3.5 电力电容器

3.5.1 电力电容器的结构原理

1. 电力电容器的作用与基本结构

电力电容器主要用于提高频率为50Hz的电力网的功率因数，作为产生无功功率的电源。

电力电容器的结构主要由外壳、电容元件、液体和固体绝缘、紧固件、引出线和套管等件组成。无论是单相还是三相电力电容器，电容元件均放在外壳（油箱）内，箱盖与外壳焊在一起，其上装有引线套管，套管的引出线通过出线联接片与元件的极板相连。箱盖的一侧焊有接地片，做保护接地用。在外壳的两侧焊有两个搬运用的吊环。单相电力电容器的内部结构如图3-32所示。

2. 电力电容器的接线方法

若电力电容器的端电压为U，电流为I_C，其容量为Q_C，则：

将代入式（3-9）可得：

电容器中介质引起的有功损耗：

式（3-10）和式（3-11）中，δ为电容器的介质损失角；f为频率（Hz），ω=2πf。

由式（3-10）和式（3-11）可知：电容器的容量和介质损耗均随其端电压的平方而变化，因此电容器的连接，必须保证其端电压与电网电压相符。

电容器既可以串联，也可以并联，当单台电容器的额定电压低于电网电压时，可采用串联连接，使串联后的电压与电网电压相同。当电容器的额定电压与电网电压相同时，根据容量的需要，可采用并联连接。但如果条件允许，尽量采用并联，而不采用串联。因为并联时，若其中一台发生故障，其他的并联电容器可继续运行，只是总容量减少一台的容量。若串联时，其中一台发生故障，其他未发生故障的电容器也必须停止运行。

对于串联运行的电容器组，要求每台电容器的电容值应尽量相等，即使不相等，其差值也应小于10%，否则由于电容值的差异，造成每台所承受的电压不一致，也会导致三相电压的不平衡。因此在安装时，应尽可能选择电容值相差不大的电容器。

对于串联连接的电容器，接入电网运行时，每台均需对地绝缘起来，其绝缘水平应不低于电网的额定电压。

单相电容器组接入三相电网时可采用三角形联结或星形联结，但必须满足电容器组的线电压与电网电压相同。

当3个电容为C的电容器接成三角形时，容量为，式中U为三相线路的线电压。如果3个电容为C的电容器接成星形时，容量为，式中U_ϕ为三相线路的相电压。由于，因此。这是并联电容器采用三角形联结的一个优点。另外电容器采用三角形联结时，任一电容器断线，三相线路仍得到无功补偿；而采用星形联结时，一相断线时，断线的那一相将失去无功补偿。

但是，电容器采用三角形联结时，任一电容器击穿短路都将造成三相线路的两相短路，短路电流很大，有可能引起电容器爆炸。这对高压电容器特别危险。而采用星形联结时，在其中一相电容器击穿短路时，其短路电流仅为正常工作电流的3倍，因此相对比较安全。所以GB 50059—1992《35～110kV变电站设计规范》规定：电容器装置宜采用中性点不接地的星形或双星形联结，而GB 50053—1994《10kV及以下变电站设计规范》规定：高压电容器组宜接成中性点不接地的星形，容量较小时（450 kvar及以下）宜接成三角形。低压电容器组应接成三角形。

对于中性点不接地系统，当电容器组采用联结时，其外壳也应对地绝缘，绝缘水平应与电网的额定电压相同。这是因为在中性点不接地系统中，当发生一相接地时，其他两相对地电压升高为线电压，为了防止电容器过电压，应将电容器的外壳绝缘。

3. 电容器的放电装置

电容器从电源上断开后，由于极板上蓄有电荷，因此两极板间仍有电压存在，在电源断开瞬间，即t=0时，电压的数值等于电源电压，然后通过电容器的绝缘电阻进行自由放电，使端电压逐渐降低。端电压的变化可用下式表示：

式中，u_t为t时刻电容器的端电压（V）；U₀为电路断开瞬间电源电压（V）；t为放电时间（s）；R为电容器的绝缘电阻（Ω）；C为电容器的电容量（F）；e为自然对数的底，e=2.718。

从式（3-12）中看出端电压下降的速度取决于电容器的时间常数RC。当电容器的绝缘良好，即R数值很大时，自由放电进行得很慢，这样就不能满足安全要求，为使放电快速进行，必须加装放电装置，使电容器断开电源后能迅速进行放电，以保证运行和检修人员在停电的电容器上进行工作时的安全。

