2007-12-28 14:39:25

一 “功率因數(shù)”

1　功率因素低對電網(wǎng)的危害

　　功率因數(shù)是指電力網(wǎng)中線路的視在功率供給有功功率的消耗所占百分數(shù)。

1.1 功率因數(shù)低增加發(fā)電機損耗

　　電網(wǎng)中工業(yè)負載較高，絕大多數(shù)工業(yè)負載是電動機，電動機的靜子是線圈，用電時電流與電壓是不同波形的。電流總是落后于電壓的變化曲線。如電流的正弦波曲線落后電壓約30度。根據(jù)有功功率公式P = UI Cosφ，傳輸相同數(shù)值有功功率，如果Cosφ太小，電流必然大，在傳輸線路上功率損耗P = I2 R必然大。 還有因為電流落后于電壓，在發(fā)電或傳輸線路上對它要進行修正和補償，使電壓與電流的正弦波曲線變體同步，需提高發(fā)電機勵磁電流(導致勵磁功率上升)，同時會提升發(fā)電機工作電壓，因此傳送的無功功率高即功率因數(shù)Cosφ小會使傳輸電壓上升。 電機工作電壓高會導致發(fā)電機損耗加大，同時也會使發(fā)電機絕緣線圈溫度上升，壽命縮短，提高功率因素Cosφ減輕發(fā)電機絕緣壓力。

1.2 功率因素影響電網(wǎng)系統(tǒng)電壓

　　電壓是電能質(zhì)量的重要指標之一，電壓質(zhì)量對電網(wǎng)穩(wěn)定及電力設(shè)備安全運行、線路損失、工農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量、用電單耗和人民生活用電都有直接影響。無功電力是影響電壓質(zhì)量的一個重要因素，電壓質(zhì)量與無功是密不可分的。

　　在現(xiàn)代用電企業(yè)中，在數(shù)量眾多、容量大小不等的感性設(shè)備連接于電力系統(tǒng)中，以致電網(wǎng)傳輸功率除有功功率外，還需無功功率。電力系統(tǒng)的設(shè)備負荷自然功率因素約為0.6-0.9。無功功率電源應(yīng)包括發(fā)電機、變電站的無功補償裝置及用戶的無功補償裝置。當系統(tǒng)無功缺額時，根據(jù)系統(tǒng)無功功率負荷的靜態(tài)電壓特性曲線（如圖一），在正常情況下，系統(tǒng)無功功率電源所提供的無功功率Qgcn，由無功功率平衡的條件Qgcn-Qld-Ql=0（即系統(tǒng)所提供的無功功率等于系統(tǒng)設(shè)備所需的無功功率與系統(tǒng)損耗的無功功率之和）決定的電壓為Un，設(shè)此電壓對應(yīng)于系統(tǒng)正常的電壓水平。但假如系統(tǒng)無功功率電源提供的無功功率僅為Qgc(Qgc<Qgcn)，此時雖然系統(tǒng)中的無功功率也能平衡，但平衡條件所決定的電壓水平為U，而U顯然低于Un。在這種情況下，雖然可以采取某些措施，如改變某臺變壓器的變比來提高局部地區(qū)的電壓水平，但整個系統(tǒng)的無功功率仍然不足，系統(tǒng)的電壓質(zhì)量得不到全面改善。這種平衡是系統(tǒng)無功功率不足時達到的平衡，是由于系統(tǒng)的電壓水平下降，無功功率負荷本身具有的電壓調(diào)節(jié)效應(yīng)，使全系統(tǒng)的無功功率需求有所下降而達到的平衡，是由于系統(tǒng)的電壓水平下降，無功功率負荷本身具有的電壓調(diào)節(jié)效應(yīng)，使全系統(tǒng)的無功功率需求有所下降而達到的。

　　當無功缺額情況嚴重時，用戶將竭力調(diào)用大容量用電設(shè)備，使功率因數(shù)進一步降低，系統(tǒng)無功負荷愈加愈大，電壓水平更低，形成惡性循環(huán)，最后造成電壓崩潰，系統(tǒng)瓦解而大面積停電。

1.3功率因素影響電網(wǎng)的無功潮流分布

　　無功功率的產(chǎn)生基本上不消耗能源，但是無功功率沿電力網(wǎng)傳送卻要引起有功功率損耗和電壓損耗。如能合理的配置無功功率補償即提高用戶端的功率因素，減少無功功率穿越，優(yōu)化電網(wǎng)的無功潮流分布，同時減少有功功率損耗和電壓損耗。

　　電壓與無功功率是與頻率與有功功率一樣，是一對對立的統(tǒng)一體。當無功負荷與無功出力相平衡時，電壓就正常，達到額定值，而當無功負荷大于無功出力時，電壓就下降，反之，電壓就會上升。

　　但電壓與無功功率之間的關(guān)系要比頻率與有功功率之間的關(guān)系復雜得多。

　　在一個并列運行的電力系統(tǒng)中，任何一點的頻率都是一樣的，而電壓與無功電力卻不是這樣的。當無功功率平衡時，整個電力系統(tǒng)的電壓從整體上看是會正常的，是可以達到額定值的，即便是如此，也是指整體上而已，實際上有些節(jié)點處的電壓并不一定合格，如果無功不是處于平衡狀態(tài)時，那么情況就更復雜了，當無功出力大于無功負荷時，電壓普遍會高一些，但也會有個別地方可能低一些，反之，也是如此。

　　無功缺乏和無功過多而無控制手段，都會給電網(wǎng)運行帶來問題和困難，甚至造成設(shè)備損壞和導致系統(tǒng)發(fā)生電壓崩潰事故。通過無功的優(yōu)化，以滿足正常運行方式下和規(guī)定事件(如N-1)后運行方式下的系統(tǒng)各點所要求的電壓水平，使電網(wǎng)安全運行和經(jīng)濟運行。

1.4 功率因素低增加電力傳輸過程中的功率損耗

　　在電力傳輸過程中，有功功率和無功率都會造成功率損耗，因此，在功率損耗中含有功損耗和無功損耗，即

由上式可以看出，當輸送的有功功率一定時，總的功率損耗便決定于輸送的無功功率的變化。而線路中輸送無功功率的多少，又決定于負荷的功率因素的高低。功率因素越低，說明無功功率越大，在電力傳輸中無功造成的損耗也越大。在理論上，功率因數(shù)從１．０下降到０．８５時有功損耗增加３８％；而功率因素從１．０下降到０．６時，有功損耗增加１７８％。

可見功率因素直接關(guān)系到電力網(wǎng)中的功率損耗和電能損耗，關(guān)系到供電線路的電壓損失和電壓波動，而且關(guān)系到節(jié)約電能和整個供電區(qū)域的供電質(zhì)量，功率因素過低甚至造成設(shè)備損壞和導致系統(tǒng)發(fā)生電壓崩潰事故。

2 無功補償對功率因數(shù)的影響

2.1 無功補償概念

  功率因數(shù)的產(chǎn)生主要是因為交流用電設(shè)備在其工作過程中，除消耗有功功率外，還需要無功功率。

根據(jù)

　　當有功功率P一定時，如減少無功功率Q，則功率因數(shù)便能夠提高。在極端情況下，當Q=0時，則其力率=1。因此提高功率因數(shù)問題的實質(zhì)就是減少用電設(shè)備的無功功率需要量。

    下面我們分析一下現(xiàn)代電網(wǎng)的無功功率需求情況。

　?。?）當今電廠受水、環(huán)保等多方面的制約，它的位置越來越遠離負荷中心，即使建在靠近負荷點，由于單機容量越來越大，發(fā)電機的額定功率因數(shù)也越來越高，這樣，電網(wǎng)實際接受的無功功率就越來越少，單靠發(fā)電機發(fā)出的無功功率遠遠不能滿足電網(wǎng)對無功功率的需要，必須配置各種無功功率補償裝置。

　?。?）系統(tǒng)需要的無功功率遠遠大于發(fā)電機所能提供的無功出力，這是由于現(xiàn)代高壓電網(wǎng)包括各級變壓器和架空線路在傳送電能時需要消耗大量的無功，稱為"無功損耗"，一般來說，這些無功損耗與整個電網(wǎng)中的無功負荷的大小是差不多的，我們以一臺50MVA的110kV變壓器為例來了解變壓器在運行中的無功損耗情況。

　　變壓器的參數(shù)為：Ue = 110kV，Se=50MVA，Uk%=17%，變壓器在傳送電能時的無功損耗的計算式為：

Q = SeUk%(I/Ie)2

　　式中 I--變壓器的負荷電流；

　　 Ie--變壓器的額定電流，與變壓器的無功損耗與變壓器的負載率、變壓器的額定容量及短路阻抗有關(guān)。

　　如果這臺變壓器滿負荷運行，那么它的無功損耗就是：Q = 50MVA?17%=8.5Mvar 此時變壓器的無功損耗相當大，其低壓側(cè)安裝的并聯(lián)電容器組的容量甚至不夠補償變壓器滿負荷時的無功損耗。

