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無功補償技術(shù)對低壓電網(wǎng)功率因數(shù)的影響
無功補償技術(shù)對低壓電網(wǎng)功率因數(shù)的影響The technique of reactive compensation’s influence to low voltage network
賈沛建、唐軍
摘要:依據(jù)用電設(shè)備的功率因數(shù)，可測算輸電線路的電能損失。通過現(xiàn)場技術(shù)改造，可使低于標(biāo)準(zhǔn)要求的功率因數(shù)達標(biāo)，實現(xiàn)節(jié)電目的。本文分析了無功補償?shù)淖饔煤脱a償容量的選擇方法，著重論述了低壓電網(wǎng)和異步電動機無功補償容量的配置。結(jié)合應(yīng)用實例說明采用無功補償技術(shù)，提高低壓電網(wǎng)和用電設(shè)備的功率因數(shù)，已成為節(jié)電工作的一項重要措施。
關(guān)鍵詞: 節(jié)電技術(shù) 功率因數(shù) 無功補償
Abstract: The power factor of equipment can be used to measure the loss of energy in transmission lines. By refining the technique, we can let the power factor which is below the standard get standardized to save electricity. This article analyses the function of reactive compensation and the ways to choose capacity of compensation. It emphasizes in discussing the configuration of low voltage network and asynchronous motor’s capacity in reactive compensation. By combining with actual examples, this article also explains that using the technique of reactive compensation to improve the power factor of low voltage network and equipment has become an important measure to save electricity.
Key words: Technique of electricity saving ,Power factor, Reactive compensation
1、前言
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。
無功補償?shù)暮侠砼渲迷瓌t
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。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。
(1)總體平衡與局部平衡相結(jié)合，以局部為主。
(2)電力部門補償與用戶補償相結(jié)合。
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。因此，為了減少無功功率在網(wǎng)絡(luò)中的輸送，要盡可能地實現(xiàn)就地補償，就地平衡，所以必須由電力部門和用戶共同進行補償。
(3)分散補償與集中補償相結(jié)合，以分散為主。
集中補償，是在變電所集中裝設(shè)較大容量的補償電容器。分散補償，指在配電網(wǎng)絡(luò)中分散的負(fù)荷區(qū)，如配電線路，配電變壓器和用戶的用電設(shè)備等進行的無功補償。集中補償，主要是補償主變壓器本身的無功損耗，以及減少變電所以上輸電線路的無功電力，從而降低供電網(wǎng)絡(luò)的無功損耗。但不能降低配電網(wǎng)絡(luò)的無功損耗。因為用戶需要的無功通過變電所以下的配電線路向負(fù)荷端輸送。所以為了有效地降低線損，必須做到無功功率在哪里發(fā)生，就應(yīng)在哪里補償。所以，中、低壓配電網(wǎng)應(yīng)以分散補償為主。
(4)降損與調(diào)壓相結(jié)合，以降損為主。
2、影響功率因數(shù)的主要因素
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。當(dāng)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(dāng)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。