电容器通过纯电阻R进行放电时，其放电电流是非周期性的单向电流，它随着放电时间的增加和电容器端电压的降低而减少。

若放电回路存在着电感L，电压和电流随放电时间的变化情况取决于放电回路的参数R、L和C的数值，其放电电流除了可能是非周期性单向电流外，还可能是周期性的振荡电流。这取决于R和临界振荡电阻的数值，当，放电电流是非周期性的单向电流；当时，放电电流是周期性的振荡电流。

（1）对放电电阻的要求

1）放电电阻的接线必须牢靠。为了保证电容器停电时能可靠的自行放电，放电电阻应直接接在电容器组上，而不应单独装设断路器或熔断器。如果放电电阻与电容器之间装有断路器或熔断器，一旦断路，便会失去放电作用，这样很危险。

2）电容器从电源侧断开进行放电后，其端电压应迅速降低，不论电容器的额定电压是多少，在电容器切断后30s，其端电压不超过65V。

3）为减少正常运行过程中在放电电阻中的电能损耗，一般规定，电网在额定电压时，每千乏电容器在其放电电阻中的有功损耗不超过1W。

4）对于额定电压在1kV以上的电容器组可采用互感器的一次线圈作为放电电阻，通常采用两台电压互感器V接线，最好是采用3台电压互感器三角形联结。

下列两种情况，可不另行安装放电电阻：

1）电容器或电容器组，直接接在变压器、电动机控制或保护装置的内侧，即电容器与电器设备共用一组控制或保护电路，当隔离开关拉开或熔断器断开后，电容器将通过变压器或电动机的线圈自行放电。

2）装在室外柱上的电容器组，因电容器安装处较高，停电后人体不易触及，同时放电电阻也不易安装。但是，此种电容器组必须制定严格的管理制度，尤其在停电进行电容器的检修、清扫和检查时，必须严格执行安全规程，在悬挂临时地线之前，必须进行一次或数次人工放电，直至残余电荷绝大部分放尽，方可悬挂临时接地线，再开始工作。

（2）放电电阻的选择

对于低压电容器组，可按下式选择放电电阻：

式中，R为放电电阻（Ω）；U_ϕ为电源相电压（kV）；Q_C为电容器组每相容量（kvar）。

按上式计算出的放电电阻，尚需符合每千乏电能损耗不超过1W的要求。

一般低压如400V电容器组多采用220V白炽灯泡作为放电电阻，它同时还能起到运行指示灯的作用，用两只灯泡串联是为了延长灯泡的寿命和减少其所耗用的功率。此时每个灯上所承受的电压是额定电压的50%左右。

（3）放电电阻的接线形式

放电电阻的接线形式有三角形联结和星形联结。无论电容器组接成三角形还是接成星形，其放电电阻接成三角形较接成星形可靠。从图3-33和图3-34可以看出，当放电电阻接成三角形时，当电阻2断线，电容器仍能可靠放电，如果两个电阻2、3同时断线，C₂和C₃就无法自行放电。当放电电阻接成星形联结时，只要有一个电阻断线（如3）相应的电容器便不能自行放电。

3.5.2 电力电容器的安全运行及维护

1. 电容器组的过电压和合闸涌流

（1）过电压对电容器的影响

由式Q_C=ωCU²可知，电容器的无功功率随外加电压的平方而变化，因此电容器的端电压决定了其无功出力。由式ΔP_C=ωCU²tanδ可知，电容器的功率损耗和发热量随其端电压的平方而变化，运行电压升高，使电容器的温度显著增加，当电压升得太高时，就会导致电容器产生的热量不能及时散发出去，最后导致电容器的损坏。

因此严格控制电容器的运行电压，是保证电容器安全运行的重要措施。我国规定，移相电容器允许在电压高于其额定电压的5%时，能长期运行，在一昼夜内最高不超过1.1倍额定电压（瞬时过电压除外）下运行不超过6h。