　　可見，現(xiàn)在電網(wǎng)的無功需量越來越大，提高電網(wǎng)功率因素只能通過無功功率補償。無功補償，就其概念而言早為人所知，它就是借助于無功補償設(shè)備提供必要的無功功率，以提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，降低能耗，改善電網(wǎng)電壓質(zhì)量。合理地投停使用無功補償設(shè)備，對調(diào)整電網(wǎng)電壓、提高供電質(zhì)量、抑制諧波干擾、保證電網(wǎng)安全運行都有著十分重要的作用。無功補償對電力系統(tǒng)的重要性應(yīng)越來越受到重視。

2.2 無功功率就地補償?shù)母拍?/p>

　　無功功率不宜遠距離輸送，當輸送功率與傳送距離達到一定極限時，其傳送功率成為不可能，這是由于高壓等級的變壓器、線路電抗較大，其無功損耗Q = I2X相應(yīng)也很大，所輸送的無功功率均損耗在變壓器及線路上了。另外，傳送大量的無功功率時，線路電壓損失也相當大，同樣會造成無法傳送的結(jié)果。

　　合理的就地無功補償對調(diào)整系統(tǒng)電壓、降低線損、提高功率因素有十分重要的作用。

　　設(shè)有一條110kV線路選用LG-300型導線(導線電阻0.095W/km)線路全長20km，輸送有功功率30MW，無功功率40Mvar，下面分別計算在功率因數(shù)cosf = 0.6和0.9時線路的功率損耗和應(yīng)補償?shù)臒o功功率。本題只計算導線電阻的功率損耗，不考慮其它因素。

　?。?）在cosf = 0.6時，此時有功P = 30MW，無功Q = 40Mvar，視在功率S = 50MVA，電流I = S/U = 50MVA/(110kV?31/2) = 263A，功率損耗P = I2·R = 2632×0.095?20?3 = 394kW。

　?。?）在cosf = 0.9時，此時有功功率P = 30MW，視在功率S = 33.333MVA，無功功率Q = 14.528Mvar，I = S/U = 33.333MVA/(110kV?31/2) = 175A，功率損耗 P = I2·R = 1752×0.095?20?3 = 175kW。應(yīng)補償無功容量 = 40 - 14.528 = 25.472Mvar。

補償前后有功損耗相差219kW。由計算結(jié)果可知補償無功功率25.472Mvar后每小時可降低線損219kWh。

　　從電力網(wǎng)無功功率消耗的基本狀況可以看出，各級網(wǎng)絡(luò)和輸配電設(shè)備都要消耗一定數(shù)量的無功功率，尤以低壓配電網(wǎng)所占比重最大。在配電網(wǎng)絡(luò)中，用戶消耗的無功功率約占50%～60%，其余的無功功率消耗在配電網(wǎng)中。

　　可見，為了最大限度地減少無功功率的傳輸損耗，提高輸配電設(shè)備的效率，無功補償設(shè)備的配置，應(yīng)按照“分級補償，就地平衡”的原則，合理布局。從根本上說，為保證電網(wǎng)的安全運行，就必須有足夠的無功電源來滿足系統(tǒng)負荷對無功功率的需求和補償線路和變壓器中的無功功率損耗。

　　無功補償改善了電能質(zhì)量使電壓合格率提高，電壓波動減小，提高電網(wǎng)安全運行的可靠性。補償后電網(wǎng)不必向用戶輸送大量無功，發(fā)電設(shè)備可以減少輸出功率，線路損耗和電壓降也因輸出電流減少而降低。輸變電變壓器也會因為不必承擔大量無功而有效輸出容量增加而獲得“增容”。對于供電企業(yè)而言，若能有效的搞好低壓補償，不但可以減輕上一級電網(wǎng)補償?shù)膲毫?，改善提高用戶功率因?shù)，而且能夠有效地降低電能損失；對用戶而言，由于線路壓降減小，用戶端電壓提高，可以使一些電壓低落的用戶恢復正常供電。電壓合格率的提高可以讓用電設(shè)備工作在額定狀態(tài)，發(fā)揮出最大效益并延長使用壽命。無功補償?shù)纳鐣б婕敖?jīng)濟效益都會是非常顯著的。

在交流電路中，電壓與電流之間的相位差(Φ)的余弦叫做功率因數(shù)，用符號cosΦ表示，在數(shù)值上，功率因數(shù)是有功功率和視在功率的比值，即cosΦ=P/S

功率因數(shù)的大小與電路的負荷性質(zhì)有關(guān)， 如白熾燈泡、電阻爐等電阻負荷的功率因數(shù)為1，一般具有電感或電容性負載的電路功率因數(shù)都小于1。功率因數(shù)是電力系統(tǒng)的一個重要的技術(shù)數(shù)據(jù)。功率因數(shù)是衡量電氣設(shè)備效率高低的一個系數(shù)。功率因數(shù)低，說明電路用于交變磁場轉(zhuǎn)換的無功功率大， 從而降低了設(shè)備的利用率，增加了線路供電損失。所以，供電部門對用電單位的功率因數(shù)有一定的標準要求。

(1) 最基本分析：拿設(shè)備作舉例。例如：設(shè)備功率為100個單位，也就是說，有100個單位的功率輸送到設(shè)備中。然而，因大部分電器系統(tǒng)存在固有的無功損耗，只能使用70個單位的功率。很不幸，雖然僅僅使用70個單位，卻要付100個單位的費用。在這個例子中，功率因數(shù)是0.7 (如果大部分設(shè)備的功率因數(shù)小于0.9時，將被罰款)，這種無功損耗主要存在于電機設(shè)備中(如鼓風機、抽水機、壓縮機等)，又叫感性負載。功率因數(shù)是馬達效能的計量標準。

(2) 基本分析：每種電機系統(tǒng)均消耗兩大功率，分別是真正的有用功(叫千瓦)及電抗性的無用功。功率因數(shù)是有用功與總功率間的比率。功率因數(shù)越高，有用功與總功率間的比率便越高，系統(tǒng)運行則更有效率。

(3) 高級分析：在感性負載電路中，電流波形峰值在電壓波形峰值之后發(fā)生。兩種波形峰值的分隔可用功率因數(shù)表示。功率因數(shù)越低，兩個波形峰值則分隔越大。保爾金能使兩個峰值重新接近在一起，從而提高系統(tǒng)運行效率。

無功功率補償裝置在電子供電系統(tǒng)中所承擔的作用是提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，降低供電變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環(huán)境。所以無功功率補償裝置在電力供電系統(tǒng)中處在一個不可缺少的非常重要的位置。合理的選擇補償裝置，可以做到最大限度的減少網(wǎng)絡(luò)的損耗，使電網(wǎng)質(zhì)量提高。反之，如選擇或使用不當，可能造成供電系統(tǒng)，電壓波動，諧波增大等諸多因素。

一、按投切方式分類:

    1. 延時投切方式

    延時投切方式即人們熟稱的"靜態(tài)"補償方式。這種投切依靠于傳統(tǒng)的接觸器的動作，當然用于投切電容的接觸器專用的，它具有抑制電容的涌流作用，延時投切的目的在于防止接觸器過于頻繁的動作時，電容器造成損壞，更重要的是防備電容不停的投切導致供電系統(tǒng)振蕩，這是很危險的。當電網(wǎng)的負荷呈感性時，如電動機、電焊機等負載，這時電網(wǎng)的電流滯帶后電壓一個角度，當負荷呈容性時，如過量的補償裝置的控制器，這是電網(wǎng)的電流超前于電壓的一個角度，即功率因數(shù)超前或滯后是指電流與電壓的相位關(guān)系。通過補償裝置的控制器檢測供電系統(tǒng)的物理量，來決定電容器的投切，這個物理量可以是功率因數(shù)或無功電流或無功功率。

    下面就功率因數(shù)型舉例說明。當這個物理量滿足要求時，如cosΦ超前且>0.98，滯后且>0.95，在這個范圍內(nèi)，此時控制器沒有控制信號發(fā)出，這時已投入的電容器組不退出，沒投入的電容器組也不投入。當檢測到cosΦ不滿足要求時，如cosΦ滯后且<0.95，那么將一組電容器投入，并繼續(xù)監(jiān)測cosΦ如還不滿足要求，控制器則延時一段時間（延時時間可整定），再投入一組電容器，直到全部投入為止。當檢測到超前信號如cosΦ<0.98,即呈容性載荷時，那么控制器就逐一切除電容器組。要遵循的原則就是：先投入的那組電容器組在切除時就要先切除。如果把延時時間整定為300s，而這套補償裝置有十路電容器組，那么全部投入的時間就為30分鐘，切除也這樣。在這段時間內(nèi)無功損失補只能是逐步到位。如果將延時時間整定的很短，或沒有設(shè)定延時時間，就可能會出現(xiàn)這樣的情況。當控制器監(jiān)測到cosΦ〈0.95，迅速將電容器組逐一投入，而在投入期間，此時電網(wǎng)可能已是容性負載即過補償了，控制器則控制電容器組逐一切除，周而復始，形成震蕩，導致系統(tǒng)崩潰。是否能形成振蕩與負載的性質(zhì)有密切關(guān)系，所以說這個參數(shù)需要根據(jù)現(xiàn)場情況整定，要在保證系統(tǒng)安全的情況下，再考慮補償效果。

