無(wú)功補償技術(shù)對低壓電網(wǎng)功率因數的影響

依據用電設備的功率因數，可測算輸電線(xiàn)路的電能損失。通過(guò)現場(chǎng)技術(shù)改造，可使低于標準要求的功率因數達標，實(shí)現節電目的。本文分析了無(wú)功補償的作用和補償容量的選擇方法，著(zhù)重論述了低壓電網(wǎng)和異步電動(dòng)機無(wú)功補償容量的配置。結合應用實(shí)例說(shuō)明采用無(wú)功補償技術(shù)，提高低壓電網(wǎng)和用電設備的功率因數，已成為節電工作的一項重要措施。

　　1、前言

　　無(wú)功補償，就其概念而言早為人所知，它就是借助于無(wú)功補償設備提供必要的無(wú)功功率，以提高系統的功率因數，降低能耗，改善電網(wǎng)電壓質(zhì)量。

　　無(wú)功補償的合理配置原則

　　從電力網(wǎng)無(wú)功功率消耗的基本狀況可以看出，各級網(wǎng)絡(luò )和輸配電設備都要消耗一定數量的無(wú)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(wú)功功率的傳輸損耗，提高輸配電設備的效率，無(wú)功補償設備的配置，應按照“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合，以局部為主。

　　(2)電力部門(mén)補償與用戶(hù)補償相結合。

　　在配電網(wǎng)絡(luò )中，用戶(hù)消耗的無(wú)功功率約占50%～60%，其余的無(wú)功功率消耗在配電網(wǎng)中。因此，為了減少無(wú)功功率在網(wǎng)絡(luò )中的輸送，要盡可能地實(shí)現就地補償，就地平衡，所以必須由電力部門(mén)和用戶(hù)共同進(jìn)行補償。

　　(3)分散補償與集中補償相結合，以分散為主。

　　集中補償，是在變電所集中裝設較大容量的補償電容器。分散補償，指在配電網(wǎng)絡(luò )中分散的負荷區，如配電線(xiàn)路，配電變壓器和用戶(hù)的用電設備等進(jìn)行的無(wú)功補償。集中補償，主要是補償主變壓器本身的無(wú)功損耗，以及減少變電所以上輸電線(xiàn)路的無(wú)功電力，從而降低供電網(wǎng)絡(luò )的無(wú)功損耗。但不能降低配電網(wǎng)絡(luò )的無(wú)功損耗。因為用戶(hù)需要的無(wú)功通過(guò)變電所以下的配電線(xiàn)路向負荷端輸送。所以為了有效地降低線(xiàn)損，必須做到無(wú)功功率在哪里發(fā)生，就應在哪里補償。所以，中、低壓配電網(wǎng)應以分散補償為主。

　　(4)降損與調壓相結合，以降損為主。

　　2、影響功率因數的主要因素

　　功率因數的產(chǎn)生主要是因為交流用電設備在其工作過(guò)程中，除消耗有功功率外，還需要無(wú)功功率。當有功功率P一定時(shí)，如減少無(wú)功功率Q，則功率因數便能夠提高。在極端情況下，當Q=0時(shí)，則其力率=1。因此提高功率因數問(wèn)題的實(shí)質(zhì)就是減少用電設備的無(wú)功功率需要量。

　　2.1、異步電動(dòng)機和電力變壓器是耗用無(wú)功功率的主要設備

　　異步電動(dòng)機的定子與轉子間的氣隙是決定異步電動(dòng)機需要較多無(wú)功的主要因素。而異步電動(dòng)機所耗用的無(wú)功功率是由其空載時(shí)的無(wú)功功率和一定負載下無(wú)功功率增加值兩部分所組成。所以要改善異步電動(dòng)機的功率因數就要防止電動(dòng)機的空載運行并盡可能提高負載率。變壓器消耗無(wú)功的主要成份是它的空載無(wú)功功率，它和負載率的大小無(wú)關(guān)。因而，為了改善電力系統和企業(yè)的功率因數，變壓器不應空載運行或長(cháng)其處于低負載運行狀態(tài)。