当运行电压低于额定电压时，对电容器本身无损害，但其无功出力将随外加电压的平方而下降。

（2）电容器组投切过程中引起的操作过电压

当电容器从电网上切除时，可能由于电感和电容回路发生电磁振荡而产生操作过电压，其幅值与被切电容和母线侧电容的大小有关。此过电压可使电气设备的绝缘发生闪络或造成避雷器爆炸等事故。在电容器组切断过程中，若在开关触头间的介质强度恢复不够，则在灭弧室中会发生电弧重燃，此时可能出现更大数值的过电压。经常性的过电压会使电容器介质的游离电压下降，绝缘水平降低。对于游离电压下降的电容器，当达到较高电压时，就会产生游离，电子轰击介质放出气体，引起电容器外壳“鼓肚”而损坏。由此可见操作电容器组时的过电压，对电容器组的安全运行是有害的。

《电力设备过电压保护设计技术规程》指出，切合电容器组时，采用有并联电阻的断路器，可将这种过电压限制在2.5～3.0倍相电压之内。因此，对于35kV的电力电容器组应尽量采用带并联电阻的断路器；对于10kV的电容器组，有条件时，可采用真空断路器进行操作。另外，如条件允许，应尽量减少电力电容器组的投切次数。在电容器回路中串入小值电抗器也可减少操作过电压。

（3）高次谐波过电压

供电系统的阻抗与电容器组成R、L、C串联电路。这个电路产生串联共振的自然频率为

在电源电压发生畸变时，若电源波形中某次谐波的频率接近或等于自然频率f₀，将发生谐波共振现象，在整个供电网络中出现过电压，特别是在空载时，情况更为严重，这对电容器的运行是非常不利的。

在配电网络中，影响电压畸变的主要负荷是整流设备，高次谐波电流与整流相数有关。整流相数大，谐波电流的幅值变小。晶闸管整流装置一般为6相，为了降低高次谐波电流数，可改用12相或36相。

另外，在电容器回路中串联一组小值的电抗器，其电抗值的选择应该在可能产生的任何谐波下，均使电容器回路的总电抗为感抗而不是容抗，从根本上消除产生谐振的可能。

电抗器的感抗值X_L一般为电容器组工频容抗值的6%，即X_L=6%X_C。

电抗器的额定电流为电容器组额定电流的1.35倍。但应注意，由于串联电抗器的结果，使加于电容器的端电压U_C提高了，，式中U为系统电压。如系统电压较高，要防止由于加装电抗器引起电容器组长期过电压运行。

（4）电容器组的合闸涌流

由于电容器组是储能元件，其端电压是不能突变的。在电容器组投入运行瞬间，其端电压为零，相当于电源在电容器组安装处发生短路。在合闸后很短时间内存在一个暂态过程。在此过程中，电压和电流的幅值都要随时间而产生相应的变化，此时电流是频率很高、幅值很大的过渡电流，此电流称为合闸涌流。合闸涌流的大小与合闸瞬间电压的数值大小有关。

1）当合闸瞬间电压为零值时，电容器组暂态过电压数值不大，在自由振荡的第一个1/2周期内，电流的数值为正常电流的峰值，考虑到计算上的近似性，电容器组过电压的数值按可能达到稳定时峰值的两倍来考虑。此时合闸对电容器组比较有利。

2）合闸瞬间电源电压为最大值时，电容器组的暂态过电压为电容器正常端电压的峰值，则电流的数值将是很大的。此时合闸涌流的幅值及合闸涌流的频率均与电网的短路容量S_K和电容器组的容量Q_C有关。电网的短路容量越大，则合闸涌流的幅值和频率越高；电容器组的容量越大，则合闸涌流的幅值和频率越低。当涌流超过电容器组额定电流峰值10倍时，对电容器是不利的，为此应使。

此外，当同一母线上接有两组电容器，其中一组已运行，而投入另一组电容器时，在电容器组合闸瞬间，除电网向其充电形成合闸涌流之外，已运行的电容器组也向其放电，使合闸涌流的幅值和频率均较单独投入一组电容器时大。

由于合闸涌流的频率很高，对其他电气设备有一定危害。如产生的机械应力可能使开关的灭弧室遭到破坏，频率很高的涌流通过电流比较小的电流互感器时，而感应出很高的电动势，可能使一次绕组的层间绝缘击穿，而损坏电流互感器。