    2. 瞬時投切方式

    瞬時投切方式即人們熟稱的"動態(tài)"補償方式，應(yīng)該說它是半導體電力器件與數(shù)字技術(shù)綜合的技術(shù)結(jié)晶，實際就是一套快速隨動系統(tǒng)，控制器一般能在半個周波至1個周波內(nèi)完成采樣、計算，在2個周期到來時，控制器已經(jīng)發(fā)出控制信號了。通過脈沖信號使晶閘管導通，投切電容器組大約20-30毫秒內(nèi)就完成一個全部動作，這種控制方式是機械動作的接觸器類無法實現(xiàn)的。動態(tài)補償方式作為新一代的補償裝置有著廣泛的應(yīng)用前景?，F(xiàn)在很多開關(guān)行業(yè)廠都試圖生產(chǎn)、制造這類裝置且有的生產(chǎn)廠已經(jīng)生產(chǎn)出很不錯的裝置。當然與國外同類產(chǎn)品相比從性能上、元器件的質(zhì)量、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上還有一定的差距。

    動態(tài)補償?shù)木€路方式

    (1)LC串接法原理如圖1所示

    這種方式采用電感與電容的串聯(lián)接法，調(diào)節(jié)電抗以達到補償無功損耗的目的。從原理上分析，這種方式響應(yīng)速度快，閉環(huán)使用時，可做到無差調(diào)節(jié)，使無功損耗降為零。從元件的選擇上來說，根據(jù)補償量選擇1組電容器即可，不需要再分成多路。既然有這么多的優(yōu)點，應(yīng)該是非常理想的補償裝置了。但由于要求選用的電感量值大，要在很大的動態(tài)范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，所以體積也相對較大，價格也要高一些，再加一些技術(shù)的原因，這項技術(shù)到目前來說還沒有被廣泛采用或使用者很少。

    (2)采用電力半導體器件作為電容器組的投切開關(guān)，較常采用的接線方式如圖2。圖中BK為半導體器件，C1為電容器組。這種接線方式采用2組開關(guān)，另一相直接接電網(wǎng)省去一組開關(guān)，有很多優(yōu)越性。

    作為補償裝置所采用的半導體器件一般都采用晶閘管，其優(yōu)點是選材方便，電路成熟又很經(jīng)濟。其不足之處是元件本身不能快速關(guān)斷，在意外情況下容易燒毀，所以保護措施要完善。當解決了保護問題，作為電容器組投切開關(guān)應(yīng)該是較理想的器件。動態(tài)補償?shù)难a償效果還要看控制器是否有較高的性能及參數(shù)。很重要的一項就是要求控制器要有良好的動態(tài)響應(yīng)時間，準確的投切功率，還要有較高的自識別能力，這樣才能達到最佳的補償效果。

    當控制器采集到需要補償?shù)男盘柊l(fā)出一個指令（投入一組或多組電容器的指令），此時由觸發(fā)脈沖去觸發(fā)晶閘管導通，相應(yīng)的電容器組也就并人線路運行。需要強調(diào)的是晶閘管導通的條件必須滿足其所在相的電容器的端電壓為零，以避免涌流造成元件的損壞，半導體器件應(yīng)該是無涌流投切。當控制指令撤消時，觸發(fā)脈沖隨即消失，晶閘管零電流自然關(guān)斷。關(guān)斷后的電容器電壓為線路電壓交流峰值，必須由放電電阻盡快放電，以備電容器再次投入。

    元器件可以選單項晶閘管反并聯(lián)或是雙向晶閘管，也可選適合容性負載的固態(tài)接觸器，這樣可以省去過零觸發(fā)的脈沖電路，從而簡化線路，元件的耐壓及電流要合理選擇，散熱器及冷卻方式也要考慮周全。

    3.混合投切方式

    實際上就是靜態(tài)與動態(tài)補償?shù)幕旌?，一部分電容器組使用接觸器投切，而另一部分電容器組使用電力半導體器件。這種方式在一定程度上可做到優(yōu)勢互補，但就其控制技術(shù)，目前還見到完善的控制軟件，該方式用于通常的網(wǎng)絡(luò)如工礦、小區(qū)、域網(wǎng)改造，比起單一的投切方式拓寬了應(yīng)用范圍，節(jié)能效果更好。補償裝置選擇非等容電容器組，這種方式補償效果更加細致，更為理想。還可采用分相補償方式，可以解決由于線路三相不平行造成的損失。

    4. 在無功功率補償裝置的應(yīng)用方面，選擇那一種補償方式，還要依電網(wǎng)的狀況而定，首先對所補償?shù)木€路要有所了解，對于負荷較大且變化較快的工況，電焊機、電動機的線路采用動態(tài)補償，節(jié)能效果明顯。對于負荷相對平穩(wěn)的線路應(yīng)采用靜態(tài)補償方式，也可使用動態(tài)補償裝置。對于一些特殊的工作環(huán)境就要慎重選擇補償方式，尤其線路中含有瞬變高電壓、大電流沖擊的場合是不能采用動態(tài)補償?shù)?。一般電焊工作時間均在幾秒鐘以上，電動機啟動也在幾秒鐘以上，而動態(tài)補償?shù)捻憫?yīng)時間在幾十毫秒，按40毫秒考慮則從40毫秒到5秒鐘之內(nèi)是一個相對的穩(wěn)態(tài)過程，動態(tài)補償裝置能完成這個過程。如果線路中沒有出現(xiàn)這么一段相對的穩(wěn)態(tài)過程并能量又有較大的變化，我們把它稱為瞬變或閃變，采用動態(tài)補償就要出問題并可能引發(fā)事故。

    二、無功功率補償控制器

    無功功率補償控制器有三種采樣方式，功率因數(shù)型、無功功率型、無功電流型。選擇那一種物理控制方式實際上就是對無功功率補償控制器的選擇。控制器是無功補償裝置的指揮系統(tǒng)，采樣、運算、發(fā)出投切信號，參數(shù)設(shè)定、測量、元件保護等功能均由補償控制器完成。十幾年來經(jīng)歷了由分立元件--集成線路--單片機--DSP芯片一個快速發(fā)展的過程，其功能也愈加完善。就國內(nèi)的總體狀況，由于市場的需求量很大，生產(chǎn)廠家也愈來愈多，其性能及內(nèi)在質(zhì)量差異很大，很多產(chǎn)品名不符實，在選用時需認真對待。在選用時需要注意的另一個問題就是國內(nèi)生產(chǎn)的控制器其名稱均為"XXX無功功率補償控制器"，名稱里出現(xiàn)的"無功功率"的含義不是這臺控制器的采樣物理量。采樣物理量取決于產(chǎn)品的型號，而不是產(chǎn)品的名稱。

    1.功率因數(shù)型控制器

    功率因數(shù)用cosΦ表示，它表示有功功率在線路中所占的比例。當cosΦ=1時，線路中沒有無功損耗。提高功率因數(shù)以減少無功損耗是這類控制器的最終目標。這種控制方式也是很傳統(tǒng)的方式，采樣、控制也都較容易實現(xiàn)。

    * "延時"整定，投切的延時時間，應(yīng)在10s-120s范圍內(nèi)調(diào)節(jié) "靈敏度"整定，電流靈敏度，不大于0-2A 。

    * 投入及切除門限整定，其功率因數(shù)應(yīng)能在0.85（滯后）-0.95（超前）范圍內(nèi)整定。

    * 過壓保護設(shè)量

    * 顯示設(shè)置、循環(huán)投切等功能

    這種采樣方式在運行中既要保證線路系統(tǒng)穩(wěn)定、無振蕩現(xiàn)象出現(xiàn)，又要兼顧補償效果，這是一對矛盾，只能在現(xiàn)場視具體情況將參數(shù)整定在較好的狀態(tài)下工作。即使調(diào)整的較好，也無法禰補這種方式本身的缺陷，尤其是在線路重負荷時。舉例說明：設(shè)定投入門限；cosΦ=0.95（滯后）此時線路重載荷，即使此時的無功損耗已很大，再投電容器組也不會出現(xiàn)過補償，但cosΦ只要不小于0.95，控制器就不會再有補償指令，也就不會有電容器組投入，所以這種控制方式建議不做為推薦的方式。

