无功补偿电路方案及原理图分析

无功补偿电路方案及原理图分析
无功补偿技术与电路已经是普及程度很高的电路技术，这是因为无功补偿装置在大大小小的工厂企业里有着广泛的应用，而无功补偿的基本原理尚有继续探讨的空间。
1.无功功率是怎么产生的
交流电流通过纯电容或纯电感时并不做功，不消耗有功功率，但是交流电流流过纯电容和纯电感时的电流以及对应的电压却形成了交流功率，这种交流功率就是无功功率。无功功率并没有被消耗掉，而是在电容、电感与电源之间不停地进行能量交换。无功功率表征的是这种能量交换的规模大小。工厂企业大量使用的电动机属于电感性负载，电网向电动机提供的能量中，有部分功率能做功，称作有功功率；有部分功率不能做功，不能做功的部分就是无功功率，这时我们说负载功率因数小于1，并以功率因数的高低来表达电能的利用率。为了提高电能的利用率，就要进行无功补偿。
2.无功补偿如何实现

工厂企业里大量使用的是电感性负载三相交流电动机，其功率因数是滞后的，所谓滞后，是因为流过三相交流电动机的电流的相位滞后于电压而形成的。对电感性负载电动机进行无功补偿的方法就是在电动机的供电系统中并联电容器，如图1所示。图中接触器KM2触点闭合时，电动机得电运行，电动机运行时所需的无功功率由作为电源的变压器T提供，即电动机与变压器不时地进行无功能量的交换，满足电动机运行时对无功功率的需求。变压器与电动机进行无功能量交换时势必要占用变压器的功率容量，降低了变压器的供电能力。如果有无功补偿的话，即图1中的接触器KM1触点闭合，电容器中就会有电流流过，与电感器中的情况相反，电容器的电流是超前于电压波形的。这时电动机就与电容器进行无功能量的交换，即电动机吸收无功能量时，刚好电容器释放无功能量；电容器吸收无功能量时，电动机刚好释放无功能量。实现了无功能量的就地平衡，电动机所需的无功能量不再占用变压器的容量空间，释放了变压器的一部分容量空间，提高了变压器的供电能力。这种效益从直接给电动机供电的变压器开始，一直延伸到中低压配电线路、各种电压等级的变电所、高压输电线路、最后到发电厂的发电机，都能体现出来。因此，用电设备无功功率的就地补偿、就地平衡，功率因数的提高，对于电力系统来说，具有重大的社会效益和经济效益。
3.无功补偿控制器电流信号的获取
当前无功补偿装置几乎都是自动控制运行的。为了实现自动控制，补偿控制器要从电力系统中获取电压信号、电流信号，经过补偿控制器内部微处理器的判断运算，计算出当前系统中无功功率的大小多少，并据以发出补偿电容器投入或切除的命令。
在图2所示的电路中，电流取样信号只能安装在A点，在三相共补的无功补偿系统中，可在三条相线中选择一相，例如A相上安装一只适当变比的电流互感器。所谓三相共补，是补偿电容器选三角形连接的电容器组，三相电容器同时投入，或者同时切除。而在三相分补的补偿系统中，三只电容器接成星形，补偿控制器可以根据每一相无功功率的大小，有选择性地投入或切除单相电容器，使补偿更精细，更准确。三相分补时则要在A点的三相上安装三只电流互感器。
当然补偿控制器还要接入电压信号，三相共补接入A相电流信号时，要同时接入B、C相电压信号；三相分补时，接入A、B、C三相电压信号。然后补偿控制器才能根据软件赋予的计算功能测算出三相无功功率或某一相的无功功率。

