配电网电容器过补偿的危害及其防范措施浅述
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【摘 要】在电力系统中，变压器、异步电动机等具备电磁线圈，这些设备在工作时需建立磁场，消耗大量的无功功率。若无功功率损耗后无法及时得到补偿，会对电网的安全、稳定运行产生负面影响，而且长期以来我国大部分配电网存在无功容量不足的问题，在电力系统中，对电力系统实施无功补偿则是其更加安全稳定经济运行的关键条件。然而，由于客观条件及思维定势的存在，使得研究人员习惯性地将“无功不足”设置为了对无功补偿进行研究时的出发点。在变电站调度监控系统中监测到一个现象：某变电站电容处计量到过多的有功电量，超出了合理范围。前往现场进行查验，测量相关技术指标综合分析后，发现该处是因为无功过补偿而导致的有功损耗增大，并非常见的无功欠补偿。
【关键词】电容器;过补偿;负载电压;线路损耗;电费
1 电容器过补偿的定义
进行电容器过补偿分析，首先要明确其电气含义，常用用电线路等效电路图进行分析。
R为线路等效电阻，C为补偿电容，Z为负载阻抗，1为线路电流，c为电容电流，2为负载电流，为线路首端电压，1为线路电阻压降，2为负载端电压。
根据用电线路的等效电路图，以电压为参考矢量，电流由相位角φ遵守顺时针的方向进行旋转，四象限依次表示为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ象限，可做出其象限示意。在正常情況下，1应在Ⅰ象限运行，电压超前电流，电路呈感性。一旦有较多的电容器投入，过补偿时的电容电流c和负载电流2合成为过补偿时的线路电流1，电能表将运行于Ⅳ象限，此时相角φ的取值范围为0°～-90°，电路呈容性，在此区间运行就是电容器过补偿。
2 电容器过补偿的危害
2.1引起负载电压降低
在投入较多的电容器后，其系统处于过补偿状态，此时电路呈容性，看出此时的线路电流1较正常运行时的电流1远远增大，进而导致线路电阻压降1增大。一旦维持不变，负载端电压2将会大幅下降，这会对用电设备的正常运行造成影响;一旦维持2不变，则需将首端电压提升，这时需要对发电机励磁电流进行调整，使感性无功功率输出提升，但是会引起发电机效率下降，不利于发电机的经济运行。
2.2 引起线路损耗增加
在传输相同有功功率的前提下，为分析电容器投切前后各特征量运行区间及相位变化情况与线路损耗间的关系，以功率因数为0.9，即φ=arccos0.9=25.84°为例，将电容器投切前后的功率因数角运行区间划分为三种状态进行分析。运行区间为25.84°≤φ≤90°时，在此区间运行时系统未投入电容器，线路呈强感性，线路电流1处于Ⅰ象限，功率因数低于0.9，此时线路电流较大，线路损耗增加。运行区间为0°≤φ≤25.84°时，在此区间有补偿电容器投入，线路呈弱感性，线路电流1处于Ⅰ象限，功率因数处于0.9～1.0之间。投入补偿电容后，c与2合成为1，1<2，使得线路电流下降，促使线路电阻R损耗功率下降，线损率下降，发电机效率上升，系统处于经济运行状态。运行区间为-90°≤φ≤0°时，在此区间大量投入补偿电容，线路呈强容性，线路电流1处于Ⅳ象限，功率因数就会降低。根据线路电流幅值的变化趋势可以看出，线路电流大幅升高，导致线路电阻R的损耗功率升高，线损率增加，发电机效率降低。
2.3 引起有功损耗增加
在进行变压器工程计算时，通常忽略励磁支路，采用变压器简化等效电路。其中，1为供电电压，2为负载电压，rk为原、副边电阻之和，xk为原、副边电抗之和。
当电容器过补偿时，变压器负荷呈容性。有1超前于2，设超前的相位角为φ，在变压器中电抗远大于电阻，即x>>r，则据此可以做出变压器简化等效电路的相量示意。2>1。所以，在供电电压稳定的情况下，电容器的过补偿会引起变压器二次侧电压的升高。在线路交流电压的作用下，电力电容器的极板中、内部介质中、引线等导体中，以及瓷瓶间的漏泄电流等都会出现一定的有功损耗。