2.1、異步電動機和電力變壓器是耗用無功功率的主要設(shè)備
異步電動機的定子與轉(zhuǎn)子間的氣隙是決定異步電動機需要較多無功的主要因素。而異步電動機所耗用的無功功率是由其空載時的無功功率和一定負(fù)載下無功功率增加值兩部分所組成。所以要改善異步電動機的功率因數(shù)就要防止電動機的空載運行并盡可能提高負(fù)載率。變壓器消耗無功的主要成份是它的空載無功功率，它和負(fù)載率的大小無關(guān)。因而，為了改善電力系統(tǒng)和企業(yè)的功率因數(shù)，變壓器不應(yīng)空載運行或長其處于低負(fù)載運行狀態(tài)。
2.2、 供電電壓超出規(guī)定范圍也會對功率因數(shù)造成很大的影響
當(dāng)供電電壓高于額定值的10%時，由于磁路飽和的影響，無功功率將增長得很快，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，當(dāng)供電電壓為額定值的110%時，一般工廠的無功將增加35%左右。當(dāng)供電電壓低于額定值時，無功功率也相應(yīng)減少而使它們的功率因數(shù)有所提高。但供電電壓降低會影響電氣設(shè)備的正常工作。所以，應(yīng)當(dāng)采取措施使電力系統(tǒng)的供電電壓盡可能保持穩(wěn)定。
2.3、電網(wǎng)頻率的波動也會對異步電機和變壓器的磁化無功功率造成一定的影響
2.4、以上論述了影響電力系統(tǒng)功率因數(shù)的一些主要因素，因此必須要尋求一些行之有效的、能夠使低壓電力網(wǎng)功率因數(shù)提高的一些實用方法，使低壓網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)無功的就地平衡，達到降損節(jié)能的效果。
3、 低壓配電網(wǎng)無功補償?shù)姆椒?br />提高功率因數(shù)的主要方法是采用低壓無功補償技術(shù)，我們通常采用的方法主要有三種：隨機補償、隨器補償、跟蹤補償。
3.1、隨機補償
隨機補償就是將低壓電容器組與電動機并接，通過控制、保護裝置與電機，同時投切。隨機補償適用于補償電動機的無功消耗，以補勵磁無功為主，此種方式可較好地限制用電單位無功負(fù)荷。
隨機補償?shù)膬?yōu)點是：用電設(shè)備運行時，無功補償投入，用電設(shè)備停運時，補償設(shè)備也退出，而且不需頻繁調(diào)整補償容量。具有投資少、占位小、安裝容易、配置方便靈活，維護簡單、事故率低等。
3.2、隨器補償
隨器補償是指將低壓電容器通過低壓保險接在配電變壓器二次側(cè)，以補償配電變壓器空載無功的補償方式。配變在輕載或空載時的無功負(fù)荷主要是變壓器的空載勵磁無功，配變空載無功是用電單位無功負(fù)荷的主要部分，對于輕負(fù)載的配變而言，這部分損耗占供電量的比例很大，從而導(dǎo)致電費單價的增加。
隨器補償?shù)膬?yōu)點：接線簡單、維護管理方便、能有效地補償配變空載無功，限制農(nóng)網(wǎng)無功基荷，使該部分無功就地平衡，從而提高配變利用率，降低無功網(wǎng)損，具有較高的經(jīng)濟性，是目前補償無功最有效的手段之一。
3.3、 跟蹤補償
跟蹤補償是指以無功補償投切裝置作為控制保護裝置，將低壓電容器組補償在大用戶0.4k
v母線上的補償方式。適用于100kVA以上的專用配變用戶，可以替代隨機、隨器兩種補償方式，補償效果好。
跟蹤補償?shù)膬?yōu)點是運行方式靈活，運行維護工作量小，比前兩種補償方式壽命相對延長、運行更可靠。但缺點是控制保護裝置復(fù)雜、首期投資相對較大。但當(dāng)這三種補償方式的經(jīng)濟性接近時，應(yīng)優(yōu)先選用跟蹤補償方式。
4、無功功率補償容量的選擇方法
無功補償容量以提高功率因數(shù)為主要目的時，補償容量的選擇分兩大類討論，即單負(fù)荷就地補償容量的選擇（主要指電動機）和多負(fù)荷補償容量的選擇（指集中和局部分組補償）。
4.1、單負(fù)荷就地補償容量的選擇的幾種方法
（1）、美國資料推薦：Qc=(1/3)Pe [額定容量的1/3]
（2）、日本方法：從電氣計算日文雜志中查到：1/4~1/2容量計算
考慮負(fù)載率及極對數(shù)等因素，按式（5）選取的補償容量，在任何負(fù)載情況下都不會出現(xiàn)過補償，而且功率因數(shù)可以補償?shù)?.90以上。此法在節(jié)能技術(shù)上廣泛應(yīng)用，對一般情況都可行，特別適用于Io/Ie比值較高的電動機和負(fù)載率較低的電動機。但是對于Io/Ie較低的電動機額定負(fù)載運行狀態(tài)下，其補償效果較差。
