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[摘 要]本文主要从无功补偿的作用、工作原理、意义、补偿方法的确定等多个方面， 详细介绍了低压无功补偿的设计问题， 阐述了电气设计的最优化、规范化知识，对于电气施工安装实践具有重要的指导作用。
[关键词]无功补偿；功率因数
中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）08-0365-02
1 引言
当今社会能源成本的不断上升，无功补偿可以改善电能质量，降低电能损耗，减少用户的电费支出，是一项投资少，收效快的节能措施。而且在工厂供电系统中，绝大多数用电设备都具有电感的特性。（诸如：感应电动机、电力变压器，电焊机等）这些设备不仅需要从电力系统吸收有功功率，还要吸收无功功率以产生这些设备正常工作所必需的交变磁场。然而在输送有功功率一定的情况下，无功功率增大，就会降低供电系统的功率因數。因此，功率因数是衡量企业供电系统电能利用程度及电气设备使用状况的一个具有代表性的重要指标。而如何进行是本文要探讨的课题
2 国内外的研究现状
目前在国内电网采用的电容补偿技术主要是集中补偿与就地补偿技术。就地补偿技术主要适用于负荷稳定，不可逆且容量较大的异步电动机补偿，其它各种场合仍主要采用集中补偿技术。常用的补偿装置有同步调相机和静止补偿装置，早期的无功功率补偿装置主要为同步调相机，多为高压侧集中补偿。静止补偿器的基本作用是连续而迅速地控制无功功率，即以快速的响应，通过发出或吸收无功功率来控制它所连接的输电系统的节点电压。 在我国电力工业发展过程中，因多年“重发电，轻供电”思想的影响，造成电网建设落后，结构不合理，导致城市和农村配电网无功补偿不足，电能质量不高等。系统无功对电压影响大。无功功率的不足或过大，将引起系统电压的下降或上升，从而造成电能的损失和浪费十分严重。从微观角度看，随着电网容量的扩增，用户家用电器感性负载的不断增加，使得城市配电网公用变低压侧功率因数较低。从宏观角度来看，整个电网的无功潮流分布不平衡，目前国内无功补偿主要采用变电站集中补偿和企业就地补偿两种形式。这两种形式都是基于某一个采样点的无功情况进行补偿，不能综合考虑整个电网的实时运行情况，而无功潮流在整个电网上是动态分布的，传统的补偿方法无法解决无功潮流分布不平衡，电压波动大等问题。目前主要存在问题是控制规律简单，抗干扰能力差，由于户外工作环境相对恶劣，装置的可靠性和控制精度难以满足现场运行的要求，不具备通讯功能，不能实现全电网的无功优化对电能质量进行在线监视，此外还存在着采用有触点继电器进行电容器投切控制时产生的电网波动大，无功功率补偿产品的工作寿命低的缺点，难以满足现代化电力系统“绿色”环保的需要。 随着电力电子技术，特别是大功率可开断器件技术的发展，国外开发不同结构类型的静止无功功率补偿装置。无功补偿系统的安装都是基于全电网的无功平衡和最优效率，一般包括电网重要节点补偿和设备就地补偿两种。补偿系统都采用先进的电脑控制，自动化程度高。 对比国内外在补偿技术上的差距，根据我们电力系统的现状，迫切需要我们对无功补偿技术进行更进一步的研究和设计。
3 无功补偿的工作原理
所有交流电网消耗两种类型的功率：有功功率（kW）和无功功率（kvar）：
（1）有功功率 P （kW） 是实际传输给电力负荷的能量，电力的有功功率转化为机械动力、热和光，如：电机、灯具、加热器和电脑等
（2）无功功率Q （kvar） 仅用驱动设备的磁场，实现电场与磁场的转换。产生无功功率的设备，如：电机和变压器等。
（3）视在功率S（kVA）是有功功率和无功功率矢量合。
电网的无功功率循环，具有重要的技术和经济效应。对相同的有功功率P，较高的无功功率意味着更高的视在功率和更高的电流。随着时间的推移，有功功率的循环会产生有功能量（kW时），随着时间的推移，无功功率的循环会产生无功能量（kW时）。在一个电路中，除了有功的能量，还需要提供无功的能量。
正是由于这些原因，在负荷层面产生无功能源来避免不必要的网络电流循环，这就是所谓的“功率因数校正”。通过电容器的连接可以得到这种校正，电容器能够补偿被负载（如：发电机）所消耗的无功能量。其结果就是视在功率降低，功率因数提高，如下图1所示。发电和输电网络被部分补偿，减少功率损耗，使更多的传输能力可用。
