在电力系统中,无功电源同有功电源一样重要,都是保证系统安全、经济、稳定、高效运行的必备条件。在电力系统中应保持无功功率的平衡,否则将会导致系统电压降低、设备损坏、电能质量下降、电网能耗显著增大；严重时,还会引起电压崩溃,系统解裂,造成大面积停电事故。因此,保持电网无功容量的充足,有着极为重要的意义。

1.补充电力系统的无功功率使之保持平衡

电力系统中的电动机、变压器、电焊机、日光灯等,大都是既具有电阻,又具有电感的电感性负载,它们既要吸取消耗有功功率,同时还要吸取消耗无功功率。如电动机在建立并维持三相旋转磁场时,变压器在建立并维持三相交变磁场时,均需吸取并消耗系统的无功功率。其表示式如下

式中 ΔP1——线路和负载绕组的有功功率损耗,kW；

ΔQ1——线路和负载绕组的无功功率损耗,kvar；

P——线路和负载绕组中的有功功率,kW；

Q——线路和负载绕组中的无功功率,kvar；

R——线路和负载绕组的电阻,Ω；

X——线路和负载绕组的电抗,Ω；

U——电网或线路的实际运行电压,kV。

据统计分析,在农村电网中,电动机消耗的无功功率约占60%,变压器消耗的无功功率约占30%,其余10%消耗在线路上。因此,电力系统不仅要供给负载以有功功率,同时还要供给无功功率,而且,负载的无功负荷是有功负荷的1.7倍左右。当电力系统无功功率供给不足时,就要加装无功电源(电网中所需的无功功率40%仅靠电力系统中的发电厂供给,其余60%要靠电网装设无功补偿设备来解决),进行无功补偿(见图5-1)。其表示式如下

式中 Qc——电网无功补偿容量,kvar；

ΔP2——补偿后的电网有功损耗,kW；

ΔQ2——补偿后的电网无功损耗,kvar。

图5-1　电网并联补偿的降损作用示意图

(a)补偿前；(b)补偿后

2.降低电网中的功率损耗

电网不仅在给用电设备输送有功功率时造成有功损耗,同时,在给用电设备输送无功功率时也要造成有功损耗(见图5-1)。其表示式为

式中 ΔP∑——电网的有功功率总损耗,kW；

ΔPP——电网输送有功功率时造成的有功损耗,kW；

ΔPQ——电网输送无功功率时造成的有功损耗,kW；

P——电网给用电设备输送的有功功率,kW；

Q——电网给用电设备输送的无功功率,kvar；

R——电网输送功率的线路电阻,Ω。

由式(5-5)可见,当电网结构固定,输送的有功功率一定时,电网有功功率损耗的大小取决于无功功率的输送量,而且与其平方值成正比。为此很有必要在电网的各个用电负荷点进行无功补偿,以减少电网的无功功率输送量,从而降低有功功率损耗。

更简单地说,从下式也可以指出,因为对电网进行了无功补偿,使得电网的负荷功率因数cosφ提高了,从而使得线路中的负荷电流变小,功率损耗即线损减少。

3.减少电网中的电压损失,提高电压质量

电网中无功功率输送量的变化还将造成线路运行电压的波动和电压损失,导致线路首末端有一个电压差,引起用电设备处发生电压波动或不稳定,用电电压质量难以保证。线路电压损失与其输送的无功功率之关系可用下式表示

式中 Ue——线路额定电压,kV；(www.daowen.com)

R、X——线路电阻,电抗,Ω。

由式(5-6)显见,电网中电压损失的第二部分和输送的无功功率成正比。在架空线路中,当导线截面积较大时,线路的电抗值要比电阻值大2～4倍,而变压器绕组的电抗值要比电阻值大5～10倍。此时,QX/Ue≫PR/Ue,电网线路电阻值引起的电压损失可忽略不计,线路的电压损失主要由线路的电抗值来决定,即ΔU≈QX/Ue。因此,在各个用电设备处加装无功电源设备,进行无功就地补偿,可以减少电网的无功功率输送量,从而可以减少线路的电压损失,提高电网的电压水平和电压质量。

4.提高电网的输送能力和设备的利用率

众所周知,无功补偿可以提高电网的功率因数。因此,在电网视在功率不变的情况下,电网输送的有功功率必将增加,即输送的有功功率更多了,亦即提高了电网的输送能力(见表5-1)。这一原理可用下式表示

式中 ΔP——电网输送有功功率的增加量,kW；

S——电网的视在功率,kVA；

cosφ1、cosφ2——无功补偿前后的电网功率因数(亦称力率)。

表5-1　无功补偿(低压补偿)作用效果表

从另一方面来看,无功补偿可使功率因数提高,那么在传输相同的有功功率下,就可以节省设备的容量；即设备在传输原来的有功功率时,设备有超载现象,经无功补偿后就不存在超载现象了；亦即提高了设备的利用率或供电能力(见表5-1)。这一原理可用下式表示

式中 ΔS——传输相同有功功率设备容量的节省量,kVA；

P——设备传输的有功功率(假若不变),kW。

同样,从下式

图5-2　提高功率因数cosφ电力系统多送有功功率P少送无功功率Q示意图

也可以明显地看出,对电网进行无功补偿后,使得电网的负荷功率因数得以提高,从而使线路中的负荷电流减小,这样就可以选用较小截面的导线。或者说,如果线路导线不更换,由于功率因数提高,线路就可以多送有功负荷,从而提高了电网的输送能力,亦即提高了设备的利用率。

5.提高系统的功率因数,节省电费支出

电学原理告知,在电力系统中,有功功率、无功功率和视在功率三者之间的相量关系总是直角三角形的关系,即P2+Q2=S2,且功率因数cosφ=P/S,因此,当电网进行无功补偿时,系统中的无功功率就减小,有功功率就相应增大,系统的功率因数也就相应提高(见图5-2)。

功率因数的提高,将使电网线损降低,从而节约了电能和电费支出。即

式中 ΔA——电网线损电量,kW·h；

I——线路的负荷电流,A；

R——电网的线路电阻,Ω；

t——线路的运行时间,h；

P——线路的有功功率,kW；

U——线路的运行电压,kV；

cosφ1、cosφ2——无功补偿前、后的功率因数；

ΔA1、ΔA2——无功补偿前、后的线损电量,kW·h；

Aj——电网线损的节约量,kW·h。

同时,进行无功补偿,将使功率因数提高,从而使实行功率因数(或力率)调整电费办法的企业,获得奖励,节省电费支出。

综上所述,无功补偿无论对发电企业,还是对供电企业和广大用电客户,也不论是于当前,还是在今后数年或10余年内,都有极大益处、颇多效益。有经验体会者说得好：无功补偿真是一举多得、一本多利!故应大力推广应用。