Application and Research of Reactive Power Compensation in
Low Voltage Power Network
万波 WAN Bo
（冀中能源股份公司邢台矿，邢台 054000）
（Xingtai Mine of Jizhong Energy Co.，Ltd.，Xingtai 054000，China）
摘要：近年来，随着电网系统的完善，用电规模的进一步扩大，电力的供应紧张使人们想到了降损节能，使用了无功补偿装置。本文系统地介绍了低压无功补偿技术，并具体分析各个部件的选型和成套装置的技术，并对目前无功补偿的问题进行了一定的探讨和研究，以期同行探讨。
Abstract: In recent years, with the improvement of the power grid system, the scale of power consumption has been further expanded, and the tight supply of electricity has led people to think of reducing energy loss and saving energy, and using reactive power compensation devices. This paper systematically introduces the low-voltage reactive power compensation technology, and specifically analyzes the selection of various components and the technology of the complete set of equipment, and conducts some research on the current reactive power compensation problem, with a view to peer discussion.
关键词：无功补偿；低压电网；应用与研究
Key words: reactive power compensation；low voltage power grid；application and research
中图分类号：TM761+.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）26-0233-02
1 概述
无功功率并不是不做功，它实际上有很大的用处。它实际上是线圈电感性磁场贮能与电容器电容性电场贮能。在交流电系统中，无功功率就保持平衡。由于用户大多是电动机，变压器等电感生负荷，必须用容性功率来平衡它。所以，无功补偿常用并联电容器。据统计，在电网损耗中，10%的损耗为有功功率，而30%~50%的损耗为无功功率。
我矿的电动机消耗的电能占所用电量的70%，而由于设计和使用等方面的原因电动机的功率因数往往较低，一般约为cosφ=0.70。想要改变这种现状，就需要把无功补偿纳入到电网规划中，而采用采用无功补偿节能技术，既可以深入挖掘电网潜力又可以提高电能质量。
2 无功补偿的原理
2.1 无功补偿的原理
三相功率因数的计算公式为：
■
由式公式可知，功率因数cosφ与无功功率成反比。
2.2 无功补偿的作用
2.2.1 提高变压器的带负荷能力
功率因数从cosφ1提高到cosφ2，变压器带负荷能力变为：
■
可以看出，补偿后变压器的带负荷能力比补偿前提高ΔS%，利用率更高，可以减少设备的投资。
2.2.2 无功补偿的作用和原理
可由图1 来解释：■
设电感性负荷需要从电源吸取的无功功率为Q，装设无功补偿装置后，补偿无功功率为QC，使电源输出的无功功率减少为■，功率因数由cosφ提高到cosφ'，视在功率S减少到S'。
■
2.3 无功补偿方式
低压无功补偿的目标是实现无功的就地平衡，通常采用地方式有三种：分散补偿、集中补偿、就地补偿。
集中补偿一般在主变、配电站，但其补偿线路及变配电站的无功需求，还可以补充就地补偿和分散补偿不够差的无功功率。分散补偿一般配电室室进行，补偿容量根据用电负荷情况大小而算出来的。就地补偿是对大容量的个别负载进行的，在负载附近进行补偿，可以最大的减少电力能源的损耗。这三种补偿方式，以就地补偿效果最好，缺点是其投入大，补偿设备使用率不高，有浪费嫌疑。在一般情况下三种方式配合使用，可以将供配电系统的无功补偿到合理的程度。