    2. 無功功率（無功電流）型控制器

    無功功率（無功電流）型的控制器較完善的解決了功率因數(shù)型的缺陷。一個設(shè)計良好的無功型控制器是智能化的，有很強的適應(yīng)能力，能兼顧線路的穩(wěn)定性及檢測及補償效果，并能對補償裝置進行完善的保護及檢測，這類控制器一般都具有以下功能：

    * 四象限操作、自動、手動切換、自識別各路電容器組的功率、根據(jù)負載自動調(diào)節(jié)切換時間、諧波過壓報警及保護、線路諧振報警、過電壓保護、線路低電流報警、電壓、電流畸變率測量、顯示電容器功率、顯示cosΦ、U、I、S、P、Q及頻率。

    由以上功能就可以看出其控制功能的完備，由于是無功型的控制器，也就將補償裝置的效果發(fā)揮得淋漓盡致。如線路在重負荷時，那怕cosΦ已達到0.99（滯后），只要再投一組電容器不發(fā)生過補，也還會再投入一組電容器，使補償效果達到最佳的狀態(tài)。采用DSP芯片的控制器，運算速度大幅度提高，使得富里葉變換得到實現(xiàn)。當然，不是所有的無功型控制器都有這么完備的功能。國內(nèi)的產(chǎn)品相對于國外的產(chǎn)品還存在一定的差距。

    3. 用于動態(tài)補償?shù)目刂破?/p>

    對于這種控制器要求就更高了，一般是與觸發(fā)脈沖形成電路一并考慮的，要求控制器抗干擾能力強，運算速度快，更重要的是有很好的完成動態(tài)補償功能。由于這類控制器也都基于無功型，所以它具備靜態(tài)無功型的特點。

    目前，國內(nèi)用于動態(tài)補償?shù)目刂破鳎c國外同類產(chǎn)品相比有較大的差距，一是在動態(tài)響應(yīng)時間上較慢，動態(tài)響應(yīng)時間重復性不好。二是補償功率不能一步到位，這些應(yīng)是生產(chǎn)廠家要重點解決的問題。另外，相應(yīng)的國家標準也尚未見到，這方面落后于發(fā)展。

三、濾波補償系統(tǒng)

    由于現(xiàn)代半導體器件應(yīng)用愈來愈普遍，功率也更大，但它的負面影響就是產(chǎn)生很大的非正弦電流。使電網(wǎng)的諧波電壓升高，畸變率增大，電網(wǎng)供電質(zhì)量變壞。

    如果供電線路上有較大的諧波電壓，尤其5次以上，這些諧波將被補償裝置放大。電容器組與線路串聯(lián)諧振，使線路上的電壓、電流畸變率增大，還有可能造成設(shè)備損壞，再這種情況下補償裝置是不可使用的。最好的解決方法就是在電容器組串接電抗器來組成諧波濾波器。濾波器的設(shè)計要使在工頻情況下呈容性，以對線路進行無功補償，對于諧波則為感性負載，以吸收部分諧波電流，改善線路的畸變率。增加電抗器后，要考慮電容端電壓升高的問題。

    濾波補償裝置即補償了無功損耗又改善了線路質(zhì)量，雖然成本提高較多，但對于諧波成分較大的線路還是應(yīng)盡量考慮采用，不能認為裝置一時不出問題就認為沒有問題存在。很多情況下，采用五次、七次、十一次或高通濾波器可以在補償無功功率的同時，對系統(tǒng)中的諧波進行消除。

無功補償

在正常情況下，用電設(shè)備不但要從電源取得有功功率，同時還需要從電源取得無功功率。如果電網(wǎng)中的無功功率供不應(yīng)求，用電設(shè)備就沒有足夠的無功功率來建立正常的電磁場，這些用電設(shè)備就不能維持在額定情況下工作，用電設(shè)備的端電壓就要下降，從而影響用電設(shè)備的正常運行。

　　但是從發(fā)電機和高壓輸電線供給的無功功率遠遠滿足不了負荷的需要，所以在電網(wǎng)中要設(shè)置一些無功補償裝置來補充無功功率，以保證用戶對無功功率的需要，這樣用電設(shè)備才能在額定電壓下工作。

　　無功補償?shù)幕驹硎牵喊丫哂腥菪怨β守摵傻难b置與感性功率負荷并聯(lián)接在同一電路，能量在兩種負荷之間相互交換。這樣，感性負荷所需要的無功功率可由容性負荷輸出的無功功率補償。

　　無功補償可以改善電能質(zhì)量、降低電能損耗、挖掘發(fā)供電設(shè)備潛力、無功補償減少用戶電費支出，是一項投資少，收效快的節(jié)能措施。

　　不過在確定無功補償容量時應(yīng)注意在輕負荷時要避免過補償，倒送無功功率勢必造成功率損耗增加；另外功率因數(shù)越高，補償容量減少損耗的作用將變小，通常情況下，將功率因數(shù)提高到0.95就是合理補償。

二、發(fā)現(xiàn)無功功率能做的證據(jù)

當代人們可以不承認無功功做功的事實，但不能不利用它來做功。最早使用直流電時，是利用熱能做功。當發(fā)明交流電以后，人們又利用電磁能做功，如變壓器和電動機。這時人們把無功功率做的功，當成是有功功率做的功。就使人們在錯誤的道路上越走越遠，出現(xiàn)了許多人們無法解答的怪現(xiàn)象。無功功率能做功的表現(xiàn)如下：

1、無功功率在電流表中能產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，指針轉(zhuǎn)動就是無功功率做的功

實踐得知：電流指針走動大小與有效電流大小成正比。證明無功功率在電流表中能產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。電流表雖小，說明問題很大，電表與電動機性質(zhì)相同，都是利用電磁能做的功，轉(zhuǎn)矩大小都與電流大小成正比，推理無功功率在交流電動機中一定會做功。

2、無功功率在變壓器中能進行轉(zhuǎn)換，證明無功功率做了功

書中承認變壓器的空載電動勢是由無功功率電流產(chǎn)生的，并且承認輸入電流的相位，是輸出電流的相位決定的，兩個電流相位差180度，當輸出有功功率時，輸入就是有功功率；輸出無功功率時，輸入也是無功功率。如果無功功率不能做功，那么，原邊電流的相位，就不會由負邊的電流相位和大小而改變。變壓器能進行能量轉(zhuǎn)換，證明無功功率能做功。

3、在負載和電源電壓不變的條件下，在異步電動機中，并聯(lián)適當?shù)碾娙萜?，消耗的有功功率減少，說明無功功率在交流電動機中做了功。

實踐得知：在異步電動機中，定子電流的相位和變壓器一樣，是由轉(zhuǎn)子電流的相位決定的，兩個電流相位差180度。如果有功功率能做功，那么無功功率也能做功，因為它們的兩個磁場的相對位置是一樣的。

書中認為異步電動機轉(zhuǎn)動原理與直流電機原理相同是不對的，它不是通電導體在磁場中受力作用產(chǎn)生的，而是定子旋轉(zhuǎn)磁場拖動轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的。因定子磁場大小與視在功率成正比，所以無功功率能做功。

在并聯(lián)電容器后，電路中增加一個內(nèi)電動勢，輸入了新的能量，在負載大小不變時，從電網(wǎng)中輸入的電流減少，所以節(jié)約了有功功率。

如果無功功率不能做功，那么，負載大小不變，消耗有功功率也不能發(fā)生變化，但實踐證明消耗有功功率減少，就證明無功功率做了功。

4、無功功率在有功功率電表中不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，不能做為證據(jù)？

書中認為無功功率不能在測有功功率時產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，就認為無功功率不能做功。此種說法是不對的，有功功率在測量無功功率大小時也不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，兩種情況都是人為造成的，有功功率電表不能做為否認無功功率能做功的證據(jù)。

通過對以上各種問題的探討：發(fā)現(xiàn)無功功率能做功，視在功率代表總電能

三、新理論

由于對無功功率認識不同形成不同的學說。

1、當代的電工書可稱為《有功功率中心說》：

①無功功率瞬時平均功率為零，沒有功率量綱，故起名無功功率。

②無功功率的電流與電壓相位差90度，它不能做功。電功率公式P=IUcos∮

③無功功率在電動機和有功功率電表中不能產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。

④有效電流和有效電壓沒有實際意義，視在功率不代表總電能。

⑤電路諧振不產(chǎn)生能量，不承認《內(nèi)電動勢》是能源。

⑥在電能收費方面，不收無功功率電費。

通過以上幾個問題可以看出，當代的電工理論實際就是一個有功功率中心說（暫時雖然還沒有這個提法，實際是。），要承認電路諧振時產(chǎn)生能量，不是一件容易的事情，不改變對無功功率的認識，不承認視在功率代表總電能，不提出視在功率中心說是不行的，是無法辦到的。

