淺析工廠供配電系統無功補償的益處

任占飛+++王媛媛

摘 要：文章分析了并聯電容器作為無功補償裝置的基本原理以及在工廠供配電系統中的效益和補償方法，同時介紹了通過選擇電氣設備和合理運行電氣設備來提高自然功率因數的具體節能措施。通過合理選擇和運行電氣設備以及無功功率補償提高低壓電網和用電設備的功率因數，已成為節電工作的一項重要措施。

關鍵詞：無功補償；節能；有功功率；無功功率；功率因數

前言

我公司是屬于典型的機械加工企業，用電設備以電焊機和拖動機床的感應電動機為主，都是感性負載，所以我公司的自然功率因數很低，達不到有關電力設計規程規定：高壓供電的工廠，最大負荷時的功率因數不得低于0.9，達不到要求，必須進行人工補償。此外，變壓器本身也是大感性負載需要消耗較多的無功功率，所以系統無功消耗很大，必須進行人工補償。下面筆者以并聯電容器補償方式為例進行論述。

1 無功補償的基本原理

在交流電路中，如果是純電阻電路，電能都轉化成了熱能，而在通過純容性或純感性負載的時候，并不做功，也就是不消耗電能，即為無功功率。當然實際負載一般都是混合性負載，這樣電能在通過負載時，就有一部分電能不做功，就是無功功率，此時的功率因數小于1，為了提高電能的利用率，就要進行無功補償。

無論是工業負荷還是民用負荷，大多數均為感性。所有電感負載均需要補償大量的無功功率，提供這些無功功率有兩條途徑：一是輸電系統提供；二是補償電容器提供。如果由輸電系統提供，則設計輸電系統時，既要考慮有功功率，也要考慮無功功率。由輸電系統傳輸無功功率，將造成輸電線路及變壓器損耗的增加，降低系統的經濟效益。而由并聯補償電容器就地提供無功功率，就可以避免由輸電系統傳輸無功功率，從而降低無功損耗，提高系統的傳輸功率。

S1為功率因數改善前的視在功率；S2為功率因數改善后的視在功率

2 無功補償的效益

2.1 提高功率因數

2.1.1 基本原理

在交流純電阻電路中，負載中的電流IR與電壓U同相位，純電感負載中的電流IL滯后于電壓90°，而純電容的電流IC則超前于電壓90°，如圖所示。可見，電容中的電流與電感中的電流相差180°，它們能夠互相抵消。

電力系統中的負載大部分是感性的，因此總電流I將滯后于電壓一個角度φ，如果將并聯電容器與負載并聯，則電容器的電流IC將抵消一部分電感電流，從而使電感電流IL減小到IL'，總電流從I減小到I'，功率因數將由cosφ提高到cosφ'，這就是并聯電容器補償無功功率提高功率因數的原理（如圖2）。

由于電容器與電感性負載并聯安裝，所以，當電感性負載吸收能量時，正好并聯電容器釋放能量。而電感性負荷放出能量時，并聯電容器卻在吸收能量，能量在兩者之間轉換。即：電感性負載所吸收的無功功率，可由并聯電容器所輸出的

2.1.2 節省企業電費開支

提高功率因數對企業的直接經濟效益是明顯的，因為國家電價制度中，從合理利用有限電能出發，對用電企業的功率因數規定了最低數值（一般規定基數為cosφ=0.9），低于規定的數值，需要罰款多收電費，高于規定的數值，可獎勵相應的減少電費。

供電部門在收取電費時，按照行業標準規定：根據每月的實際功率因數，在高于或低于基數0.9時，按照規定的電價計算出當月的電費后， 再按照上表所規定的百分數進行獎懲，增減電費。

無功功率的節能對用戶來說，就是最大可能的提高功率因數，減少無功計量，把實際功率因數保持在0.95以上，以降低電費。以我公司每年電費400萬計算，400×0.75%=3萬，僅此一項一年就可收回一臺電容補償柜的成本。

2.2 改善電壓質量

對于電力用戶來說，可采納的調壓措施主要有：（1）合理選擇無載調壓變壓器的分接頭或有載調壓變壓器—其實質是在系統的無功電源充足的條件下，通過改變變壓器變比來改變無功功率的分布從而達到調壓的目的；（2）盡量使系統的三相負載均衡—其目的是防止三相電壓的中性點偏移；（3）合理選擇系統運行方式—其實質是改變系統阻抗調壓。上述三種調壓措施均是在原有設備的基礎上進行的，若以上方法不能滿足用戶對電壓質量的要求時，則需通過增設無功補償裝置進行調壓。無功補償裝置中電容器是最經濟、運行維護最簡單的補償設備。