为防止电容器组合闸涌流造成的危害，可采用下列措施：

1）在电流互感器一次线圈的两端，装设一组0.4kV的阀形避雷器，以便限制合闸涌流在一次线圈上产生的感应过电压。

2）在电容器组中串入小电抗值的电感器。

3）如果两组电容器分别接在两段母线上，则合第二组电容器前，应切断母线的联络开关，以避免在一组电容器运行的情况下再投入第二组电容器。

4）尽量减少电容器组的投切次数。

2. 并联电容器运行规定

电容器的外壳一般应接地，放在绝缘台上的电容器应与绝缘台上的金属支架相连接；电容器组电缆投运前应定相，并有相色标志；新投电容器在额定电压下合闸冲击3次，每次合闸间隔时间5min；正常投退电容器，也应至少间隔5min方可再次合闸送电；装设自动投切装置的电容器组，应有防止保护跳闸时误投入电容器装置的闭锁回路，并应设置操作解除控制开关；电容器允许在额定电压±5%波动范围内长期运行；电容器过电压倍数及运行持续时间按表3-3规定执行，尽量避免在高于额定电压下运行；电容器室温度最高不允许超过40℃，外壳温度不允许超过50℃；电容器组应有可靠的放电装置，并且正常投入运行；安装于室内的电容器应有良好的通风装置；电容器室的排风口应有防风雨和小动物进入的措施，在便于观察的地方装设温度计；电容器室不宜设置采光玻璃，电容器室门应向外开启，相邻两电容器的门应能向两个方向开启；电容器保护跳闸后，在未查明原因前不得试送；当环境温度长时间超过允许温度、电容器温度低于下限温度、电容器大量渗油时禁止投切电容器。

电容器组投切时的操作注意事项。

1）电容器组的投入和退出，应根据调度部门下发的电压曲线或调度指令进行。

2）全站停电操作前，应先拉开电容器组的断路器；全站恢复送电时，应先合各出线断路器，再合电容器组断路器。这是因为变电站母线无负荷时，母线电压有可能超过电容器的允许电压，这对电容器是不利的。另外，应避免在变压器空载时投入电容器组以防止电容器组和空载变压器间可能产生的共振，使过电流保护动作。

3）对采用混装电抗器的电容器组应先投电抗值大的，后投电抗值小的，切时与之相反。

4）全站故障失去电源后，无失压保护的电容器组必须立即将电容器组断路器断开，以避免电源重合闸时损坏电容器。

5）电源侧装有自动重合闸装置，容量在300 kvar以上的电容器组应加装失压保护。

6）投切一组电容器引起母线电压变动不宜超过2.5%。

7）电容器组的断路器拉开后，必须待5min后再进行第二次合闸，故障处理亦不得例外。

8）为了防止电容器组爆炸伤人，在电容器组投切操作过程中，严禁人员进入电容器室和靠近电容器组。

3. 电容器运行前检查

电容器和其附属设备，投入运行前应做如下检查。

支瓶、套管应完整、清洁、无裂纹。外壳应无凹凸或渗油现象，电容器外壳及构架的接地应可靠，其外部油漆应完整。电容器组的放电回路及监视回路应完好，电容器组的保护回路应完整、传动试验正确。电容器组的接线正确，三相电容器值应平衡（10kV级的误差不大于2%，35kV级的不大于1%）。单台电容器引线要软连接，外熔断器完好，装设角度和弹簧拉紧位置，应符合制造厂的产品技术要求，避免熔断器弹簧张力不足和熔丝卡涩，影响开断性能，防止熔管爆炸。电容器与熔断器尾线不能用螺母直接压接紧固，必须采用专用压线夹，防止接触不良。电容器的母线和分支线应涂相位色，每台电容器应编号。电容器及附属设备必须干净，没有任何遗留物，室内不能存放与电容器组无关的物品。消防设备齐全合格。

通风装置合理，室内温度计应配齐。室外电容器组防小动物措施应符合要求。密集型电容器应检查套管完整、清洁、无裂纹；箱体无渗漏，油位指示正常，外壳接地良好。电容器及其串联电抗器、放电线圈外部的绝缘漆应完好。支柱应完整、无裂纹，线圈应无变形。

验收电容器装置时，必须认真校核放电线圈极性和接线是否正确，确认无误后方可进行投运，试投时不平衡保护不得退出运行，避免因放电线圈极性和接线错误造成的放电线圈损坏，甚至爆炸。

