基于工廠供配電系統(tǒng)功率因數(shù)的研究

姜全錄，吳 軍，郝英軍

（1.大連瓦房店供電分公司，遼寧 大連 116300；2.東港供電分公司，遼寧 丹東 118300）

基于工廠供配電系統(tǒng)功率因數(shù)的研究

姜全錄1，吳 軍2，郝英軍1

（1.大連瓦房店供電分公司，遼寧 大連 116300；2.東港供電分公司，遼寧 丹東 118300）

由于在工廠中大量負(fù)載是感性負(fù)載，這些負(fù)載從供配電系統(tǒng)中吸收大量無功功率，使得功率因數(shù)降低，因此提高功率因數(shù)幾乎成了每一個(gè)用電單位都面臨的問題.本文主要介紹采用人工并聯(lián)靜電電容器補(bǔ)償裝置來提高功率因數(shù)及電容器裝設(shè)部位的補(bǔ)償方式.補(bǔ)償方式分別有單獨(dú)補(bǔ)償、分組補(bǔ)償和集中補(bǔ)償三種.目前工廠供配電系統(tǒng)中大量采用集中補(bǔ)償.

功率因數(shù)；自然功率因數(shù)；人工補(bǔ)償；電容器補(bǔ)償

功率因數(shù)是電力用戶的一項(xiàng)重要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo).由于在工廠中大量使用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、變壓器、電焊機(jī)、電弧爐等感性負(fù)載，這些負(fù)載從供配電系統(tǒng)中吸收大量無功功率，使得功率因數(shù)降低，因此提高功率因數(shù)幾乎成了每一個(gè)用電單位都面臨的問題.提高功率因數(shù)通常有兩種途徑：一種是在不添置任何附加補(bǔ)償設(shè)備的前提下，合理選擇和使用電氣設(shè)備，改善它們的運(yùn)行方式，提高檢修質(zhì)量，從而提高自然功率因數(shù)，但自然功率因數(shù)的提高往往很有限；另一種是采用人工補(bǔ)償裝置來提高功率因數(shù)，人工補(bǔ)償裝置可采用同步電動(dòng)機(jī)或并聯(lián)靜電電容器.

1 提高功率因數(shù)的意義

（1）提高電力系統(tǒng)的供電能力.在發(fā)電和輸、配電設(shè)備的安裝容量一定時(shí)，提高用戶的功率因數(shù)，相應(yīng)減少了無功功率和視在功率的需求量；在同樣設(shè)備條件下，增大了電力系統(tǒng)的供電能力.

（2）降低供電網(wǎng)絡(luò)中的電壓損失，提高供電質(zhì)量.由于用戶功率因數(shù)的提高，使網(wǎng)絡(luò)中的電流減少，因此網(wǎng)絡(luò)中的電壓損失減少，網(wǎng)絡(luò)末端用電設(shè)備的電壓質(zhì)量得到提高.

（3）降低供電網(wǎng)絡(luò)中的功率損耗.當(dāng)線路電壓和輸送的有功功率一定時(shí)，功率因數(shù)越高，則網(wǎng)絡(luò)中的功率損耗越少.

（4）降低企業(yè)產(chǎn)品的成本.提高功率因數(shù)可減少網(wǎng)絡(luò)和變壓器中的電能損耗，使企業(yè)電費(fèi)降低.

總之，提高功率因數(shù)對充分利用現(xiàn)有的輸電、配電及電源設(shè)備，保證供電質(zhì)量，減少電能損耗，提高供電效率，降低產(chǎn)品的成本，提高經(jīng)濟(jì)效益等有著十分重要的意義.

2 提高功率因數(shù)的方法

2.1 提高負(fù)荷的自然功率因數(shù)

功率因數(shù)不滿足要求時(shí)，首先應(yīng)提高自然功率因數(shù).提高自然功率因數(shù)，就是不添置任何補(bǔ)償設(shè)備，采用科學(xué)措施減少用電設(shè)備的無功功率的需要量，使供配電系統(tǒng)總功率因數(shù)提高.因?yàn)樗恍柙黾釉O(shè)備，是最理想最經(jīng)濟(jì)改善功率因數(shù)的方法.