　　2.2、 供電電壓超出規定范圍也會(huì )對功率因數造成很大的影響

　　當供電電壓高于額定值的10%時(shí)，由于磁路飽和的影響，無(wú)功功率將增長(cháng)得很快，據有關(guān)資料統計，當供電電壓為額定值的110%時(shí)，一般工廠(chǎng)的無(wú)功將增加35%左右。當供電電壓低于額定值時(shí)，無(wú)功功率也相應減少而使它們的功率因數有所提高。但供電電壓降低會(huì )影響電氣設備的正常工作。所以，應當采取措施使電力系統的供電電壓盡可能保持穩定。

　　2.3、電網(wǎng)頻率的波動(dòng)也會(huì )對異步電機和變壓器的磁化無(wú)功功率造成一定的影響

　　2.4、以上論述了影響電力系統功率因數的一些主要因素，因此必須要尋求一些行之有效的、能夠使低壓電力網(wǎng)功率因數提高的一些實(shí)用方法，使低壓網(wǎng)能夠實(shí)現無(wú)功的就地平衡，達到降損節能的效果。

　　3、低壓配電網(wǎng)無(wú)功補償的方法

　　提高功率因數的主要方法是采用低壓無(wú)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(dòng)機并接，通過(guò)控制、保護裝置與電機，同時(shí)投切。隨機補償適用于補償電動(dòng)機的無(wú)功消耗，以補勵磁無(wú)功為主，此種方式可較好地限制用電單位無(wú)功負荷。隨機補償的優(yōu)點(diǎn)是：用電設備運行時(shí)，無(wú)功補償投入，用電設備停運時(shí)，補償設備也退出，而且不需頻繁調整補償容量。具有投資少、占位小、安裝容易、配置方便靈活，維護簡(jiǎn)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(guò)低壓保險接在配電變壓器二次側，以補償配電變壓器空載無(wú)功的補償方式。配變在輕載或空載時(shí)的無(wú)功負荷主要是變壓器的空載勵磁無(wú)功，配變空載無(wú)功是用電單位無(wú)功負荷的主要部分，對于輕負載的配變而言，這部分損耗占供電量的比例很大，從而導致電費單價(jià)的增加。

　　隨器補償的優(yōu)點(diǎn)：接線(xiàn)簡(jiǎn)單、維護管理方便、能有效地補償配變空載無(wú)功，限制農網(wǎng)無(wú)功基荷，使該部分無(wú)功就地平衡，從而提高配變利用率，降低無(wú)功網(wǎng)損，具有較高的經(jīng)濟性，是目前補償無(wú)功最有效的手段之一。

　　3.3、 跟蹤補償

　　跟蹤補償是指以無(wú)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(hù)0.4kv母線(xiàn)上的補償方式。適用于100kVA以上的專(zhuān)用配變用戶(hù)，可以替代隨機、隨器兩種補償方式，補償效果好。跟蹤補償的優(yōu)點(diǎn)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(cháng)、運行更可靠。但缺點(diǎn)是控制保護裝置復雜、首期投資相對較大。但當這三種補償方式的經(jīng)濟性接近時(shí)，應優(yōu)先選用跟蹤補償方式。

　　4、無(wú)功功率補償容量的選擇方法

　　無(wú)功補償容量以提高功率因數為主要目的時(shí)，補償容量的選擇分兩大類(lèi)討論，即單負荷就地補償容量的選擇(主要指電動(dòng)機)和多負荷補償容量的選擇(指集中和局部分組補償)。

　　4.1、單負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容量計算考慮負載率及極對數等因素，按式(5)選取的補償容量，在任何負載情況下都不會(huì )出現過(guò)補償，而且功率因數可以補償到0.90以上。此法在節能技術(shù)上廣泛應用，對一般情況都可行，特別適用于Io/Ie比值較高的電動(dòng)機和負載率較低的電動(dòng)機。但是對于Io/Ie較低的電動(dòng)機額定負載運行狀態(tài)下，其補償效果較差。