2.2.1 電壓偏移對用電設備的影響（以感應電動機為例）

感應電動機正常運行時，作用于轉子的電磁轉矩Me與負載轉矩MT相等，從而電機穩定運行。而電磁轉矩Me與電壓的關系式為：Me=CU2（C為常數），即：Me與電壓U的平方成正比。額定運行時，Me=CUN2=MT，現在假設電壓下降，U=0.9UN，則對應的Me′=C（0.9UN）2=0.81 CUN2=0.81Me。由于此時負載轉矩不突變，所以Me′

2.2.2 改善電壓質量原理分析

在線路中的電壓損失ΔU=（PR+QX）/U，（式中ΔU-線路中的電壓損失，P-有功功率，Q-無功功率，U-額定電壓，R-線路的總電阻，X-線路感抗），從其表達式可知：若P、R、、X、U不變，Q減小則ΔU下降，可使重負荷下偏低的負荷點電壓升高。電力系統的無功負荷主要為大型異步電動機和配電變壓器本身所吸收的感性無功QL，它是構成異步電動機繞組的感性線圈和變壓器原、副邊線圈所消耗的。眾所周知，電容與電感線圈在性質上恰好相反，即電容吸收容性無功功率QC，相當于發出感性無功功率QC。如果在負荷側增設容量為QC的電容，可使負荷點總的感性無功功率變為（QL-QC）

2.3 降低功率損耗和電能損失

2.3.1 原理概述

在三相電力系統中，功率損耗ΔP=3I2R=P2R/[U2（cosφ）2]，電能損耗ΔW=ΔP×t，由此可見，當無功功率得到補償使得功率因數提高后（cos？準增大），將使功率損失大大下降，從而電能損失也大大下降。因為線路和變壓器的功率損耗與通過的電流平方成正比，在P一定的情況下，如果cos？準小，則I增大，功率損耗和電能損耗隨著增大，年運行費用增加。

2.3.2 定量分析

2.4 提高設備出力

由于有功功率P=S·cos？準，當設備的視在功率一定時，如果功率因數cos？準提高，有功功率P也隨著增大，可見設備的有功出力也就提高了。即：當無功功率在就地得到補償，就地平衡后，負荷所需的無功功率就不用從電源索取了，流經線路的無功電流減小了，設備（線路及變壓器）原來被無功所占用的那部分容量釋放出來均可提供有功功率，從而設備利用率提高了，也提高了設備出力，可以充分挖掘原有設備潛力。

對于原有供電設備來講，在同樣有功功率下，因功率因數的提高，負荷電流減小，因此向負荷傳送功率所經過的變壓器、開關和導線等供配電設備都增加了功率儲備，從而滿足了負荷增長的需要；如果原網絡已趨于過載，由于功率因數的提高，輸送無功電流的減少，使系統不至于過載運行，從而發揮原有設備的潛力。

對于尚處于設計階段的新、改、擴建工程項目，充分考慮無功補償則能降低設備容量，減少投資費用，在一定條件下，無功補償后改善了的功率因數可以使所選變壓器容量降低和所選導體線徑規格下降。因此，使用無功補償，不但減少初次投資費用，而且減少了運行后的基本電費。

3 無功補償措施

3.1 高壓集中補償

集中補償是將電容器設置在總降壓變電所內，將電容器組接在高壓母線上，補償容量僅需按照變、配電所的總負荷選擇。這種補償方式的優點：電容器組的利用率非常高，投資費用少，便于管理和維護保養；缺點：僅減輕了供電電網的無功功率，不能減少工廠內部配電網絡的無功負荷。對于補償容量相當大的工廠，多采用高壓集中補償和低壓分散補償相結合的方式。

3.2 低壓分散補償

分散補償的電容器組一般接在各車間低壓配電母線上，其利用率較高，投資費用省，但只能補償受電變壓器及變配電所至車間的供電線路上的無功功率，是一種比較經濟合理的補償方式，在中小型工廠應用較為普遍。

3.3 低壓個別補償

低壓個別補償是指將電容器直接安裝在用電設備附近，與用電設備同時投入運行和斷開。此種補償方式可以最大限度的減少系統中流過的無功電流，補償效果最好。缺點是總投資費用大，電容器的利用率低，易受機械振動和環境的影響。對于連續運行的大容量設備，宜采用低壓個別補償。

