用電單位的無功消耗及補(bǔ)償效益

電力系統(tǒng)及用電單位中的供用電設(shè)備絕大多數(shù)都是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的。這些設(shè)備除消耗必要的有功功率外，還必然要消耗一部分無功功率。如變壓器、電機(jī)的勵(lì)磁和繞阻漏抗，線路的并聯(lián)電納和串聯(lián)電抗等等，都要消耗無功功率，其值通常約為有功的0.6~1.3倍。無功補(bǔ)償就是借助于無功補(bǔ)償設(shè)備臺(tái)調(diào)相機(jī)、補(bǔ)償電容器等為供用電系統(tǒng)提供一定的無功功率，從而提高用電設(shè)備乃至整個(gè)電網(wǎng)的功率因數(shù)，以達(dá)到改善電壓質(zhì)量、降低電能損耗、提高供配電設(shè)備的供電能力，減少電費(fèi)支出，降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

一、功率因數(shù)含義及其影響

電力負(fù)荷的功率因數(shù)（俗稱力率）為有功功率與視在功率之比，即COS=P/SP/UI，式中為電路電壓U與電流I間的相位差角，亦稱功率因數(shù)角。功率因數(shù)實(shí)為電路電壓與電流間相位差角的余弦值。負(fù)荷的自然功率因數(shù)是指未采取任何補(bǔ)償措施前的功率因數(shù)，常用設(shè)備的功率因數(shù)見表一。

表一常見用電設(shè)備自然功率因數(shù)

設(shè)備名稱異步電動(dòng)機(jī)交流弧焊機(jī)交流阻焊機(jī)電弧爐低頻感應(yīng)爐

功率因數(shù)0.65~0.820.3~0.40.650.850.6~0.8

可見，一般用電設(shè)備的自然功率因數(shù)僅為0.6~0.8。為維持設(shè)備正常運(yùn)行，就需從電網(wǎng)中吸取一定的無功功率，且COS越低，所需無功就越多。若電網(wǎng)無功不足，將會(huì)使供電設(shè)備出力受限制，而達(dá)不到額定出力，電網(wǎng)電壓降低，用電設(shè)備難以正常運(yùn)行，甚至受到損壞，還會(huì)使電能損耗增加，設(shè)備效率降低，容量不能充分發(fā)揮。

二、無功補(bǔ)償?shù)谋匾约把a(bǔ)償方式

由于大量用電設(shè)備工作時(shí)需從電網(wǎng)吸取一部分無功功率，為克服因無功不足帶來的各種弊端，盡可能減少需由電網(wǎng)供給的無功，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。實(shí)踐中除改善用電設(shè)備本身的自然功率因數(shù)外，還要采取措施適當(dāng)?shù)匮a(bǔ)償一部分無功以提高電網(wǎng)的功率因數(shù)。

無功功率補(bǔ)償?shù)姆椒ê芏啵刹捎秒娏θ萜鳎虿捎镁哂腥菪载?fù)荷的裝置進(jìn)行補(bǔ)償。下面談電網(wǎng)中常用的無功補(bǔ)償方式

主要有：1、高壓集中補(bǔ)償，即將并聯(lián)電容器裝設(shè)在變配電所高壓母線上，補(bǔ)償高壓母線之前（電源方向）線路及變壓器的無功功率；2、低壓側(cè)集中補(bǔ)償，即將并聯(lián)電容器安裝在車間變配電所低壓母線上，補(bǔ)償車間變配電所低壓母線之前（包括車間配電所和廠內(nèi)高壓配電線）所需的無功，其補(bǔ)償范圍較大；3、低壓分散補(bǔ)償，即將電容器組分組安裝在車間配電室或各低壓線的出線上，它可與工廠部分負(fù)荷的變動(dòng)同時(shí)投入或切除；4、個(gè)別補(bǔ)償，即對(duì)單臺(tái)用電設(shè)備所需無功就近補(bǔ)償?shù)霓k法，把電容器直接接到單臺(tái)用電設(shè)備的同一個(gè)電氣回路，用同一臺(tái)開關(guān)控制，同時(shí)投運(yùn)或斷開，這種補(bǔ)償方法的效果最好，電容器靠近用電設(shè)備，就地平衡無功電流，可避免無功負(fù)荷的過補(bǔ)償，使電壓質(zhì)量得到保證。

三、無功功率的補(bǔ)償效益

1、可降低線路或變壓器損耗

電流通過導(dǎo)線時(shí)，線損計(jì)算公式為：

△p=3I2R=3×

(1)

