牛国轩
中国石油天然气股份有限公司长庆石化分公司
摘要：在配电网中，电容器组的使用可有效补偿无功功率的损耗，提高供电设备的带载能力，以保证电力系统能够安全高效运行、并优化配网中各类电力参数。但是，电容器在使用过程中由于投切滞后或者电网参数波动，可能出现过度补偿问题，继而导致功率因数下降，负载的电压下降、路线的耗能增加、使用的电费增加等问题，无论是对电网单位还是用电用户都是很大的损失。本文通过理论推导和案例分析，研究了电容器过补偿出现的原因和后果，给出了问题的相应对策，以减少造成的损失。
关键词：配电网；电容；过补偿
在电力系统中，变压器和异步电动机等设备内部都存在电磁线圈，当这些设施在运行时会产生磁场，进而损耗很大无功功率。如果这些无功功率消耗后没有及时的进行补偿，就会对电网的正常运行安全造成影响。另一方面，一味地追求功率因数的提高，长时间将功率因数控制在0.97-0.99的协议容量不大、电容非自动投切的电力用户，可能会出现无功功率过度补偿的风险。
1电容器过补偿的介绍
要对电容器过补偿进行研究，就必要先明白电容器补偿的含义，使用电路等效图进行研究比较容易看懂，如图1所示。
正常情况下，感性负载Z两侧电压U2，电流I2，电压超前电流，超前角度为φ，此时并联一定容量的电容器组C，Ic超前两侧电压U2，超前角为90°，根据基尔霍夫电流定律，存在I1= I2+Ic（相量和），故合理的配置电容C的补偿量可有效降低回路电流值。
但如果电容器C的补偿量过大，将会使得整个回路从感性变为容性，电流超前电压，这就出现了电容器过补偿现象。
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图1用电线路等效电路
2电容器过补偿的危害
2.1降低负载电压
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图2象限图
通过图2的 “U-I”象限示意图可以了解到，在投入系统的电容器容量不当（过大）后，电力系统就会处于过补偿状态，线路电流将超前电压，整个电路呈容性，这时候的线路电流I1’和正常运行时的电流I1相比其数值有明显的上升，从而造成线路的阻性负载压降增加。要是保持不变，负载端的电压U2就会有很明显的减小，这时候就会对用电设施造成影响；要是保持I2不变，就需要增加首端的电压，这时候就要改变发电机的励磁电流，增加无功功率的大小，但是这样会造成发电机的效率降低，增加发电成本。
2.2增加线路损耗
以传输一样的有功功率作为基础，研究电容器使用前后各个特征量运行所在的区间和相位的变化，以及线路耗能之间的联系，以功率因数为0.9考虑，功率因数角φ=arccos0.9=25.84°，把电容器使用前后的功率因数的变化区间分类为三种形态进行研究。
1）系统运行在25.84°≤φ≤90°时，电力系统没有使用电容器，其线路呈强感性，电流属于Ⅰ象限，功率因数小于0.9，这时候的线路电流很大，其消耗也相应的增加[2]。
2）系统运行在0°≤φ≤25.84°时，电力系统增加了电容器，线路呈弱感性，线路的电流依然在Ⅰ象限，功率因数在0.9-1.0之间浮动。使用补偿电容后，Ic和I2组合成I1小于I2，线路电流降低，线路阻性负载能耗降低，这样发电机的工作效率就会提高，同时电力系统运营成本降低。
3）系统运行在-90°≤φ≤0°时，由于大量使用补偿电容，系统呈强容性，线路电流存在Ⅳ象限，功率因数明显下降。结合图2电流幅值及方向变化可以看到，线路的电流提高，造成线路电阻R的耗能增加，线损率提高，使发电机的效率下降。
2.3诱发设备损坏
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图3变压器等效图