（1）正確選擇并合理使用電動(dòng)機(jī)，使其不在輕載和空載情況下運(yùn)行.在條件許可時(shí)，應(yīng)盡量選擇籠型異步電動(dòng)機(jī).

（2）保證電動(dòng)機(jī)的檢修質(zhì)量.電動(dòng)機(jī)的定轉(zhuǎn)子間氣隙的增大和定子線圈的減少都會(huì)使勵(lì)磁電流增大，從而增加向電網(wǎng)吸收的無功量而使功率因數(shù)降低，因此檢修時(shí)要保證電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能參數(shù).

（3）合理選擇變壓器的容量，適當(dāng)調(diào)整其運(yùn)行方式，盡量避免變壓器空載運(yùn)行.變壓器輕載時(shí)功率因數(shù)會(huì)降低，但滿載時(shí)有功損耗會(huì)增加，因此，選擇變壓器的容量時(shí)要從經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和改善功率因數(shù)兩個(gè)方面考慮.

（4）對于容量較大且又不要求調(diào)速的電動(dòng)機(jī)，應(yīng)盡量選用同步電動(dòng)機(jī).

2.2 人工補(bǔ)償法提高功率因數(shù)

如果負(fù)荷的自然功率因數(shù)不能滿足要求，應(yīng)采取人工補(bǔ)償?shù)姆椒ㄌ岣哓?fù)荷的功率因數(shù).目前，工廠企業(yè)廣泛采用并聯(lián)電容器補(bǔ)償、同步電動(dòng)機(jī)補(bǔ)償和動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償方式進(jìn)行無功功率的人工補(bǔ)償.同步電動(dòng)機(jī)補(bǔ)償是通過調(diào)節(jié)同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流起到補(bǔ)償無功功率的作用.并聯(lián)電容器，又稱移相電容器，是一種專門用來改善功率因數(shù)的電力電容器.并聯(lián)電容器與同步電動(dòng)機(jī)相比，具有安裝簡單、運(yùn)行維護(hù)方便有功損耗小、組裝靈活、擴(kuò)建方便等優(yōu)點(diǎn).目前并聯(lián)電容器在一般工廠供配電系統(tǒng)中應(yīng)用最為普遍.

2.2.1 并聯(lián)電容器的裝設(shè)

2.2.1.1 并聯(lián)電容器的結(jié)線

并聯(lián)補(bǔ)償?shù)碾娏﹄娙萜鞔蠖嗖捎谩餍谓Y(jié)線，對于低壓（0.5kV以下）并聯(lián)電容器，因?yàn)榇蠖嗍亲龀扇嗟模势鋬?nèi)部已接成△形.

假設(shè)有電容為C的三個(gè)單相電容器，如果其額定電壓與三相網(wǎng)絡(luò)的額定電壓相同時(shí)，應(yīng)將電容器接成三角形；如果電容器的額定電壓低于三相網(wǎng)絡(luò)額定電壓時(shí)，應(yīng)將電容器接成星形.不同的接線方法其總?cè)萘繛椋?/p>

△形結(jié)線時(shí)

由上式可以看出，同樣的電容器，按三角形結(jié)線時(shí)其補(bǔ)償容量將是星形結(jié)線的3倍.這是并聯(lián)電容器采用三角形結(jié)線的一個(gè)優(yōu)點(diǎn).另外電容器采用三角形結(jié)線時(shí)，任一電容器斷線，三相線路仍得到無功補(bǔ)償，而采用星形結(jié)線時(shí)，一相電容斷線時(shí)，斷線相將失去無功補(bǔ)償.

但是，當(dāng)電容器采用三角形結(jié)線時(shí)，任一電容器擊穿短路時(shí)，將造成三相線路的兩相短路，短路電流很大，有可能引起電容器爆炸.這對高壓電容器特別危險(xiǎn).如果電容器采用星形結(jié)線，情況就不同.當(dāng)電容器采用星形結(jié)線時(shí)，在其中的一相電容器發(fā)生擊穿短路時(shí)，其短路電流僅為正常工作電流的3倍，運(yùn)行相對比較安全.所以GB50053–94《10kV及以下變電所設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：高壓電容器組宜接成中性點(diǎn)不接地星形，容量較小時(shí)（450kvar及以下）宜接成三角形.低壓電容器組應(yīng)接成三角形.