2、新理論-視在功率中心說：

①瞬時平均功率不為零，有無功功率量綱，因為感抗屬于保守力，所以可以改名為保守功率。

②無功功的電流與電壓相位差90度，是時間角度，不是空間角度。它好比是宏觀兩個相差900度的分力，它們合力的功，等于分力功的矢量和。電功率公式S=IU

③無功功率在電動機和有功功率電表中能產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，可以轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能做功。

④有效電流和有效電壓有實際意義，視在功率不代表總電能。

⑤新理論能達到理論與實踐相一致，宏觀與微觀相統(tǒng)一。感抗和宏觀中的重力相同，都是一個保守力，在宏觀消耗在保守力方面的能量稱為：保守功率。同理在微觀消耗在感抗或電抗中的電功率也可稱為：保守電功率。

諧 波 簡 介

一、1. 何為諧波？

　　“諧波”一詞起源于聲學。有關(guān)諧波的數(shù)學分析在18世紀和19世紀已經(jīng)奠定了良好的基礎(chǔ)。傅里葉等人提出的諧波分析

方法至今仍被廣泛應(yīng)用。電力系統(tǒng)的諧波問題早在20世紀20年代和30年代就引起了人們的注意。當時在德國，由于使用靜止汞弧變流器而造成了電壓、電流波形的畸變。1945年J.C.Read發(fā)表的有關(guān)變流器諧波的論文是早期有關(guān)諧波研究的經(jīng)典論文。

　　到了50年代和60年代，由于高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展，發(fā)表了有關(guān)變流器引起電力系統(tǒng)諧波問題的大量論文。70年代以來，由于電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通及家庭中的應(yīng)用日益廣泛，諧波所造成的危害也日趨嚴重。世界各國都對諧波問題予以充分和關(guān)注。國際上召開了多次有關(guān)諧波問題的學術(shù)會議，不少國家和國際學術(shù)組織都制定了限制電力系統(tǒng)諧波和用電設(shè)備諧波的標準和規(guī)定。

　　諧波研究的意義，是因為諧波的危害十分嚴重。諧波使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，使電氣設(shè)備過熱、產(chǎn)生振動和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀。諧波可引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設(shè)備燒毀。諧波還會引起繼電保護和自動裝置誤動作，使電能計量出現(xiàn)混亂。對于電力系統(tǒng)外部，諧波對通信設(shè)備和電子設(shè)備會產(chǎn)生嚴重干擾。

2. 諧波抑制

　　為解決電力電子裝置和其他諧波源的諧波污染問題，基本思路有兩條：一條是裝設(shè)諧波補償裝置來補償諧波，這對各種諧波源都是適用的；另一條是對電力電子裝置本身進行改造，使期不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)可控制為1，這當然只適用于作為主要諧波源的電力電子裝置。

　　裝設(shè)諧波補償裝置的傳統(tǒng)方法就是采用LC調(diào)諧濾波器。這種方法既可補償諧波，又可補償無功功率，而且結(jié)構(gòu)簡單，一直被廣泛使用。這種方法的主要缺點是補償特性受電網(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導致諧波放大，使LC濾波器過載甚至燒毀。此外，它只能補償固定頻率的諧波，補償效果也不甚理想。

3. 無功補償還

　　人們對有功功率的理解非常容易，而要深刻認識無功功率卻并不是輕而易舉的。在正弦電路中，無功功率的概念是清楚的，而在含有諧波時，至今尚無獲得公認的無功功率定義。但是，對無功功率這一概念的重要性，對無功補償重要性的認識，卻是一致的。無功補償應(yīng)包含對基波無功功補償和對諧波無功功率的補償。

　　無功功率對供電系統(tǒng)和負荷的運行都是十分重要的。電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)元件的阻抗主要是電感性的。因此，粗略地說，為了輸送有功功率，就要求送電端和受電端的電壓有一相位差，這在相當寬的范圍內(nèi)可以實現(xiàn)；而為了輸送無功功率，則要求兩端電壓有一幅值差，這只能在很窄的范圍內(nèi)實現(xiàn)。不僅大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)元件消耗無功功率，大多數(shù)負載也需要消耗無功功率。網(wǎng)絡(luò)元件和負載所需要的無功功率必須從網(wǎng)絡(luò)中某個地方獲得。顯然，這些無功功率如果都要由發(fā)電機提供并經(jīng)過長距離傳送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法應(yīng)是在需要消耗無功功率的地方產(chǎn)生無功功率，這就是無功補償。

　　無功補償?shù)淖饔弥饕幸韵聨c：

　?。?） 提高供用電系統(tǒng)及負載的功率因數(shù)，降低設(shè)備容量，減少功率損耗。

　　（2） 穩(wěn)定受電端及電網(wǎng)的電壓，提高供電質(zhì)量。在長距離輸電線中合適的地點設(shè)置動態(tài)無功補償裝置還可以改善輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高輸電能力。

　?。?） 在電氣化鐵道等三相負載不平衡的場合，通過適當?shù)臒o功襝可以平衡三相的有功及無功負載。

二、諧波和無功功率的產(chǎn)生

　　在工業(yè)和生活用電負載中，阻感負載占有很大的比例。異步電動機、變壓器、熒光燈等都是典型的阻感負載。異步電動機和變壓器所消耗的無功功率在電力系統(tǒng)所提供的無功功率中占有很高的比例。電力系統(tǒng)中的電抗器和架空線等也消耗一些無功功率。阻感負載必須吸收無功功率才能正常工作，這是由其本身的性質(zhì)所決定的。

　　電力電子裝置等非線性裝置也要消耗無功功率，特別是各種相控裝置。 如相控整流器、相控交流功率調(diào)整電路和周波變流器，在工作時基波電流滯后于電網(wǎng)電壓，要消耗大量的無功功率。另外，這些裝置也會產(chǎn)生大量的諧波電流，諧波源都是要消耗無功功率的。二極管整流電路的基波電流相位和電網(wǎng)電壓相位大致相同，所以基本不消耗基波無功功率。但是它也產(chǎn)生大量的諧波電流，因此也消耗一定的無功功率。

　　近30年來，電力電子裝置的應(yīng)用日益廣泛，也使得電力電子裝置成為最大的諧波源。在各種電力電子裝置中，整流裝置所占的比例最大。目前，常用的整流電路幾乎都采用晶閘管相控整流電路或二極管整流電路，其中以三相橋式和單相橋式整流電路為最多。帶阻感負載的整流電路所產(chǎn)生的諧波污染和功率因數(shù)滯后已為人們所熟悉。直流側(cè)采用電容濾波的二極管整流電路也是嚴懲的諧波污染源。這種電路輸入電流的基波分量相位與電源電壓相位大體相同，因而基波功率因數(shù)接近1。 但其輸入電流的諧波分量卻很大，給電網(wǎng)造成嚴重污染，也使得總的功率因數(shù)很低。另外，采用相控方式的交流電力調(diào)整電路及周波變流器等電力電子裝置也會在輸入側(cè)產(chǎn)生大量的諧波電流。

三、無功功率的影響和諧波的危害

　　1.無功功率的影響

　?。?）無功功率的增加，會導致電流增大和視在功率增加，從而使發(fā)電機、變壓器及其他電氣設(shè)備容量和導線容量增加。

。同時，電力用戶的起動及控制設(shè)備、測量儀表的尺寸和規(guī)格也要加大。

　?。?）無功功率的增加，使總電流增大，因而使設(shè)備及線路的損耗增加，這是顯而易見的。

　?。?）使線路及變壓器的電壓降增大，如果是沖擊性無功功率負載，還會使電壓產(chǎn)生劇烈波動，使供電質(zhì)量嚴重降低。

　　2.諧波的危害

　　理想的公用電網(wǎng)所提供的電壓應(yīng)該是單一而固定的頻率以及規(guī)定的電壓幅值。諧波電流和諧波電壓的出現(xiàn)，對公用電網(wǎng)是一種污染，它使用電設(shè)備所處的環(huán)境惡化，也對周圍的能耐電力電子設(shè)備廣泛應(yīng)用以前，人們對諧波及其危害就進行過一些研究，并有一定認識，但那時諧波污染還需要嚴懲沒有引起足夠的重視。近三四十年來，各種電力電子裝置的迅速使得公。用電網(wǎng)的諧波污染日趨嚴重，由諧波引起的各種故障和事故也不斷發(fā)生，諧波危害的嚴重性才引起人們高度的關(guān)注。諧波對公用電網(wǎng)和其他系統(tǒng)的危害大致有以下幾個方面。

　?。?）諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率，大量的3次諧波流過中性線時會使線路過熱甚至發(fā)生火災。