（3）、經(jīng)驗系數(shù)法：由于電機極數(shù)不同，按極數(shù)大小確定經(jīng)驗系數(shù)選擇容量 比較接近實際需要的電容器，采用這種方法一般在70%負(fù)荷時，補后功率因數(shù)可在0.95~0.97 之間
經(jīng)驗系數(shù)表
電機類型 一般電機 起重電機 冶金電機
極數(shù) 2 4 6 8 10 8 10
補償容量（kvar/kw） 0.2 0.2~0.25 0.25~0.3 0.35~0.4 0.5 0.6 0.75
電機容量大時選下限，小時選上限 ；電壓高時選下限，小時選上限4、Qc=P[√1/COS2φ1-1-√1/COS2φ2-1]
實際測試比較準(zhǔn)確方法此法適用于任何一般感性負(fù)荷需要精確補償?shù)木偷匮a償容量的計算。
（4）、如果測試比較麻煩，可以按下式
Qc≤ √3UeIo×10-3 (kvar)
Io-空載電流=2Ie(1-COSφe ) 瑞典電氣公司推薦公式
Qo
（5）、按電動機額定數(shù)據(jù)計算：
Q= k(1- cos2φe )3UeIe×10-3 (kvar)
K為與電動機極數(shù)有關(guān)的一個系數(shù)
極數(shù)： 2 4 6 8 10
K值： 0.7 0.8 0.85 0.9
4.2、多負(fù)荷補償容量的選擇
多負(fù)荷補償容量的選擇是根據(jù)補償前后的功率因數(shù)來確定。
�。�1）對已生產(chǎn)企業(yè)欲提高功率因數(shù)，其補償容量Qc按下式選擇：
Qe=KmKj(tgφ1-tgφ2)/Tm
式中：Km為最大負(fù)荷月時有功功率消耗量，由有功電能表讀得；Kj為補償容量計算系數(shù)，可取0.8～0.9;Tm為企業(yè)的月工作小時數(shù)；tgφ1、tgφ2意義同前，tgφ1由有功和無功電能表讀數(shù)求得。
�。�2）對處于設(shè)計階段的企業(yè)，無功補償容量Qc按下式選擇：
Qc=KnPn(tgφ1-tgφ2)
式中Kn為年平均有功負(fù)荷系數(shù)，一般取0.7～0.75;Pn為企業(yè)有功功率之和；tgφ1、tgφ2意義同前。tgφ1可根據(jù)企業(yè)負(fù)荷性質(zhì)查手冊近似取值，也可用加權(quán)平均功率因數(shù)求得cosφ1。
多負(fù)荷的集中補償電容器安裝簡單，運行可靠、利用率較高。但電氣設(shè)備不連續(xù)運轉(zhuǎn)或輕負(fù)荷運行時，會造成過補償，使運行電壓抬高，電壓質(zhì)量變壞。因此這種方法選擇的容量，對于低壓來說最好采用電容器組自動控制補償，即根據(jù)負(fù)荷大小自動投入無功補償容量的多少，對高壓來說應(yīng)考慮采取防過補償措施。
5、無功補償?shù)男б?br />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。如自然平均功率因數(shù)在0.70～0.85之間。企業(yè)消耗電網(wǎng)的無功功率約占消耗有功功率的60%～90%,如果把功率因數(shù)提高到0.95左右，則無功消耗只占有功消耗的30%左右。由于減少了電網(wǎng)無功功率的輸入，會給用電企業(yè)帶來效益。
5.1、節(jié)省企業(yè)電費開支。提高功率因數(shù)對企業(yè)的直接經(jīng)濟效益是明顯的，因為國家電價制度中，從合理利用有限電能出發(fā)，對不同企業(yè)的功率因數(shù)規(guī)定了要求達到的不同數(shù)值，低于規(guī)定的數(shù)值，需要多收電費，高于規(guī)定數(shù)值，可相應(yīng)地減少電費�？梢姡岣吖β室驍�(shù)對企業(yè)有著重要的經(jīng)濟意義。
5.2、提高設(shè)備的利用率。對于原有供電設(shè)備來講，在同樣有功功率下，因功率因數(shù)的提高，負(fù)荷電流減少，因此向負(fù)荷傳送功率所經(jīng)過的變壓器、開關(guān)和導(dǎo)線等供配電設(shè)備都增加了功率儲備，從而滿足了負(fù)荷增長的需要；如果原網(wǎng)絡(luò)已趨于過載，由于功率因數(shù)的提高，輸送無功電流的減少，使系統(tǒng)不致于過載運行，從而發(fā)揮原有設(shè)備的潛力；對尚處于設(shè)計階段的新建企業(yè)來說則能降低設(shè)備容量，減少投資費用，在一定條件下，改善后的功率因數(shù)可以使所選變壓器容量降低。因此，使用無功補償不但減少初次投資費用，而且減少了運行后的基本電費。
5.3、降低系統(tǒng)的能耗
補償前后線路傳送的有功功率不變，P= IUCOSφ，由于COSφ提高，補償后的電壓U2稍大于補償前電壓U1,為分析問題方便，可認(rèn)為U2≈U1從而導(dǎo)出I1COSφ1=I2COSφ2。即I1/I2= COSφ2/ COSφ1,這樣線損 P減少的百分?jǐn)?shù)為：
ΔP%= (1-I22/I12)×100%=（1- COS2φ1/ COS2φ2） × 100%