　　(3)、經(jīng)驗系數法：由于電機極數不同，按極數大小確定經(jīng)驗系數選擇容量 比較接近實(shí)際需要的電容器，采用這種方法一般在70%負荷時(shí)，補后功率因數可在0.95~0.97 之間

　　經(jīng)驗系數表

　　電機類(lèi)型 一般電機 起重電機 冶金電機

　　極數 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(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)際測試比較準確方法此法適用于任何一般感性負荷需要精確補償的就地補償容量的計算。

　　(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

　　若電動(dòng)機帶額定負載運行，即負載率β=1,則：Qo根據電機學(xué)知識可知，對于Io/Ie較低的電動(dòng)機(少極、大功率電動(dòng)機)，在較高的負載率β時(shí)吸收的無(wú)功功率Qβ與激勵容量Qo的比值較高，即兩者相差較大，在考慮導線(xiàn)較長(cháng)，無(wú)功經(jīng)濟當量較高的大功率電動(dòng)機以較高的負載率運行方式下，此式來(lái)選取是合理的。

　　(5)、按電動(dòng)機額定數據計算：

　　Q= k(1- cos2φe )3UeIe×10-3 (kvar)

　　K為與電動(dòng)機極數有關(guān)的一個(gè)系數

　　極數： 2 4 6 8 10

　　K值： 0.7 0.8 0.85 0.9

　　4.2、多負荷補償容量的選擇

　　多負荷補償容量的選擇是根據補償前后的功率因數來(lái)確定。

　　(1)對已生產(chǎn)企業(yè)欲提高功率因數，其補償容量Qc按下式選擇：

　　Qe=KmKj(tgφ1-tgφ2)/Tm

　　式中：Km為最大負荷月時(shí)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，可取0.8～0.9;Tm為企業(yè)的月工作小時(shí)數;tgφ1、tgφ2意義同前，tgφ1由有功和無(wú)功電能表讀數求得。

　　(2)對處于設計階段的企業(yè)，無(wú)功補償容量Qc按下式選擇：

　　Qc=KnPn(tgφ1-tgφ2)

　　式中Kn為年平均有功負荷系數，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可根據企業(yè)負荷性質(zhì)查手冊近似取值，也可用加權平均功率因數求得cosφ1。

　　多負荷的集中補償電容器安裝簡(jiǎn)單，運行可靠、利用率較高。但電氣設備不連續運轉或輕負荷運行時(shí)，會(huì )造成過(guò)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(lái)說(shuō)最好采用電容器組自動(dòng)控制補償，即根據負荷大小自動(dòng)投入無(wú)功補償容量的多少，對高壓來(lái)說(shuō)應考慮采取防過(guò)補償措施。

　　5、無(wú)功補償的效益

　　在現代用電企業(yè)中，在數量眾多、容量大小不等的感性設備連接于電力系統中，以致電網(wǎng)傳輸功率除有功功率外，還需無(wú)功功率。如自然平均功率因數在0.70～0.85之間。企業(yè)消耗電網(wǎng)的無(wú)功功率約占消耗有功功率的60%～90%,如果把功率因數提高到0.95左右，則無(wú)功消耗只占有功消耗的30%左右。由于減少了電網(wǎng)無(wú)功功率的輸入，會(huì )給用電企業(yè)帶來(lái)效益。

　　5.1、節省企業(yè)電費開(kāi)支。

　　提高功率因數對企業(yè)的直接經(jīng)濟效益是明顯的，因為國家電價(jià)制度中，從合理利用有限電能出發(fā)，對不同企業(yè)的功率因數規定了要求達到的不同數值，低于規定的數值，需要多收電費，高于規定數值，可相應地減少電費?？梢?jiàn)，提高功率因數對企業(yè)有著(zhù)重要的經(jīng)濟意義。