　?。?）諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作。 諧波對電機的影響除引起附加損耗外，還會產(chǎn)生機械振動、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴重過熱。諧波使電容器、電纜等設(shè)備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以至損壞。

　?。?）諧波會引起公用電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，這就使上述（1）和（2）的危害大大增加，甚至引起嚴重事故。

　?。?）諧波會導致繼電保護和自動裝置的誤動作，并會使電氣測量儀表計量不準確。

　?。?）諧波會對鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量；重者導致住處丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。

在供電系統(tǒng)中諧波電流的出現(xiàn)已經(jīng)有許多年了。過去，諧波電流是由電氣化鐵路和工業(yè)的直流調(diào)速傳動裝置所用的，由交流變換為直流電的水銀整流器所產(chǎn)生的。近年來，產(chǎn)生諧波的設(shè)備類型及數(shù)量均已劇增，并將繼續(xù)增長。所以，我們必須很慎重地考慮諧波和它的不良影響，以及如何將不良影響減少到最小。

1　諧波的產(chǎn)生

在理想的干凈供電系統(tǒng)中，電流和電壓都是正弦波的。在只含線性元件(電阻、電感及電容)的簡單電路里，流過的電流與施加的電壓成正比，流過的電流是正弦波。

在實際的供電系統(tǒng)中，由于有非線性負荷的存在，當電流流過與所加電壓不呈線性關(guān)系的負荷時，就形成非正弦電流。任何周期性波形均可分解為一個基頻正弦波加上許多諧波頻率的正弦波。諧波頻率是基頻的整倍數(shù)，例如基頻為50Hz，二次諧波為100Hz，三次諧波則為150Hz。因此畸變的電流波形可能有二次諧波、三次諧波……可能直到第三十次諧波組成。

2　產(chǎn)生諧波的設(shè)備類型

所有的非線性負荷都能產(chǎn)生諧波電流，產(chǎn)生諧波的設(shè)備類型有：開關(guān)模式電源(SMPS)、電子熒火燈鎮(zhèn)流器、調(diào)速傳動裝置、不間斷電源(UPS)、磁性鐵芯設(shè)備及某些家用電器如電視機等。

(1)開關(guān)模式電源(SMPS)：

大多數(shù)的現(xiàn)代電子設(shè)備都使用開關(guān)模式電源(SMPS)。它們和老式的設(shè)備不同，它們已將傳統(tǒng)的降壓器和整流器替換成由電源直接經(jīng)可控制的整流器件去給存貯電容器充電，然后用一種和所需的輸出電壓及電流相適合的方法輸出所需的直流電流。這對于設(shè)備制造廠的好處是使用器件的尺寸、價格及重量均可大幅度地降低，它的缺點是不管它是哪一種型號，它都不能從電源汲取連續(xù)的電流，而只能汲取脈沖電流。此脈沖電流含有大量的三次及高次諧波的分量。

(2)電子熒光燈鎮(zhèn)流器：

電子熒光燈鎮(zhèn)流器近年被大量采用。它的優(yōu)點是在工作于高頻時可顯著提高燈管的效率，而其缺點是其逆變器在電源電流中產(chǎn)生諧波和電氣噪聲。使用帶有功率因數(shù)校正的型號產(chǎn)品可減少諧波，但成本昂貴。

(3)直流調(diào)速傳動裝置：

直流電動機的調(diào)速控制器通常采用三相橋式整流電路，它也稱作六脈沖橋式整流電路，因為在直流輸出側(cè)每周波內(nèi)有六個脈沖(在每相的半波上有一個)。直流電動機的電感是有限的，故在直流電流中有300Hz的脈動波(即為供電頻率的6倍)，這就改變了供電電流的波形。

(4)不間斷電源(UPS)：

根據(jù)電能變換方式和由外部供電到內(nèi)部供電所用轉(zhuǎn)換方式的不同，UPS有許多不同的類型。主要的類型有：在線的UPS、離線的UPS和線路交互作用的UPS。由UPS供電的負荷總是電子信息設(shè)備，它們是非線性的并且含有大量的低次諧波。

(5)磁芯器件：

在有鐵芯的電抗器上的勵磁電流和磁通密度之間的關(guān)系總是非線性的。如果電流波形是正弦波(亦即電路中串聯(lián)的電阻很大)那么磁場中會有高次諧波，這被認為是強迫磁化過程。如果施加在線圈上的電壓是正弦波形(亦即串聯(lián)的電阻很小)則磁通密度也將是正弦波形，而電流波形則含有高次諧波，這被認為是自由磁化過程。

3　諧波引發(fā)的問題及解決措施

諧波電流在電源系統(tǒng)內(nèi)以及裝置內(nèi)均會造成問題。但其影響和解決措施非常不一樣，需要分別處理；適用于消除諧波在裝置內(nèi)不良影響的辦法并不能減少諧波在電源系統(tǒng)內(nèi)造成的畸變，反之亦然。

(1)裝置內(nèi)的諧波問題及解決措施：

有幾個常見多發(fā)的問題是由諧波引起的：電壓畸變、過零噪聲、中性線過熱、變壓器過熱、斷路器的誤動作等。

①電壓畸變：因為電源系統(tǒng)有內(nèi)阻抗，所以諧波負荷電流將造成電壓波形的諧波電壓畸變(這是產(chǎn)生"平頂"波的根源)。此阻抗有兩個組成部分：電源接口(PCC)以后的電氣裝置內(nèi)部電纜線路的阻抗和PCC以前電源系統(tǒng)內(nèi)的阻抗，用戶處的供電變壓器即是PCC的一例。

由非線性負荷引起的畸變負荷電流在電纜的阻抗上產(chǎn)生一個畸變的電壓降。合成的畸變電壓波形加到與此同一電路上所接的全部其他負荷上，引起諧波電流的流過，即使這些負荷是線性的負荷也是如此。

解決的辦法是把產(chǎn)生諧波的負荷的供電線路和對諧波敏感的負荷的供電線路分開，線性負荷和非線性負荷從同一電源接口點開始由不同的電路饋電，使非線性負荷產(chǎn)生的畸變電壓不會傳導到線性負荷上去。

②過零噪聲：許多電子控制器要檢測電壓的過零點，以確定負荷的接通時刻。這樣做是為了在電壓過零時接通感性負荷不致產(chǎn)生瞬態(tài)過電壓，從而可減少電磁干擾(EMI)和半導體開關(guān)器件上的電壓沖擊。當在電源上有高次諧波或瞬態(tài)過電壓時，在過零處電壓的變化率就很高且難于判定從而導致誤動作。實際上在每個半波里可有多個過零點。

③中性線過熱：在中性點直接接地的三相四線式供電系統(tǒng)中，當負荷產(chǎn)生3N次諧波電流時，中性線上將流過各相3N次諧波電流的和。如當時三相負荷不平衡時，中性線上流經(jīng)的電流會更大。最近研究實驗發(fā)現(xiàn)中性線電流會可能大于任何一相的相電流。造成中性線導線發(fā)熱過高，增加了線路損耗，甚至會燒斷導線。

現(xiàn)行的解決措施是增大三相四線式供電系統(tǒng)中中性線的導線截面積，最低要求要使用與相線等截面的導線。國際電工委員會(IEC)曾提議中性線導線的截面應(yīng)為相線導線截面的

200%。

④變壓器溫升過高：接線為Yyn的變壓器，其二次側(cè)負荷產(chǎn)生3N次諧波電流時，其中性線上除有三相負荷不平衡電流總和外，還將流過3N次諧波電流的代數(shù)和，并將諧波電流通過變壓器一次側(cè)流入電網(wǎng)。解決上述問題最簡單的辦法是采用Dyn接線的變壓器，使負荷產(chǎn)生的諧波電流在變壓器△形繞組中循環(huán)，而不致流入電網(wǎng)。

無論諧波電流流入電網(wǎng)與否，所有的諧波電流都會增加變壓器的電能損耗，并增加了變壓器的溫升。

⑤引起剩余電流斷路器的誤動作：剩余電流斷路器(RCCB)是根據(jù)通過零序互感器的電流之和來動作的，如果電流之和大于額定的限值它就將脫扣切斷電源。出現(xiàn)諧波時RCCB誤動作有兩個原因：第一，因為RCCB是一種機電器件，有時不能準確檢測出高頻分量的和，所以就會誤跳閘。第二，由于有諧波電流的緣故，流過電路的電流會比計算所得或簡單測得的值要大。大多數(shù)的便攜式測量儀表并不能測出真實的電流均方根值而只是平均值，然后假設(shè)波形是純正弦的，再乘一個校正系數(shù)而得出讀數(shù)。在有諧波時，這樣讀出的結(jié)果可能比真實數(shù)值要低得多，而這就意味著脫扣器是被整定在一個十分低的數(shù)值上。