在带载运行的状态下，变压器在实际的负荷中会呈现出感性状态。由变压器简化等效电路图3可知，是超前于的，同时变压器阻抗分量中的电抗分量远超阻性分量，如果设超前的角度为φ，依据实际的变化过程可以制作成为以下的变压器简化等效电路的相量示意图（下图4）。
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图4变压器等效电路相量示意图
由图4可以分析出，当供电稳定的情况下，电容补偿量的升高会导致实际电压的二次升高。同时在线路交流电压的影响下，在电力电容器的各种部件中会出现一定的泄漏以及损耗情况。这样对于实际电容器的质量和寿命上就会存在一定的损耗。
在电容器过补偿的情况下，电容器内会产生过电压，过电压水平虽然远低于铁磁谐振的过电压幅值，但依旧可以使得电容器的损耗加大。如果持续保持这种高耗能的状态就极易导致电容器温升超限，进一步导致电容器的寿面减损，对于设备的安全性上有着极大的威胁。
2.4增加用户电费支出
企业应缴纳的电费中主要包含：基本电费、电量电费以及力调电费三个部分；电量电费的数值为有功电度乘以实际的单价；力调电费则为基本电费与定量之和乘以相应的奖惩比例得出相应的电费缴纳值。
依据国家的相关规定，在安装有无功补偿设备以及存在反送无功电量的相关用户，在实际计算电量的过程中，对于无功功率的正向（或反向）流动计算工作需要依照实际倒送的无功电量与实用无功电量的数值之和来计算无功消耗量。从实际的情况来看，无功功率数值的过度上升会导致功率因数下降，从而影响实际的企业缴纳的电费数目[3]。
2.5发生谐振过电压
当电网处于过补偿的运行状态时，整个网络呈现容性，由于电网中有较多的铁磁线圈结构设备，设备中的铁芯线圈便和容性系统形成容易出现谐振的电力电路。当出现谐振条件时，系统将发生谐振。这个时候，电力设备将出现谐振过电压，严重威胁设备、缆线的正常运行。
3防范措施
经过以上分析，可以得出以下结论：在电容器出现过补偿行为时，系统功率因数下降，线路损耗增加，电气设备运行工况劣化，企业电费缴纳额度增加，出现谐振危险，针对以上问题，提出以下防范措施。
3.1合理设计电容量
在项目前期的规划中，需要做好相应的补偿电容器的容量设计；更为科学合理的设计是保障电容正常工作的前提条件。同时也可以将系统功率因数控制在实际水平之下，从而为电容器无功补偿留出相应的空间；最后可以增加自然功率因数高的设备使用，从而减少感性无功功率消耗。
3.2配置自动投切装置
在实际的运行中会出现相应的问题，而实际的监管可能无法做到时刻的监督工作，所以在实际的电容器中就可以配置自动投切装置监测系统。对实际电路中的负荷情况进行实际的监控，从而在发生负载过大的情况下采取最佳方式自动投入或切除工作。保障电容器的投运处于合理范围。
3.3加强管理
在实际的人员管理上，就需要最大程度的加强对于人员的专业培训工作；提升其无功管理、电压调节以及处理实际问题的专业能力。促使科学严格的无功管理制度可以有效的落实；进一步提升无功管理水平，提高相应的功率因数，进而为企业的财政减一定的压力。
结束语
电容器的合理投用，表现在实际中就是维持功率因数合理稳定，同时其对于电气设备的正常运行来说也具有相当重要的作用。本文分析了过补偿的危害，同时给出了电容器实际运行中的过补防范措施。为电力企业通过合理使用电容器以维持功率因数、保证供电电压稳定提供了一些方法。
参考文献
[1]冯亚楠.工厂配电系统中电容器过补偿问题解析[J].电力系统装备,2019,(15):35-36.
[2]琚泽立,朱跃,高子豪, 等.带有串联电容补偿装置的10 kV配电网线路短路故障暂态过程研究[J].电力电容器与无功补偿,2020,41(2):1-7.
[3]崔亚才.电容器无功功率过补偿对电网及用户的影响[J].建筑工程技术与设计,2018,(6):729.