無功補(bǔ)償技術(shù)對(duì)低壓電網(wǎng)功率因數(shù)的影響

依據(jù)用電設(shè)備的功率因數(shù)，可測(cè)算輸電線路的電能損失。通過現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)改造，可使低于標(biāo)準(zhǔn)要求的功率因數(shù)達(dá)標(biāo)，實(shí)現(xiàn)節(jié)電目的。本文分析了無功補(bǔ)償的作用和補(bǔ)償容量的選擇方法，著重論述了低壓電網(wǎng)和異步電動(dòng)機(jī)無功補(bǔ)償容量的配置。結(jié)合應(yīng)用實(shí)例說明采用無功補(bǔ)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(xiàng)重要措施。

　　1、前言

　　無功補(bǔ)償，就其概念而言早為人所知，它就是借助于無功補(bǔ)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(bǔ)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(jí)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(bǔ)償設(shè)備的配置，應(yīng)按照“分級(jí)補(bǔ)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(bǔ)償與用戶補(bǔ)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(shí)現(xiàn)就地補(bǔ)償，就地平衡，所以必須由電力部門和用戶共同進(jìn)行補(bǔ)償。

　　(3)分散補(bǔ)償與集中補(bǔ)償相結(jié)合，以分散為主。

　　集中補(bǔ)償，是在變電所集中裝設(shè)較大容量的補(bǔ)償電容器。分散補(bǔ)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(jìn)行的無功補(bǔ)償。集中補(bǔ)償，主要是補(bǔ)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?yàn)橛脩粜枰臒o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(bǔ)償。所以，中、低壓配電網(wǎng)應(yīng)以分散補(bǔ)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?yàn)榻涣饔秒娫O(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(shí)，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(shí)，則其力率=1。因此提高功率因數(shù)問題的實(shí)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(dòng)機(jī)和電力變壓器是耗用無功功率的主要設(shè)備

　　異步電動(dòng)機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子間的氣隙是決定異步電動(dòng)機(jī)需要較多無功的主要因素。而異步電動(dòng)機(jī)所耗用的無功功率是由其空載時(shí)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(dòng)機(jī)的功率因數(shù)就要防止電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)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(yùn)行或長(zhǎng)其處于低負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)。

　　2.2、 供電電壓超出規(guī)定范圍也會(huì)對(duì)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(shí)，由于磁路飽和的影響，無功功率將增長(zhǎng)得很快，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，當(dāng)供電電壓為額定值的110%時(shí)，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(shí)，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(huì)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(dòng)也會(huì)對(duì)異步電機(jī)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(shí)用方法，使低壓網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)無功的就地平衡，達(dá)到降損節(jié)能的效果。

　　3、低壓配電網(wǎng)無功補(bǔ)償?shù)姆椒?/strong>

　　提高功率因數(shù)的主要方法是采用低壓無功補(bǔ)償技術(shù)，我們通常采用的方法主要有三種：隨機(jī)補(bǔ)償、隨器補(bǔ)償、跟蹤補(bǔ)償。

　　3.1、隨機(jī)補(bǔ)償

　　隨機(jī)補(bǔ)償就是將低壓電容器組與電動(dòng)機(jī)并接，通過控制、保護(hù)裝置與電機(jī)，同時(shí)投切。隨機(jī)補(bǔ)償適用于補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)的無功消耗，以補(bǔ)勵(lì)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(jī)補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是：用電設(shè)備運(yùn)行時(shí)，無功補(bǔ)償投入，用電設(shè)備停運(yùn)時(shí)，補(bǔ)償設(shè)備也退出，而且不需頻繁調(diào)整補(bǔ)償容量。具有投資少、占位小、安裝容易、配置方便靈活，維護(hù)簡(jiǎn)單、事故率低等。

　　3.2、隨器補(bǔ)償

　　隨器補(bǔ)償是指將低壓電容器通過低壓保險(xiǎn)接在配電變壓器二次側(cè)，以補(bǔ)償配電變壓器空載無功的補(bǔ)償方式。配變?cè)谳p載或空載時(shí)的無功負(fù)荷主要是變壓器的空載勵(lì)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(duì)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(fèi)單價(jià)的增加。

　　隨器補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)：接線簡(jiǎn)單、維護(hù)管理方便、能有效地補(bǔ)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(jì)性，是目前補(bǔ)償無功最有效的手段之一。

