会产生大量的高次谐波，此时将严重影响供电质量和供电可靠性，所以需要采取一定的措施抑制高次谐波。同时电网需要通过电容器组补偿无功功率，所以在电容器回路串联电抗器，造成一个对n次谐波的滤波回路，具有十分重要的意义。

同时，如果单纯安装电容器组，在投入运行时会产生一定的涌流，加装串联电抗器后，可以把合闸涌流抑制在1+电抗率倒数的平方根倍以下。实际运行中，通常会要求将涌流的数值限制在电容器额定电流20倍以下，为了避免谐波放大，安装的串联电抗器的伏安特性最好为线性，电抗率[3]在0.1%-1%左右时，即可将涌流限制在额定电流的10倍以下。另外，降低了涌流暂态的幅值，可以有效抑制操作电流的暂态过程，有利于接触器触头及时断开，避免弧光重燃，从而引起操作过电压，避免过电压击穿电容器。

当电容器出现故障时，比如电容器的极板击穿或者电容器对地击穿时，此时的短路电流会通过系统阻抗和串联电容器阻抗，假如没有串联电容器阻抗，由于系统的阻抗一般都很小，此时会产生很大的短路电流，所以加装串联电抗器还可以提高短路阻抗，减小短路容量，确保断路器可以有效开断短路电流。

串联电容器还有一个作用是可以降低电容器投切过程中的操作过电压，抑制接触器触头的重击穿现象，降低操作过电压，从而保障电容器组的安全运行。

当变电站母线上装设多组电容器组时，考虑到系统既有三次谐波，也有五次谐波，所以电容器组既有串联大电抗器也有的会串联小电抗器来抑制不同的谐波。抑制的谐波种类是通过电抗率来区分的，电抗率的含义是串联电抗器的感抗值与该回路电容器容抗值的百分比，比如系统中普遍采用在回路中串联12%电抗构成3次谐波滤波器，串联6%电抗构成5次谐波滤波器，不采用精确值的11%和4%，而是采用数值稍大一点的电抗率，是为了使电容器回路整体呈现电感性，避免完全谐振时电容器过电流。

由于电容器组的电抗率不同，所以电容器的投退顺序问题也十分重要，当电容器回路呈现电感性时，电容器回路和系统阻抗处于并联分流的状态，可以使得流入系统的谐波电流有效降低，但是当电容器回路呈现电容性时，由于电容器组的补偿作用，电容器回路会在谐波电压的作用下，将产生的谐波电流流入系统，反而加大了系统的谐波电流，很有可能使得母线电压发生畸变，所以电容器组的投切原则必须合理。

4电容器组的投切原则

电容器组在投入运行时，将系统模型（元件理想化）简化表示为图1所示，其中，In为等效谐波源，T为变压器，XL为等效串抗，XC为等效电容器组。

所得结果显示三次谐波阻抗为负值。因此，当电抗率为6%时，并联电容器组对三次谐波有放大作用。

若要避免电容支路放大三次谐波，则需要该支路阻抗不为负。当电容支路阻抗为零时，此时可计算得出电抗率为：

K=0.1111

显然，若要避免电容支路阻抗放大三次谐波，电抗率至少得为11.11%。然而由于阻抗为零时会产生谐振，此时谐波电流全部流经电容器组，对设备产生不利现象，因此电容支路阻抗需为正，电抗率需大于11.11%。

在综合考虑经济性、安全性和运行需求的情况下，通常变电站对变低侧并联电容器的电抗率选择采用混合搭配的策略。也即通过接入一个电抗率为12%以上的并联电容器组及其串抗来抑制三次谐波，例如罗洞站#2主变压器变低侧起此作用的为22C并联电容器组（串抗电感值为11mH，电抗率为17%）。

根据前面的分析，可以依次计算出几个典型的谐波次数所对应的令电容支路谐振的电抗率，所得结果如表1所示：

表1.不同谐波次数下电容支路谐振时的电抗率

结果显示，随着谐波次数的提高，电容支路发生谐振所需的电抗率随之也在降低，实际工程设计中则需选择更大一点的电抗率来避免电容支路谐振。由此看出，抑制低次谐波所需的电抗率均能满足对更高次谐波的谐波抑制要求，反而仅采用抑制高次谐波对应的电抗率时会对低次谐波起到一个放大的作用。因此，在投切并联电容器组的时候，要严格遵从一定的“先投后退”原则，先投后退高电抗率的电容器组，后投先退低电抗率的电容器组，避免出现谐波放大的现象。仍然以#2主变变低侧电容器组为例，22C的电抗率为17%，21C的电抗率为6%。因此，要先投后退22C，后投先退21C，避免造成谐波放大。

所以综合以上分析，电容器组的投退原则与电抗率的大小息息相关，在实际运行中，无论是人工还是自动VQC投退方式，必须按照投退原则进行投退，以保证电网的安全运行。

5结论

随着电力系统的广泛发展，对于电压、频率的要求更为重要，因而正确的选用无功补偿装置，并且根据变电站的实际运行情况，以及需要抑制的谐波次数，选择电抗率符合要求的电容器组，并且按照投退原则进行投退，既能提高系统的功率因数，降低网络损耗，提高电压质量，还能有效抑制各种谐波对电网的不利影响，保障电网的安全运行。本文主要研究无功补偿装置原理以及电容器组的投退原则，但是由于案例有限，未能进行更加广泛的研究，希望能为以后的研究提供一定的借鉴，采取更加有效地方式进行无功补偿，进一步提高供电可靠性和系统并列运行的稳定性。

参考文献:

[1]段春义，王铁，崔影．35kV变电站无功补偿选择[J]．智能建筑电气技术，2003，08：61-64．

[2]段经纬，电力系统无功补偿相关问题探讨[J].电网技术，2012，31：,266，301

[3]张宁，张少海，并联电容器对电网谐波的影响及防止方法[J].农业网络信息，2012，(6).29-30．