2.2.1.2 并聯(lián)電容器的裝設(shè)地點(diǎn)

并聯(lián)電力電容器在工廠供配電系統(tǒng)中的裝設(shè)位置有三種，即高壓集中補(bǔ)償、低壓集中補(bǔ)償和單獨(dú)就地補(bǔ)償（個(gè)別補(bǔ)償）.

2.2.1.2.1 高壓集中補(bǔ)償

高壓集中補(bǔ)償是指將高壓電容器組集中裝設(shè)在工廠變電所的6～10kV母線上.

該補(bǔ)償方式只能補(bǔ)償總降壓變電所的6～10kV母線之前的供配電系統(tǒng)中由無功功率產(chǎn)生的影響，而對無功功率在企業(yè)內(nèi)部的供配電系統(tǒng)中引起的損耗無法補(bǔ)償，因此補(bǔ)償范圍最小，經(jīng)濟(jì)效果較后兩種補(bǔ)償方式差.但由于裝設(shè)集中，運(yùn)行條件較好，維護(hù)管理方便，投資較少.且總降壓變電站6～10kV母線停電機(jī)會(huì)少，因此電容器利用率高.這種方式在一些大中型企業(yè)中應(yīng)用相當(dāng)普遍.

2.2.1.2.2 低壓集中補(bǔ)償

低壓集中補(bǔ)償是指將低壓電容器集中裝設(shè)在車間變電所的低壓母線上.

該補(bǔ)償方式只能補(bǔ)償車間變電所低壓母線前車間變電所和高壓配電線路及電力系統(tǒng)的無功功率，對車間變電所低壓母線后的設(shè)備則不起補(bǔ)償作用.但其補(bǔ)償范圍比高壓集中補(bǔ)償要大，而且該補(bǔ)償方式能使車間主變壓器的視在功率減小從而使變壓器的容量可選得較小，因此比較經(jīng)濟(jì).這種低壓電容器補(bǔ)償屏一般可安裝在低壓配電室內(nèi)，運(yùn)行維護(hù)安全方便.該補(bǔ)償方式在工廠中應(yīng)用相當(dāng)普遍.

2.2.1.2.3 單獨(dú)就地補(bǔ)償

單獨(dú)就地補(bǔ)償（個(gè)別補(bǔ)償或分散補(bǔ)償）是指在個(gè)別功率因數(shù)較低的設(shè)備旁邊裝設(shè)補(bǔ)償電容器組.該補(bǔ)償方式能補(bǔ)償安裝部位以前的所有設(shè)備，因此補(bǔ)償范圍最大，效果最好.但投資較大，而且如果被補(bǔ)償?shù)脑O(shè)備停止運(yùn)行的話，電容器組也被切除，電容器的利用率較低.而且存在小容量電容器的單位價(jià)格、電容器易受到機(jī)械震動(dòng)及其他環(huán)境條件影響等缺點(diǎn).所以這種補(bǔ)償方式適用于長期穩(wěn)定運(yùn)行，無功功率需要較大，或距電源較遠(yuǎn)，不便于實(shí)現(xiàn)其他補(bǔ)償?shù)膱龊?

3 結(jié)語

一般工業(yè)企業(yè)消耗的無功功率中，異步電動(dòng)機(jī)約占70%，變壓器約占20%，線路等約占10%，所以要合理地選擇電動(dòng)機(jī)和變壓器，使電動(dòng)機(jī)平均負(fù)荷為其額定功率的45%以上，變壓器負(fù)荷率為60%以上.

〔1〕楊洋.供配電技術(shù)[M].陜西:西安電子科技大學(xué)出版社,2007.34-35.

〔2〕劉介才.工廠供電[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.44-47.

〔3〕劉燕.供配電技術(shù)[M].陜西:西安電子科技大學(xué)出版社,2007.29-31.

〔4〕高宇,孫成普.工廠供配電技術(shù)[M].北京:中國電力出版社,2009.55-57.

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1673-260X（2012）06-0163-02