看从业10多年的前辈谈各种无功补偿、电容器、谐波等问题-供电配电-筑龙电气工程论坛

一、关于电容无功补偿装置输出容量计算的探讨

电容无功补偿装置输出容量的计算对很多刚接触这行业的同志来说有点混乱。本人把自己的一点心得写下来，希望对大家有点帮助。
为方便分析，设定装置运行在理想的额定电压下，不考虑系统电压波动或谐波等干扰。
Q：装置的无功输出量；
Qc：电容器的无功输出量；
Qcn：装置的电容器额定容量；
Ql:串联电抗器的无功输出量;
Un:装置的额定电压；
Ucn：电容器的额定电压；
Uc：电容器的运行电压；
K：电抗器与是容器的阻抗比率。

1、装置没有串接电抗器或只有很小的限涌流电抗器。

明显可知Q=Qc=Qcn；Un=Uc,没必要讨论。

2、装置接有抑制谐波的串联电抗器，比率为K。

Uc=Un/(1-K)_____电容器的运行电压在串联电抗器后提高了，
Qc=Qcn/(1-K)∧2
Q=Qc-Ql
以K=6%计算
Uc=1.064Un
Qc=1.13Qcn
Ql=0.06Qcn
Q=1.07Qcn

通过计算可知，当串接电抗器后，如果其它参数不变的情况下，装置的无功输出容量是增了（数值上大概就是增加了是电抗器的容量）。正是由于上述计算的原因，很多设计人员就认为加了电抗器就相当于加了容量，可以减点电容器了。
实际上述计算虽然正确，但在工程设计是不可以这样运用的。观察上述计算过程，你会发现电容器的运行电压比额定电压提高了，这相当于使电容器过负荷运行而多出力，这会损坏电容器的，因此在设计时我们应提高电容器的额定电压，因此实际计算如下(6%电抗)：
Ucn= Un/(1-K)=Uc
Qc=Qcn
Q=Qc-Ql=0.94Qcn

结论：

当电容无功补偿装置中有抑制谐滤电抗器时，电容器的额定电压要相应提高，装置容量输出相应减少。工程上简易公式：串多大比率的电抗器，电容器额定电压提高相应比率而装置输出减少相应比率。

二、也来谈谈什么是无功？

什么是无功，一个书本上应该写得明明白白的概念，但总有多人提出这个疑问，而回答的也各式各样，概念非常混乱，甚至很多书上也给出了误导的解悉。下面谈谈个人的体会。

1、什么是无功？

这里有个误区，我们所说的无功实际是无功功率的口语说法。这个概念很多人都知到，但也迷惑了很多人，从而产生了很多无功就是无用的功的说法，令人越想越不明白。因此我们首先建立无功是指无功功率。

2、那到底无功功率是什么？

先看看标准上给出的定义：无功功率Q=S*sinθ,其中S为视在功率，θ是电流与电压的相位差；或者Q=√S∧2-P∧2 (真的不知如何打公式，不过相信大家看得明白），P为有功功率。如果三角函数还没全忘记的朋友应明白S、P、Q的关系就是三角函数中两条直角边与斜边的关系了，放坐标系中P在x轴，Q在y轴，S就他俩合成的斜边，θ就是S与P的夹角。要想明白无功补偿的原理，脑里一定要想象出这个坐标系，也就是当三个元素分别变化时图形是如何变化的。