4. 电容器运行监视与巡视检查

1）对运行电流的要求：由于母线电压升高（工频过电压）或高次谐波引起电容器过负荷时，电容器过电流值不超过额定电流的1.3倍时，允许长期运行。

2）日常巡视和检查内容如下：

① 检查有关电流、电压、温度等表计的指示是否在允许范围以内，三相电流差不超过5%；与以前比较有无异常变化。

② 电容器的外观检查。检查电容器外熔断器是否熔断，安装角度是否符合厂家的要求，弹簧是否发生锈蚀、断裂，指示牌是否在规定的位置；套管是否清洁完整，有无裂纹、放电现象；电容器是否渗漏油、鼓肚，内部有无异常响声，油箱表面温度指示情况；引线连接各处有无脱落或断线，引线和母线各处有无烧伤过热和变色现象；支持瓷瓶的清洁及绝缘状况；接地线连接状况；室内及电缆沟内是否有防小动物措施；雨雪天有无雨雪浸入等。

③ 检查断路器、隔离开关、互感器、串联电抗器、放电装置、避雷器、继电器仪表信号和通风装置等运行状况是否正常。

④ 电容器投切后，应检查相关设备潮流及系统电压是否正常。

3）接触停电的电容器导电部分（含中性点）前，即使电容器已经自行放电，必须将电容器逐个多次放电并接地。在绝缘支架上的电容器外皮也应放电，运行人员巡视运行的电容器时，不得移开或越过遮栏。

5. 电容器异常及故障处理

1）电容器组发生下列情况时，应立即将电容器组停运：电容器爆炸；接头严重过热；套管严重放电闪络；电容器喷油或起火；电容器外壳明显膨胀，有油质流出或三相电流不平衡超过5%以上，以及电容器或电抗器内部有异常声响。当电容器外壳温度超过55℃，或室温超过40℃时，采取降温措施无效时。密集型并联电容器压力释放阀动作时。

上述情况下，不允许强行试送。必须经放电完毕，查明原因，排除故障以后才能重新投入。

2）电容器组在运行中出现过电压、过电流、三相电流不平衡及渗漏油、鼓肚、温升过高、断路器自动跳闸、爆破起火等异常及故障情况，运行人员应及时分析原因，采取对策，并详细做好记录。

3）过电压：电容器组过电压保护装置应经常投入运行。当电容器运行电压超过其额定电压1.1倍时，如无过电压保护装置或过电压保护装置拒动时，应立即将电容器退出运行。

4）过电流：电容器由于运行电压升高和高次谐波引起的过电流，超过其额定电流的1.3倍时，应立即退出运行。

5）三相电流不平衡：电容器三相电流相差不超过5%。

6）电容器组保护装置动作的处理。

① 过电压保护动作：过电压保护应按电容器铭牌额定电压的1.1倍整定。过电压保护动作的原因是由于母线电压高或保护误动。动作后应立即检查母线电压指示仪表，如果确认是过电压引起，待电压下降至电容器允许运行电压的条件下重新投入运行。对于保护误动，应对保护装置进行修校。

② 失压保护动作：当电源突然消失或因外部短路，母线电压突然下降时动作，切除电容器组，以免电容器组带电荷合闸，引起电容器群爆故障的发生。失压保护动作后，应查明原因，如确因失压造成，应待母线电压恢复正常后，将电容器组重新投入运行。

③ 单台熔丝熔断：单台熔丝保护是电容器内部元件击穿的保护，一般按1.5倍电容器额定电流整定。熔丝熔断后，必须对该台电容器详细检查。经检查未发现异常现象，方可投入运行。

④ 并联电容器组正常运行和投入过程中发生相横差、相差压、零序电压、中线电流、中性点差压等内部故障保护动作跳闸，在没有确认保护动作原因前，禁止强送。运行值班人员应立即上报，由检修单位对电容器组保护装置进行检查，并逐台测试电容量，确认满足条件后，方可投入运行。

⑤ 过电流保护动作：过电流保护动作一般是由于电容器组发生相间短路或电容器内部元件击穿，而内部故障保护拒动，以至扩大至相间短路，以及过流保护误动等原因造成。过流保护动作后，应迅速查明原因，首先检查过流保护用电流互感器及以下电气回路，确定故障点，排除故障后，方可投入运行。