3 补偿容量的计算
当容性无功功率QC等于感性无功功率QL时，电网只传输有功功率P。在实际应用过程中，一般高压用户的功率因数应达到0.9以上，低压用户的功率因数应达到0.9-0.95。需要补偿的电容器容量的计算公式如下：
QC=P*（tanφ1-tanφ2）
式中：
QC——电容器的安装容量，kvar
P——系统的有功功率，kW
tanφ1——补偿前功率因数角的正切值
tanφ2——补偿后功率因数角的正切值
4 低压无功补偿装置的选择应注意的问题
确定无功补偿容量时，应注意以下两点：在空载和轻负荷时要避免过补偿，倒送无功造成功率损耗增加，也是不经济的。功率因数不是越高越好，一般情况下，将功率因数提高到0.95就是合理补偿。
4.1 低压无功补偿控制器
我矿无功补偿控制器一般采用安科瑞ARC产品，功率因数自动补偿控制器可以将其采样到的电流、频率、电压、功率因数、有功功率、无功功率、谐波含量、温度等信号通过RS485通讯接口传送到其它外部设备。当功率因数达到指定值时，停止投切。在投切时，能自动进行不同的顺序投切，有相应的间隔时间。一般有两种模式，手动投切和自动投切。无功补偿控制器作为无功补偿的核心，具有很重要的地位。其还有拓展功能，例如：过电压保护、温度控制功能等，还可以通过开关量输入接入PLC系统。
4.2 电容器
电容器应用时要求有保护装置，如内熔丝，外熔断器，继电器等。对于有涌流的场合，选0.1%~1%的电抗器。对于有谐波的场合，如有5次及以上的谐波，取4.5%～6%的电抗器；当有3%及以上的谐波时，要用12%电抗器。电抗器的额定电流不应小于所加连接的电容器组的额定电流，其允许的过电流值不应小于电容器组的最大过电流值。电容器就满足在45℃环境温度下长期运行。温度高，将导致电容器在高温下发热，从而膨胀、漏液。电容器一般在1.1UN条件下能长期运行。但如超过1.15UN，运行时间不超过30分钟。如在电压不稳定的场合，就选取电压等级高的，如原先选用0.4kV的可改选为0.45kV的。这样可以延长电容器的寿命。电容器一般要求有内装的放电电阻。 这样可以不受安装地点的限制而能可靠迅速地放电。电容器在实际投切时，一般采用分级分组投切。补偿级数越高，补偿的精度越高，但随着补偿级数的增加，装置的成本会大幅度提高，而且装置外箱也会变大。
4.3 投切开关的选型
电容器在投入系统的时候，会有一个无穷大的电流在极短的时间内，流入电容器中并将电容器的电压充电到与供电电压相等。这个把电容器投入时伴随的这个大电流我们通常把它叫做“涌流”，这个涌流不仅会对系统会造成不良的影响，还会对电容器造成不利影响。因此，我们希望限制这个涌流，其中的办法就是对电容器投切的开关进行专门的设计。
低压无功补偿装置中有一个关键的元器件特别容易出现损坏故障，这就是投切开关，这个元器件目前有三种产品，分别是电容器投切专用接触器、晶闸管和复合开关。其中，接触器长期运行不发热，但其存在频繁投切容易烧坏触头和投切产生涌流的缺点；晶闸管投切无浪涌且响应速度快，但其存在投切产生谐波和长期运行发热烧坏的缺点；复合开关基本工作原理是将晶闸管与接触器并接，当电容器投入时，晶闸管开关先通，然后接触器接通，而后再断开晶闸管开关；电容器切除时，晶闸管开关先通，然后接触器断开，再断开晶闸管开关。复合开关具有晶闸管过零投切和接触器无功耗的优点，还可扩展很多的保护功能。所以复合开关是未来发展的主要趋势。
5 无功补偿装置的应用实例
以我矿低压无功补偿装置在动力科的实际应用中的效果为例：
以动力科Ι回路所供的众多变压器中的的2#变压器为例。2#变压器为我矿总务科供电回路，在低压侧加装800kvar无功补偿电容柜，设定cosφ为0.95，小于限值则自动投入电容器组。如功率因数超过限值，由功率因数补偿器控制，开始自动切除电容器，使功率因数保持在0.9以上。试机时一次电流1350A，cosφ=0.68，装置动态投入520kvar后，功率因数接近到0.95，一次电流变为966A，电流是补偿前电流的71.5%，即减少线路电流28.5%。表1列出了补偿前后参数的变化。
■
6 结论
降低配电网的无功功率不仅节约电能，降低了无功功率，而且有着明显的经济效益。在无功补偿装置投入使用以后，我矿仅无功补偿一项一年节约电能即节约电费50万左右，经济效益和社会效益明显。随着节电技术的发展，还需完善的工作:优化无功补偿参数，选用更合适和性能更佳的各种无功补偿设备，以达到最佳的功率因数和最优化的节能效果。
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