　　3.3、 跟蹤補(bǔ)償

　　跟蹤補(bǔ)償是指以無功補(bǔ)償投切裝置作為控制保護(hù)裝置，將低壓電容器組補(bǔ)償在大用戶0.4kv母線上的補(bǔ)償方式。適用于100kVA以上的專用配變用戶，可以替代隨機(jī)、隨器兩種補(bǔ)償方式，補(bǔ)償效果好。跟蹤補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是運(yùn)行方式靈活，運(yùn)行維護(hù)工作量小，比前兩種補(bǔ)償方式壽命相對(duì)延長(zhǎng)、運(yùn)行更可靠。但缺點(diǎn)是控制保護(hù)裝置復(fù)雜、首期投資相對(duì)較大。但當(dāng)這三種補(bǔ)償方式的經(jīng)濟(jì)性接近時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用跟蹤補(bǔ)償方式。

　　4、無功功率補(bǔ)償容量的選擇方法

　　無功補(bǔ)償容量以提高功率因數(shù)為主要目的時(shí)，補(bǔ)償容量的選擇分兩大類討論，即單負(fù)荷就地補(bǔ)償容量的選擇(主要指電動(dòng)機(jī))和多負(fù)荷補(bǔ)償容量的選擇(指集中和局部分組補(bǔ)償)。

　　4.1、單負(fù)荷就地補(bǔ)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(jì)算日文雜志中查到：1/4~1/2容量計(jì)算考慮負(fù)載率及極對(duì)數(shù)等因素，按式(5)選取的補(bǔ)償容量，在任何負(fù)載情況下都不會(huì)出現(xiàn)過補(bǔ)償，而且功率因數(shù)可以補(bǔ)償?shù)?.90以上。此法在節(jié)能技術(shù)上廣泛應(yīng)用，對(duì)一般情況都可行，特別適用于Io/Ie比值較高的電動(dòng)機(jī)和負(fù)載率較低的電動(dòng)機(jī)。但是對(duì)于Io/Ie較低的電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)下，其補(bǔ)償效果較差。

　　(3)、經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法：由于電機(jī)極數(shù)不同，按極數(shù)大小確定經(jīng)驗(yàn)系數(shù)選擇容量 比較接近實(shí)際需要的電容器，采用這種方法一般在70%負(fù)荷時(shí)，補(bǔ)后功率因數(shù)可在0.95~0.97 之間

　　經(jīng)驗(yàn)系數(shù)表

　　電機(jī)類型 一般電機(jī) 起重電機(jī) 冶金電機(jī)

　　極數(shù) 2 4 6 8 10 8 10

　　補(bǔ)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(jī)容量大時(shí)選下限，小時(shí)選上限；電壓高時(shí)選下限，小時(shí)選上限4、Qc=P[√1/COS2φ1-1-√1/COS2φ2-1]

　　實(shí)際測(cè)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(bǔ)償?shù)木偷匮a(bǔ)償容量的計(jì)算。

　　(4)、如果測(cè)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

　　若電動(dòng)機(jī)帶額定負(fù)載運(yùn)行，即負(fù)載率β=1,則：Qo根據(jù)電機(jī)學(xué)知識(shí)可知，對(duì)于Io/Ie較低的電動(dòng)機(jī)(少極、大功率電動(dòng)機(jī))，在較高的負(fù)載率β時(shí)吸收的無功功率Qβ與激勵(lì)容量Qo的比值較高，即兩者相差較大，在考慮導(dǎo)線較長(zhǎng)，無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量較高的大功率電動(dòng)機(jī)以較高的負(fù)載率運(yùn)行方式下，此式來選取是合理的。

　　(5)、按電動(dòng)機(jī)額定數(shù)據(jù)計(jì)算：

　　Q= k(1- cos2φe )3UeIe×10-3 (kvar)

　　K為與電動(dòng)機(jī)極數(shù)有關(guān)的一個(gè)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(bǔ)償容量的選擇

　　多負(fù)荷補(bǔ)償容量的選擇是根據(jù)補(bǔ)償前后的功率因數(shù)來確定。

　　(1)對(duì)已生產(chǎn)企業(yè)欲提高功率因數(shù)，其補(bǔ)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(shí)有功功率消耗量，由有功電能表讀得;Kj為補(bǔ)償容量計(jì)算系數(shù)，可取0.8～0.9;Tm為企業(yè)的月工作小時(shí)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(duì)處于設(shè)計(jì)階段的企業(yè)，無功補(bǔ)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(cè)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(bǔ)償電容器安裝簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠、利用率較高。但電氣設(shè)備不連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)或輕負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，會(huì)造成過補(bǔ)償，使運(yùn)行電壓抬高，電壓質(zhì)量變壞。因此這種方法選擇的容量，對(duì)于低壓來說最好采用電容器組自動(dòng)控制補(bǔ)償，即根據(jù)負(fù)荷大小自動(dòng)投入無功補(bǔ)償容量的多少，對(duì)高壓來說應(yīng)考慮采取防過補(bǔ)償措施。