4 无功功率补偿的意义
4.1优化的无功功率补偿带来经济效益和技术优势。
电费单上能够体现的节省，排除无功电能的损失，并且减少视在功率的需求，减少由变压器和导线安装所产生能量损失。例如630kVA的变压器损失减少：PW = 6，500W，初始功率因数= 0.7。通过功率因数校正，我们得到最终功率因数= 0.98。能量损失变成：3316W，即减少49%。
4.2增加可用功率
应用一个提高功率因数的设备，可以优化电力设备。低压变压器的可用功率可以靠在低压侧合适的功率因数校正设备来提高。
4.3缩少安装尺寸
安装功率因数校正工具可以使导线的横截面减小，因为对应相同的有功功率，补偿设备会吸收更少的电流。
4.4降低设备的压降
安装电容器，可以使功率因数校正设备连接点以上的电压降减少。这样可以避免网络过载，并且使谐波减少，降低您的成本。
5 确定补偿的方法
5.1所需无功功率的计算
其目的是为了确定需要补偿的无功功率Qc（kvar），以提高功率因数cosφ，并减少视在功率S。
当φ' < φ时，我们得到：cosφ ' > cosφ 和 tgφ' < tgφ。如图1所示
Qc可以由图1推断出的公式来确定：Qc = P. （tgφ - tgφ '）。 Qc：电容器组的功率，单位：kvar
P：有功功率，单位：kW
tgφ：补偿之前，相位角φ的正切
tgφ' ：补偿之后，相位角φ的正切
5.2补偿方式的选择
低压电容器的安装位置，确定了补偿方式。补偿方式可能是集中补偿（对全部设备）、分支补偿（一个支路）、就地补偿（对单个负载），或者是后两者的组合方式。原则上，理想的补偿方式应用于能量消耗点上，并且实时达到所需能量值。但在实际应用当中，技术和经济因素会制约补偿方式的选择。电容器组在配电网络中的连接位置，由以下因素决定：
（1） 全部补给对象（避免无功电能的损失，减少变压器或电缆，避免电压降）
（2）工作方式（波动负载的稳定）
（3） 预知电容器给配电网络带来的影响
（4）设备成本
5.2.1集中补偿
电容器组安装在需要补偿的设备的首端，以便为下级全部设备提供无功电能。这种
配置适用于稳定且连续的负载系数。
5.2.2分支补偿
电容器组安装在馈电首端，为某一特定设备组提供补偿。这种配置十分方便大型设
备。这种配置适用于负载系数不同的大面积车间厂房。
5.2.3对单一负载的就地补偿
电容器组安裝在单一负载的进线端（特别是大型电机）。这是一种理想的配置，因为无功电能产生在真正需要的地方，并可以按照需求进行调节。
5.3电容器的控制方式选择
根据性能需求和控制的复杂程度，选择不同的补偿方式：
5.3.1定值补偿：无需调节，连接一个定值电容器组。电容补偿容量≤15% Sn（变压器容量）
该方式使用一个或多个电容器来提供一个恒定的补偿。控制方式有：
（1）手动：由断路器或负荷开关来切换
（2）半自动：由接触器来控制
（3）直接连接到一台设备并切换这个连接
这些电容器应用于：
（1）电感负载终端（主要是电机）
（2）在提供众多小型马达和个别赔偿的费用太昂贵归纳电器母线
（3）在负载情况下的因素是合理的常数
5.3.2自动调节补偿：电容器分多步投切来达到要求。电容补偿容量 > 15% Sn（变压器容量）
这种补偿方式提供自动控制，并根据设备的变化提供适当的无功功率来保持特定的功率因数。该设备应用于有功功率和/或无功功率变化相对较大的位置，例如：
（1）在主配电盘的母线处
（2）在大量馈线的终端
5.3.3根据工作环境和谐波影响，合理选择电容器
需要根据工作环境选择耐受程度不同的电容器。
工作环境对电容器的寿命有很大影响，选择电容器时要遵循下列参数：
（1）环境温度 （？C）
（2）需要考虑过电流、相关的电压扰动，包括最大的持续过电压值
（3）每年最多的切换运行次数
（4）要求的平均寿命
考虑谐波，根据不同的强度推荐不同的方案：
（1）标准型电容器：适用于轻度谐波污染环境
（2）过谐型电容器：适用于中度谐波污染环境，特别是电压扰动环境
（3）调谐型电容器：与调谐电抗器配合使用，适用于重度谐波污染环境（大量非线性负载）。电抗器是必要的，以限制谐波电流循环，同时避免共振
（4）调谐滤波器：当网络中主要都是非线性负载时，要求抑制谐波。基于现场网络测量和计算机仿真，需要特殊设计。
6 结论
