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

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

摘要：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?shù)淖饔煤脱a(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。

關(guān)鍵詞:節(jié)電技術(shù)功率因數(shù)無功補(bǔ)償

Abstract:Thepowerfactorofequipmentcanbeusedtomeasurethelossofenergyintransmissionlines.Byrefiningthetechnique,wecanletthepowerfactorwhichisbelowthestandardgetstandardizedtosaveelectricity.Thisarticleanalysesthefunctionofreactivecompensationandthewaystochoosecapacityofcompensation.Itemphasizesindiscussingtheconfigurationoflowvoltagenetworkandasynchronousmotor’scapacityinreactivecompensation.Bycombiningwithactualexamples,thisarticlealsoexplainsthatusingthetechniqueofreactivecompensationtoimprovethepowerfactoroflowvoltagenetworkandequipmenthasbecomeanimportantmeasuretosaveelectricity.

Keywords:Techniqueofelectricitysaving,Powerfactor,Reactivecompensation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。

、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)。

、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。

、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

、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?/p>

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。

、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。

、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。

、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)償容量的選擇和多負(fù)荷補(bǔ)償容量的選擇。

、單負(fù)荷就地補(bǔ)償容量的選擇的幾種方法

、美國(guó)資料Qc=(1/3)Pe[額定容量的1/3]

、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)揭陨稀４朔ㄔ诠?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。

、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~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)246810810

補(bǔ)償容量~~~

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。

、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

Qo<QC<QO+(QE-QO)Β2其中QE=PETGΦEηe

若電動(dòng)機(jī)帶額定負(fù)載運(yùn)行，即負(fù)載率β=1,則：Qo<QC<QE

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)，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。

、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)：246810

K值：

、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。

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～;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。

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～;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?/p>

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～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。

、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?guó)家電價(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)。可見，提高功率因數(shù)對(duì)企業(yè)有著重要的經(jīng)濟(jì)意義。

、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)。

、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%=×100%

當(dāng)功率因數(shù)從～提高到時(shí)，由(2)式可求得有功損耗將降低20%～45%。

、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=/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=R，△U大部分為輸送無功負(fù)荷Q產(chǎn)生的

變壓器：X=RQX/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。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。

、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

△S=P/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，補(bǔ)償后功率因數(shù)為，根據(jù)上面公式計(jì)算其增容量為：

×[-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，電機(jī)功率因數(shù)提高到，，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)備容量補(bǔ)前功率因數(shù)COSφ1補(bǔ)后