2.4 引起用户电费支出增加
根据国家相关规定，只要装有无功补偿设备，而且有可能向电网倒送无功电量的用户，在计量电能消耗时，对于无功功率的正向或反向流动，按倒送的无功电量以及实用的无功电量两者的绝对值之和进行计量，即一律被记录为无功消耗。目前，新型智能电能表计量用户无功功率的方式是计量感性无功电量与容性无功电量之和。
对于基本电费，其只与主变压器的安装容量相关，因此，控制基本电费的关键在于合理配置变压器的安装容量。这要求最大程度的提高系统的功率因数，降低通过变压器的无功电流，使变压器在安装容量方面得到最有效使用。当电容器补偿配置过量时，由2.2中分析可知会引起系统功率因数降低，导致变压器容量无法充分有效使用，造成基本电费支出增加。例如：A企业的总负载功率为1000kW，负荷率则为80%，采取合适的电容补偿措施可将系统功率因数控制在0.9以上，此时对1000kVA变压器选择，就能使负载容量要求所满足。当出现电容过补偿时，将造成系统功率因数降低，若此时负荷平均功率因数为0.7，则需选用1250kVA变压器才能使负载容量要求满足。对比两种情况下的变压器配置方法，当出现电容过补偿情况时，每年基本电费费用支出增加：18×（1250-1000）×12=54000元。
对于力调电费，是由企业系统功率因数决定。当由于电容器过补偿引起功系统率因数下降时，按照《功率因数调整电费办法》规定，若功率因数低于规定标准时，电价就要按规定进行相应比例提高，导致用户电费支出增加。仍采用A企业案例，若该企业月度电量电费为10万元，若补偿过量，功率因数为0.7，对照功率因数调整办法，月度电费调整百分数为+10%，则每年需支出力调电费为（18×1250+100000）×10%=12250元。若合理采用电容补偿，则可免除该力调电费支出。对于电量电费，根据2.2及2.3中相关分析，电容器过补偿时会引起线路损耗及电容器有功损耗的增加，该部分有功损耗会给企业带来有功电量计费的经济损失。
3 防范措施
在实际生产应用中，为防止配电网电容器过补偿，避免因功率因数下降引起的负面影响，应采取以下针对性防范措施。a.在规划设计方面，应合理设计补偿电容器组容量，可将系统功率因数控制在正常偏低水平，为电容器无功补偿留出预量空间。同时，增加自然功率因数高的设备使用比例，减少系统内感性无功功率消耗。b.在运行方面，装设功率因数表监测系统功率因数变化情况，配置电容器自动投切装置监测系统中负荷变化情况。在负荷发生变化时，实现采取最佳方式自动投入或切除无功补偿装置的效果，保障功率因数运行在经济范围。c.在人员管理方面，加强对调度及运行人员在电压调节及无功补偿领域的专业培训，提升其无功管理综合素质及处理实际问题的能力，使其更加合理的投切电容器。建立科学严格的无功管理考核制度，提升无功管理水平，努力提高功率因数。
4 结论
电容器过补偿带来的危害充分印证了维持功率因数合理稳定及电气设备能够经济运行的重要性。对电力企业来说，维持合理的功率因数，可以充分利用发电机工作效率，保持供电电压稳定，降低线路损耗，从而提供良好的供电服务。对用电客户来说，维持合理的功率因数，可以使电费支出降低，使企业生产成本减少。所以，运用各种措施避免电容器过补偿，维持功率因数合理稳定，具有重要的现实意义。
参考文献：
[1]常仕亮，黄孝超.电容器过补偿的危害及防范措施[J].计量与测试技术，2010，37（5）：17-18.
[2] 沈文琪.电力电容器的损耗、损耗角正切和等值电路[J].电力电容器，2003（1）：28-29.
（作者单位：正泰电气股份有限公司）
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