综上所述，不论是从节约电能，提高供电质量，还是从提高供电设备的供电能力而言，都必须对供电电网和设备进行无功补偿，以便改善功率因数，提高系统的供电能力，使供电用电系统在经济合理状态下运行。
[关键词]无功补偿；功率因数
中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）08-0365-02
1 引言
当今社会能源成本的不断上升，无功补偿可以改善电能质量，降低电能损耗，减少用户的电费支出，是一项投资少，收效快的节能措施。而且在工厂供电系统中，绝大多数用电设备都具有电感的特性。（诸如：感应电动机、电力变压器，电焊机等）这些设备不仅需要从电力系统吸收有功功率，还要吸收无功功率以产生这些设备正常工作所必需的交变磁场。然而在输送有功功率一定的情况下，无功功率增大，就会降低供电系统的功率因數。因此，功率因数是衡量企业供电系统电能利用程度及电气设备使用状况的一个具有代表性的重要指标。而如何进行是本文要探讨的课题
2 国内外的研究现状
目前在国内电网采用的电容补偿技术主要是集中补偿与就地补偿技术。就地补偿技术主要适用于负荷稳定，不可逆且容量较大的异步电动机补偿，其它各种场合仍主要采用集中补偿技术。常用的补偿装置有同步调相机和静止补偿装置，早期的无功功率补偿装置主要为同步调相机，多为高压侧集中补偿。静止补偿器的基本作用是连续而迅速地控制无功功率，即以快速的响应，通过发出或吸收无功功率来控制它所连接的输电系统的节点电压。 在我国电力工业发展过程中，因多年“重发电，轻供电”思想的影响，造成电网建设落后，结构不合理，导致城市和农村配电网无功补偿不足，电能质量不高等。系统无功对电压影响大。无功功率的不足或过大，将引起系统电压的下降或上升，从而造成电能的损失和浪费十分严重。从微观角度看，随着电网容量的扩增，用户家用电器感性负载的不断增加，使得城市配电网公用变低压侧功率因数较低。从宏观角度来看，整个电网的无功潮流分布不平衡，目前国内无功补偿主要采用变电站集中补偿和企业就地补偿两种形式。这两种形式都是基于某一个采样点的无功情况进行补偿，不能综合考虑整个电网的实时运行情况，而无功潮流在整个电网上是动态分布的，传统的补偿方法无法解决无功潮流分布不平衡，电压波动大等问题。目前主要存在问题是控制规律简单，抗干扰能力差，由于户外工作环境相对恶劣，装置的可靠性和控制精度难以满足现场运行的要求，不具备通讯功能，不能实现全电网的无功优化对电能质量进行在线监视，此外还存在着采用有触点继电器进行电容器投切控制时产生的电网波动大，无功功率补偿产品的工作寿命低的缺点，难以满足现代化电力系统“绿色”环保的需要。 随着电力电子技术，特别是大功率可开断器件技术的发展，国外开发不同结构类型的静止无功功率补偿装置。无功补偿系统的安装都是基于全电网的无功平衡和最优效率，一般包括电网重要节点补偿和设备就地补偿两种。补偿系统都采用先进的电脑控制，自动化程度高。 对比国内外在补偿技术上的差距，根据我们电力系统的现状，迫切需要我们对无功补偿技术进行更进一步的研究和设计。
3 无功补偿的工作原理
所有交流电网消耗两种类型的功率：有功功率（kW）和无功功率（kvar）：
（1）有功功率 P （kW） 是实际传输给电力负荷的能量，电力的有功功率转化为机械动力、热和光，如：电机、灯具、加热器和电脑等
（2）无功功率Q （kvar） 仅用驱动设备的磁场，实现电场与磁场的转换。产生无功功率的设备，如：电机和变压器等。
（3）视在功率S（kVA）是有功功率和无功功率矢量合。
电网的无功功率循环，具有重要的技术和经济效应。对相同的有功功率P，较高的无功功率意味着更高的视在功率和更高的电流。随着时间的推移，有功功率的循环会产生有功能量（kW时），随着时间的推移，无功功率的循环会产生无功能量（kW时）。在一个电路中，除了有功的能量，还需要提供无功的能量。
正是由于这些原因，在负荷层面产生无功能源来避免不必要的网络电流循环，这就是所谓的“功率因数校正”。通过电容器的连接可以得到这种校正，电容器能够补偿被负载（如：发电机）所消耗的无功能量。其结果就是视在功率降低，功率因数提高，如下图1所示。发电和输电网络被部分补偿，减少功率损耗，使更多的传输能力可用。
4 无功功率补偿的意义
4.1优化的无功功率补偿带来经济效益和技术优势。