當(dāng)功率因數(shù)從0.70～0.85提高到0.95時，由(2)式可求得有功損耗將降低20%～45%。
5.4、改善電壓質(zhì)量。以線路末端只有一個集中負(fù)荷為例，假設(shè)線路電阻和電抗為R、X,有功和無功為P、Q,則電壓損失ΔU為：
△U=（PR+QX）/Ue×10-3(KV) 兩部分損失：PR/ Ue→輸送有功負(fù)荷P產(chǎn)生的；QX/Ue→輸送無功負(fù)荷Q產(chǎn)生的；
配電線路：X=（2~4）R，△U大部分為輸送無功負(fù)荷Q產(chǎn)生的
變壓器：X=（5~10）R QX/Ue=(5~10) PR/ Ue 變壓器△U幾乎全為輸送無功負(fù)荷Q產(chǎn)生的
可以看出，若減少無功功率Q,則有利于線路末端電壓的穩(wěn)定，有利于大電動機的起動。因此，無功補償能改善電壓質(zhì)量（一般電壓穩(wěn)定不宜超過3%）。但是如果只追求改善電壓質(zhì)量來裝設(shè)電容器是很不經(jīng)濟的，對于無功補償應(yīng)用的主要目的是改善功率因數(shù)，減少線損，調(diào)壓只是一個輔助作用。
5.5、三相異步電動機通過就地補償后，由于電流的下降，功率因數(shù)的提高，從而增加了變壓器的容量，計算公式如下：
△S
=P/ COSφ1×[（ COSφ 2/ COSφ1）-1]
如一臺額定功率為155KW水泵的電機，補前功率因數(shù)為0.857，補償后功率因數(shù)為0.967，根據(jù)上面公式計算其增容量為：
（155÷0.857） ×[（0.967 ÷0.857）-1]=24KVA
6、應(yīng)用實例：
煙臺市能源監(jiān)測中心于2003年4月24、29、30日對煙臺氨綸股份有限公司B區(qū)制冷機、空壓機電機進行了電機補償裝置的安裝調(diào)試，從安裝后測試結(jié)果看，平均降低電流22-51（A），電機功率因數(shù)提高到0.98，（見測試結(jié)果對比表），減少了公司內(nèi)部低壓電網(wǎng)的消耗，從而達到了節(jié)電的目的。
測試結(jié)果對比表
設(shè)備名稱 設(shè)備容量（kW） 補前功率因數(shù)COSφ1 補后功率因數(shù)COSφ2 電流下降△（A）
制冷壓縮機LM1-110M、B4 110 0.84 0.98 22
制冷壓縮機LM1-200M、B2 220 0.89 0.98 41
制冷壓縮機LM1-250MA1、C1 250 0.86 0.98 51
制冷壓縮機2DLGS-K2、D2 250 0.89 0.986 49
制冷壓縮機2DLGS-K2、D5 250 0.89 0.98 48
空氣壓縮機20S-200A、D1 150 0.87 0.98 38
空氣壓縮機20S-200A、D2 150 0.86 0.978 36
空氣壓縮機20S-200A、D3 150 0.87 0.982 40
空氣壓縮機60A-160、B1 160 0.88 0.98 46
空氣壓縮機60A-160、B2 160 0.89 0.973 48
1、由于電流減少，變壓器的銅損及公司內(nèi)部的低壓損耗都降低。
配電系統(tǒng)電流下降率△Ｉ％＝（1－0.87/0.98）×100％＝11％；
配電系統(tǒng)損耗下降率 △Ｐ％＝(1-0.872/0.982)×100％＝21％
2.該公司B區(qū)制冷機、空壓機電動機補償?shù)目側(cè)萘繛?80千乏，電流平均總下降518（A）,依據(jù)GB/T12497-1997中計算公式，安裝電動機補償裝置后，年可節(jié)電量＝補償容量×無功經(jīng)濟當(dāng)量×年運行時間＝780×0.04×24×300＝224640kWh，節(jié)約價值11.2萬元，補償投資費用(包括設(shè)備的購置、安裝及現(xiàn)場調(diào)試)為：6.24萬元。(80元/千乏)
七、 結(jié)論
文中集中探討了無功補償技術(shù)對用電單位的低壓配電網(wǎng)的影響以及提高功率因數(shù)所帶來的經(jīng)濟效益和社會效益，介紹了影響功率因數(shù)的主要因素和提高功率因數(shù)的方法，討論了如何確定無功功率的補償容量，確保補償技術(shù)經(jīng)濟、合理、安全可靠，達到節(jié)約電能的目的。
作者簡介：
唐軍（1966-）山東大學(xué)熱能工程專業(yè) 工程師 煙臺市能源監(jiān)測中心監(jiān)測室主任
賈沛建（1964-）上海交通大學(xué)金屬材料工程專業(yè) 高級工程師 煙臺市能源監(jiān)測中心總工室主任
煙臺市能源監(jiān)測中心 山東省煙臺市北馬路242號
郵編：264001 電話：0535-6614178 6617082 E-mail:yt-infor@263.net
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