4 由無功補償提高功率因數而想到的節能措施

4.1 正確選擇電氣設備

（1）選氣隙小，磁阻小的電器設備。如盡量選擇鼠籠型電動機。

（2）同容量下選擇磁路體積小的電氣設備。

（3）電動機、變壓器的容量選擇要合適，盡量避免欠負載運行。因欠載時P和I減少，會造成cos？準減小。

（4）不需要調速，持續運行的大容量電動機，有條件時可選擇同步電動機，使其過激磁運行，提供超前無功功率（-Q）進行補償，使電網總的無功功率減少。

4.2 電氣設備合理運行

（1）消除嚴重欠載運行的電動機和變壓器。對于變壓器，當其平均負荷小于額定容量的30%時，應更換變壓器或調整負荷；對于負荷小于40%的感應電動機，在能滿足啟動、工作穩定性等要求條件下，應以小容量電動機更換或將原三角形接法的繞組改為星形接法，降低激磁電壓。

（2）合理調動安排生產工藝流程，限制電氣設備空載運行。

（3）提高異步電動機的維護檢修質量。因為異步電動機定子繞組匝數的變動和電動機的定子、轉子間的氣隙變動時對異步電動機無功功率的大小有很大的影響。所以應提高檢修質量，使其電磁特性符合標準。

（4）進行技術改造，降低總的無功功耗。如改造電磁開關使其無壓運行，即電磁開關吸合后，電磁鐵合閘電源切除仍能維持開關合閘狀態，減少運行中的無功功耗。

（5）做好變壓器的散熱工作。變壓器繞組的電阻隨著溫度的升高而增大，對于同一臺變壓器在同一負載下，如果溫度越低，損耗也越低。因此，應做好變壓器的散熱工作，降低變壓器的溫度。

5 結束語

文中集中探討了無功功率補償對工廠供配電系統中低壓配電網的影響以及所帶來的經濟效益和社會效益，介紹了無功補償的原理、效益及方法，并提出了在選擇電氣設備和合理運行電氣設備方面的具體措施，確保采用無功補償后提高功率因數，達到節約電能的目的。

參考文獻

[1]黃純華，葛少云.工廠供電（第二版）[M].天津大學出版社，2001.

[2]顧繩谷.電機及拖動基礎（第二版）[M].機械工業出版社，1999.

[3]郭仲禮.高壓電工技術問答[M].中國電力出版社，2002.

[4]張婉琳，蔣松輝.無功補償對節能的意義[J].應用能源技術，2007（1）.

[5]葛麗娟，王威，傅強.電容器在電壓調整和功率因數提高中的作用原理分析[J].內蒙古農業大學學報，2006.

[6]李小安.配電變壓器無功功率的消耗與節能[J].電工技術：節能技術，1999.endprint

2.3 降低功率損耗和電能損失

2.3.1 原理概述

在三相電力系統中，功率損耗ΔP=3I2R=P2R/[U2（cosφ）2]，電能損耗ΔW=ΔP×t，由此可見，當無功功率得到補償使得功率因數提高后（cos？準增大），將使功率損失大大下降，從而電能損失也大大下降。因為線路和變壓器的功率損耗與通過的電流平方成正比，在P一定的情況下，如果cos？準小，則I增大，功率損耗和電能損耗隨著增大，年運行費用增加。

2.3.2 定量分析

2.4 提高設備出力

由于有功功率P=S·cos？準，當設備的視在功率一定時，如果功率因數cos？準提高，有功功率P也隨著增大，可見設備的有功出力也就提高了。即：當無功功率在就地得到補償，就地平衡后，負荷所需的無功功率就不用從電源索取了，流經線路的無功電流減小了，設備（線路及變壓器）原來被無功所占用的那部分容量釋放出來均可提供有功功率，從而設備利用率提高了，也提高了設備出力，可以充分挖掘原有設備潛力。

對于原有供電設備來講，在同樣有功功率下，因功率因數的提高，負荷電流減小，因此向負荷傳送功率所經過的變壓器、開關和導線等供配電設備都增加了功率儲備，從而滿足了負荷增長的需要；如果原網絡已趨于過載，由于功率因數的提高，輸送無功電流的減少，使系統不至于過載運行，從而發揮原有設備的潛力。

對于尚處于設計階段的新、改、擴建工程項目，充分考慮無功補償則能降低設備容量，減少投資費用，在一定條件下，無功補償后改善了的功率因數可以使所選變壓器容量降低和所選導體線徑規格下降。因此，使用無功補償，不但減少初次投資費用，而且減少了運行后的基本電費。

3 無功補償措施

3.1 高壓集中補償

集中補償是將電容器設置在總降壓變電所內，將電容器組接在高壓母線上，補償容量僅需按照變、配電所的總負荷選擇。這種補償方式的優點：電容器組的利用率非常高，投資費用少，便于管理和維護保養；缺點：僅減輕了供電電網的無功功率，不能減少工廠內部配電網絡的無功負荷。對于補償容量相當大的工廠，多采用高壓集中補償和低壓分散補償相結合的方式。