7）电容器内部产生放电声：电容器在正常运行中一般没有声音，有异常响声的电容器，应退出运行，进行检修处理。

8）电容器温度过高：由于环境温度过高，电容器布置太密，高次谐波电流影响、频繁切合，电容器反复受过电压和涌流作用，介质老化，介质损耗不断增大等原因，都会造成电容器温升过高。可采取改善通风条件，加装串联电抗器。当外壳温度上升到50～60℃时，应立即停止电容器运行。

9）渗漏油：由于产品制造上的缺陷；套管、接头受到搬动、振动或硬母线的热机械应力，拧螺帽用力过大过猛造成隐伤；外壳漆层剥落、锈蚀；高温天气时电容器温升异常或日光曝晒，温度变化剧烈，造成内部压力过大，都会使外壳或套管渗漏油。发现轻度渗油现象时，加强监视，渗漏严重时，应退出运行。

10）外壳鼓肚：电容器若在过高的电压下运行，将导致内部产生局部放电，或部分元件击穿，使电介质分解，产生较多的气体，造成外壳塑性变形而鼓肚。为避免爆破故障的发生，运行中应认真进行外观检查，发现外壳鼓胀时应查明原因，鼓肚严重的应立即停止使用。

11）电容器的爆破：电容器内部元件发生贯穿性击穿造成相间或相对外壳短路，而又无适当保护时，与之并联的电容器组对它储能放电，能量很大，导致电介质急剧分解产生大量气体，使外壳爆破开裂或瓷套炸裂。当内部部分串联元件击穿时，或部分串联电容器分组上的电压过高时，将电容器退出运行。

12）对电容器室火灾的处理：如发现电容器爆破起火，应迅速切断电容器组的电源，并立即停用通风设备，用砂土及电气灭火器进行灭火，必要时通知消防单位。当电容器与其他带电部分相连有可能波及时，应同时将有威胁的带电部分停电。

3.5.3 无功功率的补偿

1. 无功功率补偿的基本概念

在电力系统中，不仅要输送有功功率，还要输送无功功率。

异步电动机、变压器和线路等都需要用无功功率来建立磁场，是无功功率的主要消耗者。一般工业企业消耗的无功功率中，异步电动机约占70%，变压器占20%，线路占10%，因此为了提高用户的自然功率因数，在设计时要合理选择电动机和变压器的容量，减少线路的感抗，以提高用电单位的自然功率因数，如选择电动机的经常负荷不低于额定容量的40%；变压器的负荷率宜在75%～85%，不低于60%。

除发电机是主要无功功率电源外，线路电容也产生一部分无功功率。但上述无功功率往往不能满足负荷对无功功率和电网对无功功率的需要，需要加装无功补偿设备。例如同期调相机、电力电容器等，它们都可以作为无功功率的电源。这里主要介绍用移相电容产生无功功率，进行无功补偿。

无功电源不足将使系统电压降低，从而损坏用电设备，严重的会造成电压崩溃，使系统瓦解而造成大面积停电。无功功率不足还会造成用电设备得不到充分利用，电能损耗增加，效率降低，限制线路的输电能力。因此用补偿的办法解决电网无功功率的不足，是保证电力系统安全经济运行的重要措施。

（1）用户的功率因数

减少用户消耗的无功功率，应提高用户的功率因数。用户的功率因数有瞬时功率因数、平均功率因数和最大负荷时的功率因数。

1）瞬时功率因数。瞬时功率因数是用户在某一时间的功率因数，借此了解无功功率变化情况，决定是否需要无功功率的补偿。瞬时功率因数可用功率因数表直接测出，或间接测量，由功率表、电压表和电流表的读数通过下式计算：

式中，P为功率表测出的三相功率的读数（kW）；U为电压表测出的线电压的读数（kV）；I为电流表测出的线电流读数（A）。

2）月平均功率因数。可按下式计算：

式中，W_m为一个月内消耗的有功电能，即有功电能表的读数，kW·h；W_rm为一个月内消耗的无功电能，即无功电能表的读数，kvar。

供电部门一般要求用户的月平均功率因数达到0.9以上。为鼓励用户提高功率因数，我国的供电企业每月向工厂收取电费，规定按月平均功率因数进行调整，月平均功率因数高于规定值，可减收电费，而低于规定值，则要加收电费。