如果将取样电流互感器安装在图2中的B点或C点，无功补偿系统均不能正常工作。安装在B点时，电流互感器中感知检测到的是电动机未经补偿时的负荷电流，至于补偿电容器是否已经投入补偿，电动机是与电源进行无功能量的交换，还是与电容器进行无功能量的交换，电流互感器及无功补偿控制器是无从判断的。这时电动机所需的无功功率如果达到了电容器投入的阈值，例如单组电容器的容量是30kvar，投入阈值也是30kvar，电动机运行所需的无功功率是32kvar，那么补偿控制器将下达投入一组电容器的指令，对电动机进行无功补偿。按说投入一组30kvar的电容器进行补偿，对于电动机32kvar的无功需求，是合理的，但安装在B点的取样电流互感器并不能感知到此时电动机所需的无功功率已由电网改为主要由电容器提供，所以会继续发出投入电容器的指令，直至补偿系统内的所有电容器全部投入，出现极不合理的过补偿。这时的实际功率因数由滞后变为超前，无功补偿系统处于一种非正常运行状态。
如果将取样电流互感器安装在图2中的C点，则补偿控制器获得的电流信号是容性的，这时无论运行中的电动机需求多少无功功率，补偿控制器都不会发出投入电容器的指令。
4.对一款无功补偿方案的探讨
一篇题目为《一例锂电池工厂变电所介绍与分析》的文章中，提出了由主补偿柜和副补偿柜共同来给系统进行无功补偿的方案，文章说，“在锂电池工厂1000kVA与1250kVA变压器无功补偿都设了主柜与副柜”，“主柜与副柜各由独自的控制器（型号为JKL5C--10）控制电容器投切”，“主柜和副柜各有10路补偿电容。主柜与副柜自成系统，先由主柜投运补偿，当主柜10路电容全部投入时，仍没有达到目标功率因数时，副柜投入补偿。一旦负荷下降主柜先切”，“主柜靠近负荷侧进电，副柜靠近变压器侧进电。主柜电流检测电流互感器安装位在负荷与主补柜之间。副柜电流检测电流互感器安装位在副补柜与变压器之间”。
根据摘录的原文描述，并参考原文电路，我们绘制出与无功补偿相关的局部电路，如图3所示。这里绘出的是一台变压器、以及与这台变压器配套的主补柜和副补柜、负载电动机等相关电路。下面分析图3电路能否正常工作。
（1）电动机开始运行后，取样电流互感器CT1及配套的主补控制器、CT2及配套的副补控制器，均可检测到电动机所需的无功功率，如果此时电动机所需的无功功率值刚好达到或略微超过控制器参数设定的投入阈值时，两台控制器均发出投入电容器的指令，总共投入两组电容器，显然已经过补偿。之后副补控制器检测到过补偿，指令将副补柜已投入的电容器切除。而主补柜由于不能获得正确的电流信号，仍将继续发出投入电容器的指令，直至将主补柜中的10组电容器全部投入，使系统出现严重的过补偿。所以，该电路在负荷较轻时不能正常工作。
（2）电力系统运行在中等负荷，例如需要投入10组电容器（主、副补偿柜共20组电容器）时，主、副补偿控制器同时向各自柜内的电容器发出投入指令，每台补偿柜各投入5组电容器（参数设置的投切时间间隔相同，投入阈值相同）时，本来已经补偿得恰到好处，但主补柜由于不能获得正确的电流信号，仍将继续发出投入电容器的指令，直至将主补柜中的10组电容器全部投入。当然，主补柜从投入第6组开始，直至投入第10组电容器，每投入一组电容器，副补柜就会因为检测到过补偿而切除一组电容器，形成投切振荡。最后的结果是主补柜投入了全部10组电容器，副补柜则是先投入5组电容器，然后依次全部切除。如此看来，该系统在中等负荷时也不能正常工作，也不是原文描述的“先由主柜投运补偿，当主柜10路电容全部投入时，仍没有达到目标功率因数时，副柜投入补偿”。
（3）电力系统运行在较重负荷时，只要不是需要两台补偿柜的电容器全部投入，也会出现不合理的投切振荡现象。由于电容器的总容量设计得留有余量，所以正常运行过程中，一般不会出现需要两台补偿柜的电容器全部投入的情况。
综上所述，44期介绍的主、副补偿柜各自独立自成系统的补偿方案存在着明显的技术瑕疵。究其原因，一是原文作者介绍电路方案时出现了笔误，二是电路系统的设计者、运行人员容忍或忽略了运行中的技术瑕疵。
5.改进方案
其实改进方案很简单，就是一个电路系统的无功补偿装置只能选用一台控制投切路数足够多，例如原文介绍的系统选等于或多于20路的无功补偿控制器，虽然如44期原文所说，成本会略高，但他能带来技术上的优势：一是消除投切振荡；二是补偿动作次数更少，更智能的补偿控制器可以配套使用电子开关代替接触器，实现电压过零投入、电流过零切除，消除了合闸涌流，将不同容量的电容器合理组合一次投入，减少投切次数；三是由于多组电容器可以同时投切，所以可使补偿更快捷，补偿效果更佳；四是可以实现分相补偿。