3、那到底无功功率的物理意义是什么？

上面所谈的只是无功功率的数学定义。要说清楚他的物理意义，先要从什么是做功开始。从能量守恒原理可知，电路中所做的功实际是指负荷把电能转化为其他的能量。如把电能转化为热能、光能、机械能、化学能等，产生这些作用的元件我们称为电阻元件。电能通过这类元件，能量就传到电路系统外面了，习惯上称为元件吸收能量，而元件吸收能量的快慢就用功率这个概念，这种电阻元件所产生的功率就是我们所说的有功功率（电能让他们转走了，确实有做功）。但另外有一些元件，如电抗器，电容器，他们在电路中也转换电能，但只在一个频率周期的一半时间转走电能，而另外一半时间又把电能转回来。电抗器在一个频率周期中两次把电能转化为磁能，而在同一周期内又两次把磁能转回电能。电容器也类似，一个频率周期中两次把电能转化为静电能（电能的储存），而在同一周期内又两次把静电能转回电能（电能的释放）。这类元件不断地从电路中吸收能量，但又把能量放回来，因此在一个频率周期上看，电路系统中的能量没有被转走，没有做功，如果作数学推导，确实可以得到P=0（具体推导请参考教材）。但是这种能量的交换虽然对于元件本身没有做功，但他对电路的其他元件是有影响的，特别是当这个交换的速度变得很大时，作用更明显，为了考察这种现象，科学家强行给出了无功功率这个名称，他就是指上述元件的能量交换速率（有功功率是能量转换）。在数学意议上实际是把功率的负半周期强加上了绝对号。最后还要说说的是视在功率S，其实视在功率也不是真正的意义上的功率，与无功功率一样，是科学家为考察电路现象而定义的一个概念，即元件端电压的方均根值与流过电流的方均根值的乘积（实际就是电流表上的电流读数与电压表上电压读数的乘积）。

小结：

无功功率是元件在电路中能量交换的速度，而有功功率是元件在电路中能量转换的速度，而视在功率是无功功率与有功功率的三角合成。三者的数理关系表现为Q=Q=√S∧2-P∧2 。

注：上述分析是以正弦交流电路为基础，没有特别说明的元件均指理想元件。

三、关于无功概念的浅析。

由于部分同志对无功的概念较为混乱，现试对其作出浅析，希望对大家有帮助。

大家应建立一个概念，无功并不会被消耗，只会被补偿、平衡。

首先，大家应了解为什么要定义无功。无功是无功类设备（电感、电抗）与电网进行能量交换的速率。应强调的是交换的速率，而不是交换过程中的损耗，即在交换过程中由于漏磁、介质损耗等能量的损失并不属于无功，这些是因无功过程中引起的有功损耗。

再明白点说明无功的定义及与有功的分别。电网中存在电能，当电流通过负荷时，会产生机械运动、光、热能等其它能量的表现。这实际上电能转换成机械能、光成与热能等。这种转换速率我们称为有功，转换的结果就是电能的消耗，其主要特征是当电能通过负荷转换成其它型式的能量后，并不能立刻变回电能（一个周期内）。而有些特殊的设备（如电抗器、电容器），当电流流过它们时，在半个周期内，电能会转变成磁能或场能等形式，但在后半个周期内，这些能量会转变回电能并反送回电网，因此从整个周期来看，设备没有从电网中吸收任何电能，只是不断的作能量交换（是交换而不是转变）；为计算交换的速率，因此定义无功这个概念，这类设备就是无功负荷。虽要说明的是，实际上是没有纯无功负荷的，实际的无功设备在能量交换时一定有能量的损耗（如漏磁、介质损耗等），这部分丢失的损耗不能算入无功，这是因无功作用而产生的有功损耗。同理有些人把设备产生的不是需要的热能等能量损失称为无功是不对的，这是无用功，而不是无功，因其不能转回电能。

有些人可能会问，无功既然只是无能量交换，没有能量消耗（确切的说是转变为其它形式的能量），那为什么我们还要那么重视无功呢？下面用一个例子说明：电厂发电，煤送入工厂，会被消耗（相当于有功），工人每天上下班，在工厂进出，人数并不减小（相当于无功）。工人虽然不会损耗，但工人上下班必然占用道路，影响煤的输送（为了说明问题，只好认为他们是用同一道路的），这就相当于无功影响了设备的输电效率。同时，工人在上下班的过程中必然对路面产生损坏，路程越长则维护费用越大（这相当于无功引起的线路损耗，属有功）；为减小这个损耗，厂区内最好就建有工人住房（这相当于无功就地补偿、平衡）。

总结：

无功是能量交换的速率，本身并不产生损耗。我们常说的无用功损耗能等，实际上很多是属于有功，因为它是把电能转为热能或机械能等。但无功负荷在能量交换过程中必然带来有功损耗，而且负荷与电源的距离越远则损耗越大，并且会占用大量的线路输送能力；为了减小这方面的损失，我们就要在无功负荷设备的旁边加装反性质的无功负荷，使其互相进行能量交换，减小对电源的依赖，达到提高线路输送能力及减小线损的目的。

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