电费单上能够体现的节省，排除无功电能的损失，并且减少视在功率的需求，减少由变压器和导线安装所产生能量损失。例如630kVA的变压器损失减少：PW = 6，500W，初始功率因数= 0.7。通过功率因数校正，我们得到最终功率因数= 0.98。能量损失变成：3316W，即减少49%。
4.2增加可用功率
应用一个提高功率因数的设备，可以优化电力设备。低压变压器的可用功率可以靠在低压侧合适的功率因数校正设备来提高。
4.3缩少安装尺寸
安装功率因数校正工具可以使导线的横截面减小，因为对应相同的有功功率，补偿设备会吸收更少的电流。
4.4降低设备的压降
安装电容器，可以使功率因数校正设备连接点以上的电压降减少。这样可以避免网络过载，并且使谐波减少，降低您的成本。
5 确定补偿的方法
5.1所需无功功率的计算
其目的是为了确定需要补偿的无功功率Qc（kvar），以提高功率因数cosφ，并减少视在功率S。
当φ' < φ时，我们得到：cosφ ' > cosφ 和 tgφ' < tgφ。如图1所示
Qc可以由图1推断出的公式来确定：Qc = P. （tgφ - tgφ '）。 Qc：电容器组的功率，单位：kvar
P：有功功率，单位：kW
tgφ：补偿之前，相位角φ的正切
tgφ' ：补偿之后，相位角φ的正切
5.2补偿方式的选择
低压电容器的安装位置，确定了补偿方式。补偿方式可能是集中补偿（对全部设备）、分支补偿（一个支路）、就地补偿（对单个负载），或者是后两者的组合方式。原则上，理想的补偿方式应用于能量消耗点上，并且实时达到所需能量值。但在实际应用当中，技术和经济因素会制约补偿方式的选择。电容器组在配电网络中的连接位置，由以下因素决定：
（1） 全部补给对象（避免无功电能的损失，减少变压器或电缆，避免电压降）
（2）工作方式（波动负载的稳定）
（3） 预知电容器给配电网络带来的影响
（4）设备成本
5.2.1集中补偿
电容器组安装在需要补偿的设备的首端，以便为下级全部设备提供无功电能。这种
配置适用于稳定且连续的负载系数。
5.2.2分支补偿
电容器组安装在馈电首端，为某一特定设备组提供补偿。这种配置十分方便大型设
备。这种配置适用于负载系数不同的大面积车间厂房。
5.2.3对单一负载的就地补偿
电容器组安裝在单一负载的进线端（特别是大型电机）。这是一种理想的配置，因为无功电能产生在真正需要的地方，并可以按照需求进行调节。
5.3电容器的控制方式选择
根据性能需求和控制的复杂程度，选择不同的补偿方式：
5.3.1定值补偿：无需调节，连接一个定值电容器组。电容补偿容量≤15% Sn（变压器容量）
该方式使用一个或多个电容器来提供一个恒定的补偿。控制方式有：
（1）手动：由断路器或负荷开关来切换
（2）半自动：由接触器来控制
（3）直接连接到一台设备并切换这个连接
这些电容器应用于：
（1）电感负载终端（主要是电机）
（2）在提供众多小型马达和个别赔偿的费用太昂贵归纳电器母线
（3）在负载情况下的因素是合理的常数
5.3.2自动调节补偿：电容器分多步投切来达到要求。电容补偿容量 > 15% Sn（变压器容量）
这种补偿方式提供自动控制，并根据设备的变化提供适当的无功功率来保持特定的功率因数。该设备应用于有功功率和/或无功功率变化相对较大的位置，例如：
（1）在主配电盘的母线处
（2）在大量馈线的终端
5.3.3根据工作环境和谐波影响，合理选择电容器
需要根据工作环境选择耐受程度不同的电容器。
工作环境对电容器的寿命有很大影响，选择电容器时要遵循下列参数：
（1）环境温度 （？C）
（2）需要考虑过电流、相关的电压扰动，包括最大的持续过电压值
（3）每年最多的切换运行次数
（4）要求的平均寿命
考虑谐波，根据不同的强度推荐不同的方案：
（1）标准型电容器：适用于轻度谐波污染环境
（2）过谐型电容器：适用于中度谐波污染环境，特别是电压扰动环境
（3）调谐型电容器：与调谐电抗器配合使用，适用于重度谐波污染环境（大量非线性负载）。电抗器是必要的，以限制谐波电流循环，同时避免共振
（4）调谐滤波器：当网络中主要都是非线性负载时，要求抑制谐波。基于现场网络测量和计算机仿真，需要特殊设计。
6 结论
综上所述，不论是从节约电能，提高供电质量，还是从提高供电设备的供电能力而言，都必须对供电电网和设备进行无功补偿，以便改善功率因数，提高系统的供电能力，使供电用电系统在经济合理状态下运行。