　　5.2、提高設備的利用率。

　　對于原有供電設備來(lái)講，在同樣有功功率下，因功率因數的提高，負荷電流減少，因此向負荷傳送功率所經(jīng)過(guò)的變壓器、開(kāi)關(guān)和導線(xiàn)等供配電設備都增加了功率儲備，從而滿(mǎn)足了負荷增長(cháng)的需要;如果原網(wǎng)絡(luò )已趨于過(guò)載，由于功率因數的提高，輸送無(wú)功電流的減少，使系統不致于過(guò)載運行，從而發(fā)揮原有設備的潛力;對尚處于設計階段的新建企業(yè)來(lái)說(shuō)則能降低設備容量，減少投資費用，在一定條件下，改善后的功率因數可以使所選變壓器容量降低。因此，使用無(wú)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、降低系統的能耗。

　　補償前后線(xiàn)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(wèn)題方便，可認為U2≈U1從而導出I1COSφ1=I2COSφ2。即I1/I2= COSφ2/ COSφ1,這樣線(xiàn)損 P減少的百分數為：

　　ΔP%= (1-I22/I12)×100%=(1- COS2φ1/ COS2φ2) × 100%

　　當功率因數從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(xiàn)路末端只有一個(gè)集中負荷為例，假設線(xiàn)路電阻和電抗為R、X,有功和無(wú)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→輸送有功負荷P產(chǎn)生的;QX/Ue→輸送無(wú)功負荷Q產(chǎn)生的;

　　配電線(xiàn)路：X=(2~4)R，△U大部分為輸送無(wú)功負荷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(wú)功負荷Q產(chǎn)生的

　　可以看出，若減少無(wú)功功率Q,則有利于線(xiàn)路末端電壓的穩定，有利于大電動(dòng)機的起動(dòng)。因此，無(wú)功補償能改善電壓質(zhì)量(一般電壓穩定不宜超過(guò)3%)。但是如果只追求改善電壓質(zhì)量來(lái)裝設電容器是很不經(jīng)濟的，對于無(wú)功補償應用的主要目的是改善功率因數，減少線(xiàn)損，調壓只是一個(gè)輔助作用。

　　5.5、三相異步電動(dòng)機通過(guò)就地補償后，由于電流的下降，功率因數的提高，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，補前功率因數為0.857，補償后功率因數為0.967，根據上面公式計算其增容量為：(155÷0.857) ×[(0.967 ÷0.857)-1]=24KVA

　　6、應用實(shí)例：

　　煙臺市能源監測中心于2003年4月24、29、30日對煙臺氨綸股份有限公司B區制冷機、空壓機電機進(jìn)行了電機補償裝置的安裝調試，從安裝后測試結果看，平均降低電流22-51(A)，電機功率因數提高到0.98，(見(jiàn)測試結果對比表)，減少了公司內部低壓電網(wǎng)的消耗，從而達到了節電的目的。

　　測試結果對比表

　　設備名稱(chēng) 設備容量(kW) 補前功率因數COSφ1 補后功率因數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部的低壓損耗都降低。

　　配電系統電流下降率△I%=(1-0.87/0.98)×100%=11%；

　　配電系統損耗下降率 △P%=(1-0.872/0.982)×100%=21%

　　2.該公司B區制冷機、空壓機電動(dòng)機補償的總容量為780千乏，電流平均總下降518(A),依據GB/T12497-1997中計算公式，安裝電動(dòng)機補償裝置后，年可節電量=補償容量×無(wú)功經(jīng)濟當量×年運行時(shí)間=780×0.04×24×300=224640kWh，節約價(jià)值11.2萬(wàn)元，補償投資費用(包括設備的購置、安裝及現場(chǎng)調試)為：6.24萬(wàn)元。(80元/千乏)

　　7、結論

　　文中集中探討了無(wú)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所帶來(lái)的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益，介紹了影響功率因數的主要因素和提高功率因數的方法，討論了如何確定無(wú)功功率的補償容量，確保補償技術(shù)經(jīng)濟、合理、安全可靠，達到節約電能的目的。