　　5、無功補(bǔ)償?shù)男б?/strong>

　　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(huì)給用電企業(yè)帶來效益。

　　5.1、節(jié)省企業(yè)電費(fèi)開支。

　　提高功率因數(shù)對(duì)企業(yè)的直接經(jīng)濟(jì)效益是明顯的，因?yàn)閲译妰r(jià)制度中，從合理利用有限電能出發(fā)，對(duì)不同企業(yè)的功率因數(shù)規(guī)定了要求達(dá)到的不同數(shù)值，低于規(guī)定的數(shù)值，需要多收電費(fèi)，高于規(guī)定數(shù)值，可相應(yīng)地減少電費(fèi)?？梢?，提高功率因數(shù)對(duì)企業(yè)有著重要的經(jīng)濟(jì)意義。

　　5.2、提高設(shè)備的利用率。

　　對(duì)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(chǔ)備，從而滿足了負(fù)荷增長(zhǎng)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(yùn)行，從而發(fā)揮原有設(shè)備的潛力;對(duì)尚處于設(shè)計(jì)階段的新建企業(yè)來說則能降低設(shè)備容量，減少投資費(fèi)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(bǔ)償不但減少初次投資費(fèi)用，而且減少了運(yùn)行后的基本電費(fèi)。

　　5.3、降低系統(tǒng)的能耗。

　　補(bǔ)償前后線路傳送的有功功率不變，P= IUCOSφ，由于COSφ提高，補(bǔ)償后的電壓U2稍大于補(bǔ)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(shí)，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(gè)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(dòng)機(jī)的起動(dòng)。因此，無功補(bǔ)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(jì)的，對(duì)于無功補(bǔ)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(gè)輔助作用。

　　5.5、三相異步電動(dòng)機(jī)通過就地補(bǔ)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(jì)算公式如下：

　　△S=P/ COSφ1×[( COSφ 2/ COSφ1)-1]

　　如一臺(tái)額定功率為155KW水泵的電機(jī)，補(bǔ)前功率因數(shù)為0.857，補(bǔ)償后功率因數(shù)為0.967，根據(jù)上面公式計(jì)算其增容量為：(155÷0.857) ×[(0.967 ÷0.857)-1]=24KVA

　　6、應(yīng)用實(shí)例：

　　煙臺(tái)市能源監(jiān)測(cè)中心于2003年4月24、29、30日對(duì)煙臺(tái)氨綸股份有限公司B區(qū)制冷機(jī)、空壓機(jī)電機(jī)進(jìn)行了電機(jī)補(bǔ)償裝置的安裝調(diào)試，從安裝后測(cè)試結(jié)果看，平均降低電流22-51(A)，電機(jī)功率因數(shù)提高到0.98，(見測(cè)試結(jié)果對(duì)比表)，減少了公司內(nèi)部低壓電網(wǎng)的消耗，從而達(dá)到了節(jié)電的目的。

　　測(cè)試結(jié)果對(duì)比表

　　設(shè)備名稱 設(shè)備容量(kW) 補(bǔ)前功率因數(shù)COSφ1 補(bǔ)后功率因數(shù)COSφ2 電流下降△(A)

　　制冷壓縮機(jī)LM1-110M、B4 110 0.84 0.98 22

　　制冷壓縮機(jī)LM1-200M、B2 220 0.89 0.98 41

　　制冷壓縮機(jī)LM1-250MA1、C1 250 0.86 0.98 51

　　制冷壓縮機(jī)2DLGS-K2、D2 250 0.89 0.986 49

　　制冷壓縮機(jī)2DLGS-K2、D5 250 0.89 0.98 48

　　空氣壓縮機(jī)20S-200A、D1 150 0.87 0.98 38

　　空氣壓縮機(jī)20S-200A、D2 150 0.86 0.978 36

　　空氣壓縮機(jī)20S-200A、D3 150 0.87 0.982 40

　　空氣壓縮機(jī)60A-160、B1 160 0.88 0.98 46

　　空氣壓縮機(jī)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(jī)、空壓機(jī)電動(dòng)機(jī)補(bǔ)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(jì)算公式，安裝電動(dòng)機(jī)補(bǔ)償裝置后，年可節(jié)電量=補(bǔ)償容量×無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量×年運(yùn)行時(shí)間=780×0.04×24×300=224640kWh，節(jié)約價(jià)值11.2萬元，補(bǔ)償投資費(fèi)用(包括設(shè)備的購置、安裝及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試)為：6.24萬元。(80元/千乏)

　　7、結(jié)論

　　文中集中探討了無功補(bǔ)償技術(shù)對(duì)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(jì)效益和社會(huì)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(bǔ)償容量，確保補(bǔ)償技術(shù)經(jīng)濟(jì)、合理、安全可靠，達(dá)到節(jié)約電能的目的。