式中：

P____線路或變壓器有功損耗（KW）；

I____線路或變壓器中通過的電流（A）；

R____線路或變壓器的每相電阻（Ω）；

P____經(jīng)線路或變壓器輸送的有功功率（KW）；

Ue____線路額定電壓（KV）；

COS____負(fù)荷功率因數(shù)。

由式（1）可知，當(dāng)線路或變壓器輸送的有功和電壓不變時(shí)，有功損失與負(fù)荷功率因數(shù)的平方成反比。補(bǔ)償后功率因數(shù)由COS1提高到COS2，補(bǔ)償前后的功率損失相應(yīng)為△P1=P2R/Ue2COS21，△P2=P2R/Ue2COS22。若不計(jì)因提高功率因數(shù)而減少的電壓損失，則線路或變壓器中的有功損失減少值，△△P2=△P1-△P2=P2R/Ue2×（1/COS1-1/COS2/），由值可得：

△△P%=△△P/△P1×100%=[1-（COS1/COS2）2]×100%（2）

據(jù)式（2）可求得當(dāng)功率因數(shù)由COS1提高到COS2時(shí)，所降低的功率損耗百分值（見表二）

表二提高功率因數(shù)與減少有功損耗的關(guān)系

COS2

△△P%

COS10.80.850.90.951.00

0.604450566064

0.653442485358

0.702332404651

0.751222313844

0.8011212936

0.850112028

0.901019

0.9500

由表二可見，在輸送同樣的有功功率時(shí)，由于功率因數(shù)不同，在電網(wǎng)中造成的有功損耗也不同。且功率因數(shù)越高，損耗便越小。

2．可提高供配電設(shè)備的供電能力

（1）同樣有功負(fù)荷不變條件下，適當(dāng)補(bǔ)償無功功率，可降低變壓器的視在功率（見圖一）

因Q=PtgФ1，Q2=PtgФ2，

S1=P/COSФ1，S2=P/COSФ2，

Qc=Q1－Q2=P（tgФ1－1/COSФ2）

顯然，由于COSФ2＞COSФ1，故S2＞S1，即進(jìn)行無功補(bǔ)償后，變壓器的視在功率可減少ΔS。如我公司紅旗煤礦變電所有一臺(tái)2000KVA的變壓器，原功率因數(shù)僅為0.76左右，故在額定功率下有功最大輸出功率P=ScosФ=2000×0.76=1520KW，后來采取無功補(bǔ)償將功率因數(shù)提高到0.95左右，根據(jù)ΔS=P（1/COSФ1－1/COSФ2），變壓器容量可減少ΔS=399.7KVA。因此，同樣輸送1520KW有功功率時(shí)，變壓器的視在功率可減小為1600KVA。

對(duì)于在一定電壓和有功功率下的電力設(shè)備，不難推得，由于補(bǔ)償后COSФ2＞COSФ1，則I2＜I1。這說明，通過無功補(bǔ)償后功率因數(shù)得到了提高，減少了變壓器的總電流，從而使變壓器容量得以充分利用。

同樣視在功率不變情況下，適當(dāng)補(bǔ)償無功，可能提高變壓器的有功功率輸出。

3.可提高電壓水平，改善運(yùn)行條件

在三相對(duì)稱負(fù)荷條件下，電壓損失ΔU=I（RcosФ＋XsinФ）=（PR＋QX）/Ue。可見，在變壓器低壓側(cè)或線路末端補(bǔ)償無功Qc后，減小了要求電網(wǎng)供給的無功。此時(shí)要供給的無功為Q′=Q－Qc，從而也就能減少電壓損失，改善用電設(shè)備運(yùn)行條件，實(shí)踐證明，特別是對(duì)1000KVA以下配電變壓器及低壓配電線路，采用電容器補(bǔ)償后提高電壓質(zhì)量的效果尤為明顯。

供電部門執(zhí)行國家制定的《電熱價(jià)格》對(duì)高壓供電的大宗工業(yè)用戶，當(dāng)平均功率因數(shù)為0.9時(shí)不獎(jiǎng)不罰，高于或低于0.9時(shí)則相應(yīng)減收或增加電率電費(fèi)。我公司供電的焦化廠有一臺(tái)2000KVA變壓器，受電電壓為66KV，年用電量110萬KWH，98年該廠的功率因數(shù)為0.76，當(dāng)年多交的力率電費(fèi)為（電力電費(fèi)＋基本電費(fèi)）×7.0÷100=32284元，99年該廠投入無功補(bǔ)償電力電容器后，功率因數(shù)提高到0.95，在用電量不變的情況下，力率電費(fèi)為（電力電費(fèi)＋基本電費(fèi)）×0.75÷100=﹣3459元，供電企業(yè)獎(jiǎng)給該廠3459元，投入補(bǔ)償電容器后比沒投入補(bǔ)償電容器之前降低生產(chǎn)成本為32284＋3459=35743元，可見效益之顯著。

實(shí)踐證明，用電單位投入無功補(bǔ)償后，無論是在提高變壓器輸出能力與改善供電質(zhì)量、還是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及減少用電成本方面都取得了明顯的效果。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文