3）最大负荷时功率因数。指在最大负荷即计算负荷时的功率因数。按下式计算：

式中，P₃₀为有功计算负荷（kW）；S₃₀为视在计算负荷（kV·A）。

无功功率补偿，提高用户的功率因数。当用户的自然平均功率因数较低，单靠提高用电设备的自然功率因数达不到要求时，应装设无功功率补偿设备，以提高用户的功率因数。

若用户需要的有功功率P₃₀不变，加装无功补偿设备后，使无功功率Q₃₀减少到，无功补偿概念的示意图如图3-35所示。若功率因数由cosϕ提高到cosϕ′，此时即为无功功率补偿的容量。从图3-35可以看出，加装了无功补偿设备后，视在功率由S₃₀减少到，相应的负荷电流I₃₀也减小，使系统的电能损耗和电压损耗相应地降低。

由图3-35可知，将功率因数由cosϕ提高到cosϕ′须装设无功补偿装置（并联电容器）的容量为

式中，Δq_c为无功补偿率，Δq_c=tanϕ-tanϕ′。

在装设了无功补偿装置以后，无功计算负荷为

补偿后的视在计算负荷为

可以看出，在变电站低压侧装设了无功补偿装置后，由于低压侧总的视在功率减少，从而可以使变压器的容量选的小一些。这不仅可降低变电站的初投资，而且可减少电费开支，因为我国供电企业对工业用户实行“两部电费制”：一部分称为基本电费，按所装的主变压器容量来计费，规定每月按kV·A容量大小交纳电费，容量越大，基本电费越多，变压器的容量减小了，交纳的基本电费就减少了。另一部分称为电能电费，按每月实际耗用的电能kW·h来计算电费，并且要根据月平均功率因数的高低乘上一个调整系数。凡月平均功率因数高于规定值的，可减收一定百分率的电费；凡低于规定值的，则加收一定百分率的电费。

（2）提高功率因数的意义

1）减少线路的有功损耗。

式中，U_N为电网电压（V）；R为线路每相电阻（Ω）；P₃₀为线路输送的有功功率（有功计算功率）（kW）；cosϕ为线路负荷的功率因数。

从上式可知，线路的有功损耗与功率因数的平方成反比，功率因数提高后可大幅减少线路的有功损耗。如功率因数由0.6提高到0.85，线路损耗降50%以上。

2）可以提高设备的利用率，提高电网的输送能力。电气设备的视在功率用下式表示：

由上式可知，在保持S不变时，功率因数提高后，可多输送有功功率，或在P不变时，设备的安装容量可减少。这对新安装的设备，可减少初投资。

3）可使发电机按照额定容量输出。同步发电机在额定功率因数运行时，可以输出额定功率。如果低于额定功率因数运行，为了保证电枢电流和励磁电流不超过额定值，则发电机的视在容量和有功功率都要降低，使其运行于不经济状态。

4）可以改善电压质量。从式可知，提高功率因数，减少线路输送的无功负荷Q，ΔU将有所下降。目前电网电压不足的主要原因是无功电源小。因此，为了提高电压质量，降低线路电压损耗，从电网的安全经济运行出发，做好无功补偿工作，实行无功功率就地补偿，并适当安装有载调压变压器是解决电压质量的关键所在。

2. 提高功率因数的方法

提高功率因数的实质，就是解决无功电源问题。采用降低各用电设备所需的无功功率改善其功率因数的方法，称为提高自然功率因数法；采用供应无功功率的设备以补偿用电设备所需的无功功率，以提高其功率因数的方法，称为提高功率因数的补偿法。

（1）提高自然功率因数的方法

自然功率因数即是未经补偿的实际功率因数。在供电系统中，使功率因数变化的主要用电设备是异步电动机和变压器。它们是提高自然功率因数的主要对象。

异步电动机需要的无功功率大部分用来建立磁场，即励磁功率，它主要决定于外加电压，与负荷大小没关系。当电压升高时，励磁功率增加，功率因数下降。

异步电动机在空载时，由于转速接近同步转速，转差率S≈0，所以转子电流近似等于零，定子从电网吸收的电流基本上用于建立磁场，所以功率因数很低。随着负荷的增加，定子电流中的有功分量增加，定子的功率因数也增高，当为额定负载时，功率因数为额定值。因此，异步电动机提高自然功率因数主要方法是提高负荷系数。另外，应尽量缩短空载运行的时间，必要时装设空载限制器：即电动机空载时自动将其从电源上切除。

