电力系统电压与无功补偿

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1、电力系统电压与无功补偿（之一）汪延宗陈立飞北京电力公司(100031)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。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

2、将用于作功而被消耗掉，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

3、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。我们以电感元件和电容元件的并联回路来说明这个问题，见图1a，在电压的作用下，电感回路中电流滞后电压90海诘缛莼芈分械缌魅词浅暗缪90海丛谕坏缪棺饔孟拢我凰彩保琁L和IC在时间轴对称。我们将每一瞬间电感上的电压与电感电流IL相乘得到电感的功率曲线PL(图1b)，同样的，将电容上的电压与电容电流IC相乘得到电容的功率曲线PC(图1c)。如图2a所示，功率在第二个和第四个1/4周期内电感在吸收功率，并把所吸收的能量转化为磁场能量；而在第一和第三个1/4周期内电感就放出功

4、率，储存在磁场中的能量将全部放出。这时电感好象一个电源，把能量送回电网。磁场能量和外部能量的转化反复进行，电感的平均功率为零，所以电感是不消耗功率的。如图2b所示，在电容中，在第一个1/4周期内，电容在吸收功率进行充电，把能量储存在电场中。在第二个1/4周期内电容则放出功率，原来储存在电场中的能量将全部送回给外部电路。第三和第四个1/4周期内各重复一次。电容的充电和放电过程，实际上就是外部电路的能量和电容的电场能量之间的交换过程。在一个周期内，其平均功率为零，所以电容也是不消耗功率的。我们注意到：在第一个1/4周期中，当电压通

5、过零点逐渐上升时，电容开始充电吸收功率，电感则将储存的能量放回电路。而当第二个1/4周期，电感吸收功率时，电容放出功率。第三和第四个1/4周期又重复这样的充放电循环过程。因此，电容和电感并联接在同一电路时，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

6、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(见图3)，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。它表明了电力负荷的性质。P=UIcosfQ=UIsinfS=(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（感性）时表示吸收无功功率，Q为负值(容性)时表示发出无功功率，在

7、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。如图4所示，该图表示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，我们作出向量图，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

8、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海敲矗呗肥锥说缪筓1就是U2、IR、IX三个电压的和，如图5所示。从向量图可知，线路的电压损耗DU为电压DU1和DU2之和，从图中可知