現(xiàn)在可以買到能檢測電流均方根值的斷路器，再加上真實的均方根值測量技術(shù)，校正脫扣器的整定值，便可保證供電的可靠性。

(2)影響供電電源的諧波問題及解決措施：

《中華人民共和國電力法》指出："用戶用電不得危害供電、用電安全和擾亂供電、用電秩序"，《供電營業(yè)規(guī)則》中規(guī)定："用戶的非線性阻抗特性的用電設(shè)備接入電網(wǎng)運行所注入電網(wǎng)的諧波電流和引起公共連接點至正弦波畸變超過標準時，用戶必須采取措施予以消除。"

由畸變電流造成的電壓畸變?nèi)Q于電源阻抗。阻抗愈大則由同一電流畸變所造成的電壓畸變就愈大。對于10次以下的諧波而言，供電網(wǎng)絡(luò)通常是感性的，所以電源阻抗就和頻率成正比，諧波次數(shù)越高，所造成的畸變就越大。通常不可能減小供電系統(tǒng)的阻抗，所以需要采用別的步驟來保證電壓畸變不超過限度?？赡艿慕鉀Q方法有：裝用諧波濾波器、裝用隔離變壓器和裝用有源的諧波調(diào)節(jié)器。

①裝用諧波濾波器：對于電動機控制器產(chǎn)生的諧波，諧波的形狀很分明，可以用濾波器來降低諧波電流。對于六脈沖的控制器，濾波器可去掉20%的五次諧波以及全部的高次諧波，對基波影響甚微。為了避免增益頂峰靠近諧波，必須用解諧的濾波器，而且可能需裝多個濾波器。在12脈沖橋路中最低次的諧波是11次的，此時情況比較簡單。

②裝用隔離變壓器：均衡的三次諧波電流傳回到電源去的問題可以用一臺Dyn接法的隔離變壓器來削弱。使用這種變壓器時，通常裝設(shè)一個旁路的電路以避免在進行變壓器的維護工作時長時期地對負荷停止供電。在這種情況下，應(yīng)采用中性線有足夠大的通用四芯饋線。在重要的配電系統(tǒng)中，有時把隔離變壓器就地裝在每一配電盤上，使3N次諧波電流與配電系統(tǒng)相隔離。隔離變壓器要適當提高額定值，否則也會產(chǎn)生電壓畸變和過熱。

③裝用有源的諧波調(diào)節(jié)器：由變流器/逆變器產(chǎn)生的邊頻帶和諧波不能很好地用普通的濾波器來濾除，這是因為邊頻帶上的頻率是隨傳動裝置的速度而變化的，并且時常很接近于基波頻率。目前有源濾波器日益推廣應(yīng)用，它在工作時主動地注入一個電流來精確地補償由負荷產(chǎn)生的諧波電流，就會獲得一個純粹的正弦波。這種濾波設(shè)備的工作靠數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)來控制快速絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。因為設(shè)備是與供電系統(tǒng)并聯(lián)工作的，它只控制諧波電流，基波電流并不流過該濾波器。如果所需過濾的諧波電流比濾波器的容量大的話，它只是簡單地起限制作用而使波形得到部分的糾正。

無功補償方式以提高功率因數(shù)

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，生活用電及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用電都大幅度提高，特別是農(nóng)電體制的改革，城鄉(xiāng)同網(wǎng)同價的實現(xiàn)，用電量更是急速增加。雖然也投入大量資金進行農(nóng)網(wǎng)改造，但都跟不上用電需求步伐，加上一直以來農(nóng)村電網(wǎng)并沒有較完善的規(guī)劃，高低壓線路供電半徑過大，配變布點不合理的現(xiàn)象仍大量存在，造成電壓質(zhì)量差，線路損耗大。農(nóng)電體制改革前，沒有抄表到戶，低壓線路損耗由用戶負擔，電壓質(zhì)量的測定也只到配變的低壓側(cè)，因此在這兩方面未有較實際的數(shù)據(jù)統(tǒng)計。但抄表到戶后，高低壓線路的損耗均由供電部門承擔，上級對線損率的要求越來越嚴格，用戶對電壓質(zhì)量的要求也提高了，如何解決這兩個問題成為當時較迫切的任務(wù)。綜合考慮時間、資金等方面的因素及配網(wǎng)的實際情況，我們嘗試采用不同的無功補償方式以提高功率因數(shù)入手，選用一些上述問題相對嚴重的線路作為試點開展本項工作。

    無功補償點的合理選擇以及補償容量的確定，能夠有效地維持系統(tǒng)的電壓水平,提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，避免大量無功功率的遠距離傳輸，從而降低有功網(wǎng)損，減少發(fā)電費用。

    10kV及以下配電網(wǎng)采用的無功補償方式有：10kV線路補償、變壓器低壓側(cè)集中補償、公用低壓線路分散補償幾種方式。以往通常采用的方法是在變壓器低壓側(cè)進行補償，既可降低線路損耗，也能降低配電變壓器損耗，電壓質(zhì)量也有較大的改善。但隨著運行條件的變化，這種單一補償方式不能解決出現(xiàn)的種種問題。筆者針對新會配網(wǎng)的一些實際情況，通過采用多種補償方式結(jié)合的辦法，取得不錯的效果。

1     變壓器低壓側(cè)集中補償方式

    目前較普遍采用的是在配電變壓器380V側(cè)進行集中補償，通常采用微機控制的低壓并聯(lián)電容器柜，容量在幾十至幾百千乏不等，根據(jù)用戶負荷水平的波動投入相應(yīng)數(shù)量的電容器進行跟蹤補償。主要目的是提高配變負荷的功率因數(shù)，實現(xiàn)無功的就地平衡，對配電網(wǎng)和配電變的降損有一定作用，也有助于保證配變輸出的電壓水平。自動補償裝置控制器是根據(jù)功率因數(shù)來進行電容器的自動投切的。

    自1999年農(nóng)網(wǎng)改造以來，無論是公用臺區(qū)還是專用臺區(qū)，對于100kVA及以上的變壓器，我們基本上都按其容量的20%～40%配置了低壓集中式動態(tài)無功補償。這種補償方式對于專用戶及主要負荷距配變不遠的公用臺區(qū)效果較好，既能改善電壓質(zhì)量，又能降損，維護工作相對簡單。但對于低壓線路長、負荷分散的臺區(qū)，配變輸入電壓低的地方，單一采用變壓器低壓側(cè)集中補償?shù)姆绞叫Ч筒惶硐?，需結(jié)合其他方式進行無功補償。

2     低壓線路分散補償方式

    隨著農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用電量越來越大，特別是部分水網(wǎng)地帶的養(yǎng)殖業(yè)，其特點是用電量大、地點分散、負荷功率因數(shù)低（用電設(shè)備主要是小容量三相電機，且一般養(yǎng)殖用戶不會安裝補償裝置），而且波動大，一直以來這部分的電壓質(zhì)量及損耗都是存在很大的問題。最徹底的解決辦法就是新架設(shè)10kV線路、新增臺區(qū)或調(diào)整布點和改造低壓線路。但由于長期以來農(nóng)村配電網(wǎng)缺乏長期規(guī)劃，要進行完善的改造所需的資金量是非常巨大的，所需時間也是很長的，在短期內(nèi)難以實現(xiàn)。經(jīng)過分析研究，決定采用在這類低壓線路上分散安裝電容補償器的方法來解決。

    2003年同網(wǎng)同價后，大鰲鎮(zhèn)養(yǎng)殖用電急劇增長,造成了許多變壓器、配電屏、低壓線經(jīng)常出現(xiàn)超載，而且線路后段電壓嚴重偏低。表１為其中一個臺區(qū)的測量數(shù)據(jù)：主要負荷集中在兩條出線，每條出線長700多米，共30多戶分散接在低壓出線上，2003年上半年線損率為26%。

    表1    臺區(qū)測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計：

由表1數(shù)據(jù)看出變壓器及低壓線路超載，且電壓嚴重偏低，如果要徹底解決需新架設(shè)10kV線路并另立一個新臺區(qū)，投資將超過40萬元，耗時最少50日。而我們采用低壓線路分散補償?shù)姆椒?，分別在每條出線距配變1/3及2/3處各安裝一臺45kVar及30kVar的電容補償箱，因養(yǎng)殖用電極不平衡，在夜間達到高峰，白天一半負荷都不到，故所有補償箱均安裝自動控制裝置，費用約3萬元，一天內(nèi)就安裝完畢。投運后測量數(shù)據(jù)如表2（峰期）所示。

    表2    新臺區(qū)投運后測量數(shù)據(jù)：

由表2數(shù)據(jù)看出，出線的電流得到較大幅度的降低，尤其是線路末端電壓得到很大的提高，對線路損耗會起到相當大的作用。經(jīng)過3個月的用電數(shù)據(jù)統(tǒng)計，線損率降到15.7%。