如条件允许，一些设备可采用直流电源，如起重机和电焊机等，可以减少无功功率的需求量。

对新安装的电动机，要正确计算所需要的功率和起动转矩。负荷系数要合适，合理的选择电动机的容量，容量选择过大，不但会因为负荷系数低而使功率因数恶化，增加线路有功损耗，而且还会造成浪费。

与异步电动机相似，变压器所需要无功功率大部分是励磁功率，它决定于变压器的铁心结构、铁心材料、加工工艺和外加电压，与负荷大小无关，一般用空载电流占额定电流的百分数表示。当变压器的平均负荷低于额定负荷的30%时，应考虑更换合适的变压器。

（2）提高功率因数的补偿法

采用补偿方法来提高功率因数，一般有两方法：一是采用同期调相机；二是装设电力电容器。

同期调相机就是空载运行的同步电动机，在过励磁情况下，输出感性的无功功率。与采用电力电容器补偿相比，有功功率的单相损耗较大，具有旋转部分，需专人监护，运行时有噪声。但在短路故障时较为稳定，损坏后可修复继续使用。由于其容量较大，一般用于电力系统较大的变电站中，工业企业较少采用。在工业企业中普遍采用的补偿方法是装设电力电容器，与同期调相机相比，移相电力电容器有下列优点：无旋转部件，不需专人维护管理；安装简单；可以自动投切，按需要增减其补偿量；有功功率损耗小。缺点：电力电容器的无功功率与其端电压的平方成正比，因此电压波动对其影响较大；寿命短，损坏后不易修复；对短路电流的稳定性差；切除后有残留电荷，危及人身安全。

尽管如此，电力电容器的优点是主要的，所以依旧被广泛用来提高功率因数。

3. 采用电力电容器的补偿方式

所谓补偿方式是指电力电容器安装在何处补偿效果好。为了使电网安全经济运行和保证用户的正常用电，首先要减少无功功率在电网中的流动。因此，无功补偿的基本原则就是就地补偿，尽量做到电网少送无功负荷。为此在用户处安装电力电容器，就地解决用户对无功功率的需要。企业的补偿方法可分为个别补偿、分组补偿和集中补偿3种。

1）个别补偿。个别补偿主要用于低压配电网，电力电容器直接接在用电设备附近，如图3-36所示。这样可以减少对企业供电线路和企业内部低压配电线路及配电变压器无功功率的供应，相应地减少了线路和变压器中的有功电能损耗。适当地配置低压电容器，可以减少车间线路的导线截面面积及变压器的容量，对已运行的线路和变压器，则可提高其输出容量，是最佳的补偿方法。其缺点是电容器的利用率低，投资大。另外，操作不当还可能产生自励现象而使电动机受到损坏。所以个别补偿只适用于运行时间长的大容量电动机，其所需要补偿的无功负荷很大，且由较长线路供电的情况。

2）分组补偿。将移相电容器接于车间的低压配电母线上，如图3-37所示。其特点是能补偿变电站低压母线前变压器的无功需要和所有有关高压系统的无功功率。因此补偿效果不如个别补偿好。但是这种补偿方式可以减小变压器的视在功率，可使主变压器的容量选得小一些。这种补偿方式在企业中使用得很普遍。

3）集中补偿。将高压电容器组集中装设在工厂变配电站的6～10kV母线上。这种补偿方式只能补偿6～10kV母线以前线路上的无功功率，而母线后的厂内线路的无功功率得不到补偿，所以这种补偿方式的经济效果较前两种补偿方式差。但这种补偿方式的初投资较少，便于集中运行维护，而且能对工厂高压侧的无功功率进行有效的无功补偿，以满足工厂总功率因数的要求，所以这种补偿方式在一些大中型工厂中应用得相当普遍。

图3-38是接在变配电站6～10kV母线上的集中补偿的并联电容器组接线图。这里的电容器组采用△联结，装在成套电容器柜内。为了防止电容器击穿时引起相间短路，所以三角形联结的各边，均接有高压熔断器保护。

由于电容器从电网上切除时有残余电压，残余电压最高可达电网电压的峰值，这对人是很危险的，因此必须装设放电装置，图3-38中的电压互感器TV一次线圈就是用来放电的。为了确保可靠放电，放电回路中不得装设熔断器或开关。室内高压电容器装置宜设置在单独的电容器室内，当电容器组的容量较小时，可设置在高压配电室内，但与高压配电装置的距离不得小于1.5m。