    對類似這些低壓用電，采用分散補償方式有較大的優(yōu)點，投入少，見效快，電房內(nèi)的集中補償容量還可相對減少。但由于運行的環(huán)境比較惡劣，相關(guān)設(shè)備的質(zhì)量要求高，日常維護工作量大，必須有嚴謹?shù)墓芾碇贫炔拍鼙ＷC可靠運行。

3     10kV線路分散補償方式

    這種補償方式適用于功率因數(shù)較低且負荷較重的長距離配電線路。以110kV睦洲站10kV黃布線為例，干線長13km，較大的負荷主要集中在線路后段，且主要為農(nóng)業(yè)用電，以排灌、增氧（不容量電機）為主，2004年最高運行電流為478A，線路末端高壓側(cè)電壓只有8900V（首端為10200V）。雖然在大多數(shù)配變的低壓側(cè)及低壓線路都安裝一定數(shù)量的補償電容，但電壓質(zhì)量仍然相當差，用電戶意見很大。而且，就其所處的地理位置及當?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展，不可能投入大額的資金進行電網(wǎng)建設(shè)。經(jīng)分析，采用10kV線路分散補償?shù)姆绞浇鉀Q。

    根據(jù)10kV黃布線的負荷分布情況，在線路（共142基桿）的75#桿、101#桿上分別安裝容量為375kVar和450kVar的無功補償。采用的是TBBZ系列柱上式自動投切高壓并聯(lián)電容器裝置，可根據(jù)線路需要，經(jīng)預先設(shè)定，實現(xiàn)并聯(lián)電容器的自動投切（按時間、電壓或功率因數(shù)），同時具有短路、過流、過電壓、欠電壓和防止電容器帶電荷合閘竺保護功能。投運后，經(jīng)實際測量，線路末端電壓升高到9520V。在使用過程中，開始按功率因數(shù)設(shè)定投切值，但由于需在干線上裝設(shè)開口式采樣電流互感器，對防雷要求較高，存在較大的難度。因此，針對本項工作的實際需要，改用按電壓設(shè)定投切值，取消安裝電流互感器，同樣收到預期的效果，而且，10kV電壓的提高，對減少低壓配網(wǎng)的損耗是不言而喻的。

    所以，對于功率因數(shù)低的長距離配電線路，采用10kV線路分散補償方式對提高電壓質(zhì)量，減少損耗能起到立竿見影的作用。同樣，因運行環(huán)境等因素，設(shè)備質(zhì)量、管理等要求較高的水平 。

4      結(jié)束語

    對無功功率進行補償?shù)男Ч怯心抗捕玫?，在選擇補償方式的過程中，應(yīng)該在技術(shù)經(jīng)濟上綜合考慮，根據(jù)具體情況進行分析，來決定是采用高壓補償、低壓集中補償還是低壓分散補償，還是三者綜合采用，從而達到提高功率因數(shù)、降低配網(wǎng)損耗、提高電壓質(zhì)量，使電氣設(shè)備經(jīng)濟運行的目的。還有，只有既重視無功補償?shù)陌惭b又重視投運后的運行維護，才能真正實現(xiàn)無功功率的合理分布，從而達到節(jié)能降損之功效，使供用電雙方共同取得最佳的經(jīng)濟效益。 

 什么是用電功率因素，為什么要提高功率因素？

用電功率因素是指用電負荷的有功功率與視在功率的比值。電力用電設(shè)備，如變壓器、感應(yīng)電動機、電力線路等，除從電力系統(tǒng)吸取有功功率外，還要吸取無功功率。無功功率僅完成電磁能量的相互轉(zhuǎn)換，并不作動。無功和有功同樣重要，沒有無功，變壓器不能變壓，電動機不能轉(zhuǎn)動，電力系統(tǒng)不能正常運行。無功功率的消耗導致用電功率因素降低，因而占用了電力系統(tǒng)發(fā)供電設(shè)施，同時也增加了電力系統(tǒng)輸電過程中的有功功率損耗。因而世界各國電力企業(yè)對電力用戶的用電功率因素都有要求，并按用戶用電功率因素的高低在經(jīng)濟上給予獎懲。

二 自然功率因數(shù)

簡介： 感應(yīng)電動機的功率因數(shù)有兩種，即自然功率因數(shù)和總功率因數(shù)。自然功率因數(shù)就是設(shè)備本身固有的功率因數(shù)，其值決定于本身的用電參數(shù)，倘若自然功率因數(shù)偏低，不能滿足標準和節(jié)約用電的要求，就需設(shè)置人工補償裝置來提高功率因數(shù)，這時的功率因數(shù)叫總功率因數(shù)。由于設(shè)置人工補償裝置需增加很多投資，所以提高電動機自然功率因數(shù)是首要的任務(wù)。研究如何提高農(nóng)網(wǎng)中電動機的自然功率因數(shù)，減少輸送的無功負荷，降損節(jié)能，提高運行效率，很有必要。本文擬探討這個問題。  

　　感應(yīng)電動機的功率因數(shù)有兩種，即自然功率因數(shù)和總功率因數(shù)。自然功率因數(shù)就是設(shè)備本身固有的功率因數(shù)，其值決定于本身的用電參數(shù)(如：結(jié)構(gòu)，用電性質(zhì)等)。倘若自然功率因數(shù)偏低，不能滿足標準和節(jié)約用電的要求，就需設(shè)置人工補償裝置來提高功率因數(shù)，這時的功率因數(shù)叫總功率因數(shù)。由于設(shè)置人工補償裝置需增加很多投資，所以提高電動機自然功率因數(shù)是首要的任務(wù)。在農(nóng)網(wǎng)中消耗無功功率比重最多的是感應(yīng)電動機，約占60%以上，因此，研究如何提高農(nóng)網(wǎng)中電動機的自然功率因數(shù)，減少輸送的無功負荷，降損節(jié)能，提高運行效率，很有必要。本文擬探討這個問題。

1　嚴格控制電動機容量，提高設(shè)備負載率，達到合理運行

(1) 合理選用電動機容量，提高自然功率因數(shù)和效率，降低功率損失。

　　"大馬拉小車"、輕載和空載運行情況，造成電動機自然功率因數(shù)偏低，耗用無功比例較大，損失電能增加。因此，合理選擇電動機容量，使之與機械負載功率相匹配，提高電動機的負載率，是改善其自然功率因數(shù)的主要方法之一。

　　電動機的負載率與功率因數(shù)的關(guān)系如表1所示：

表1

　　由表1可知，隨著負載率的提高，電動機自然功率因數(shù)也就提高了，也就是說，合理選擇電動機容量，能提高其功率因數(shù)，達到節(jié)約電能之目的。

　　電動機當其處于最佳負載率狀態(tài)下運行時，其效率最高，自然功率因數(shù)最大。

(2)合理使用電動機，提高自然功率因數(shù)和效率，降低功率損失。

　　可以對輕負荷電動機容量下調(diào)，即將負荷不足的大容量電動機進行替換。

　　當電動機的負載率kfz＜40%時，可以調(diào)換：當40%＜kfz＜70%時，則需通過技術(shù)經(jīng)濟比較后，再做決定，其主要判定條件是：

　　　　　　　　ΔPd1-ΔPd2＞0

　　　　式中ΔPd1-原有電動機的有功損失，kW

　　　　ΔPd1-替換電動機的有功損失，kW

2　對輕負荷電動機實行降壓運行，提高自然功率因數(shù)和效率，降低功率損失

　　當負載系數(shù)kfz＜50%時，應(yīng)對電動機采用降壓運行，具體做法是將定子繞組由Δ改接為Y接線。

不同負載率改接前后效率和功率因數(shù)的變化，如表2、表3所示。

表2　感應(yīng)電動機定子繞組Δ-Y變接后的效率變化

表3　感應(yīng)電動機定子繞組Δ-Y變接后的功率因數(shù)變化

　　當電動機負載系數(shù)kfz＜0.5時，由Δ改變Y接線降壓運行后，可提高電動機的自然功率因數(shù)和效率，達到降低電能損耗的目的。由于農(nóng)網(wǎng)中絕大部分是小容量輕載異步電動機，故此法很適于農(nóng)網(wǎng)中使用。

3　低壓網(wǎng)絡(luò)電能(功率)損失的降低

　　由于異步電動機自然功率因數(shù)的提高，可以減少低壓網(wǎng)絡(luò)中輸送的無功負荷，從而降低其電能損失。

4　結(jié)束語

　　在農(nóng)村電力網(wǎng)中合理選用和使用異步電動機以及對輕載電動機實行降壓運行，是一種無需任何投資或投資很少的切實可行的降損措施。它可以有效地提高電動機的自然功率因數(shù)和運行效率，降低電能損耗和減少運行費用，這對供用電雙方均有益處。因此，電力企業(yè)有責任，也有義務(wù)指導客戶做好此項工作。