3.2 低壓分散補償

分散補償的電容器組一般接在各車間低壓配電母線上，其利用率較高，投資費用省，但只能補償受電變壓器及變配電所至車間的供電線路上的無功功率，是一種比較經濟合理的補償方式，在中小型工廠應用較為普遍。

3.3 低壓個別補償

低壓個別補償是指將電容器直接安裝在用電設備附近，與用電設備同時投入運行和斷開。此種補償方式可以最大限度的減少系統中流過的無功電流，補償效果最好。缺點是總投資費用大，電容器的利用率低，易受機械振動和環境的影響。對于連續運行的大容量設備，宜采用低壓個別補償。

4 由無功補償提高功率因數而想到的節能措施

4.1 正確選擇電氣設備

（1）選氣隙小，磁阻小的電器設備。如盡量選擇鼠籠型電動機。

（2）同容量下選擇磁路體積小的電氣設備。

（3）電動機、變壓器的容量選擇要合適，盡量避免欠負載運行。因欠載時P和I減少，會造成cos？準減小。

（4）不需要調速，持續運行的大容量電動機，有條件時可選擇同步電動機，使其過激磁運行，提供超前無功功率（-Q）進行補償，使電網總的無功功率減少。

4.2 電氣設備合理運行

（1）消除嚴重欠載運行的電動機和變壓器。對于變壓器，當其平均負荷小于額定容量的30%時，應更換變壓器或調整負荷；對于負荷小于40%的感應電動機，在能滿足啟動、工作穩定性等要求條件下，應以小容量電動機更換或將原三角形接法的繞組改為星形接法，降低激磁電壓。

（2）合理調動安排生產工藝流程，限制電氣設備空載運行。

（3）提高異步電動機的維護檢修質量。因為異步電動機定子繞組匝數的變動和電動機的定子、轉子間的氣隙變動時對異步電動機無功功率的大小有很大的影響。所以應提高檢修質量，使其電磁特性符合標準。

（4）進行技術改造，降低總的無功功耗。如改造電磁開關使其無壓運行，即電磁開關吸合后，電磁鐵合閘電源切除仍能維持開關合閘狀態，減少運行中的無功功耗。

（5）做好變壓器的散熱工作。變壓器繞組的電阻隨著溫度的升高而增大，對于同一臺變壓器在同一負載下，如果溫度越低，損耗也越低。因此，應做好變壓器的散熱工作，降低變壓器的溫度。

5 結束語

文中集中探討了無功功率補償對工廠供配電系統中低壓配電網的影響以及所帶來的經濟效益和社會效益，介紹了無功補償的原理、效益及方法，并提出了在選擇電氣設備和合理運行電氣設備方面的具體措施，確保采用無功補償后提高功率因數，達到節約電能的目的。

參考文獻

[1]黃純華，葛少云.工廠供電（第二版）[M].天津大學出版社，2001.

[2]顧繩谷.電機及拖動基礎（第二版）[M].機械工業出版社，1999.

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[4]張婉琳，蔣松輝.無功補償對節能的意義[J].應用能源技術，2007（1）.

[5]葛麗娟，王威，傅強.電容器在電壓調整和功率因數提高中的作用原理分析[J].內蒙古農業大學學報，2006.

[6]李小安.配電變壓器無功功率的消耗與節能[J].電工技術：節能技術，1999.endprint

2.3 降低功率損耗和電能損失

2.3.1 原理概述

在三相電力系統中，功率損耗ΔP=3I2R=P2R/[U2（cosφ）2]，電能損耗ΔW=ΔP×t，由此可見，當無功功率得到補償使得功率因數提高后（cos？準增大），將使功率損失大大下降，從而電能損失也大大下降。因為線路和變壓器的功率損耗與通過的電流平方成正比，在P一定的情況下，如果cos？準小，則I增大，功率損耗和電能損耗隨著增大，年運行費用增加。

2.3.2 定量分析

2.4 提高設備出力

由于有功功率P=S·cos？準，當設備的視在功率一定時，如果功率因數cos？準提高，有功功率P也隨著增大，可見設備的有功出力也就提高了。即：當無功功率在就地得到補償，就地平衡后，負荷所需的無功功率就不用從電源索取了，流經線路的無功電流減小了，設備（線路及變壓器）原來被無功所占用的那部分容量釋放出來均可提供有功功率，從而設備利用率提高了，也提高了設備出力，可以充分挖掘原有設備潛力。

對于原有供電設備來講，在同樣有功功率下，因功率因數的提高，負荷電流減小，因此向負荷傳送功率所經過的變壓器、開關和導線等供配電設備都增加了功率儲備，從而滿足了負荷增長的需要；如果原網絡已趨于過載，由于功率因數的提高，輸送無功電流的減少，使系統不至于過載運行，從而發揮原有設備的潛力。

對于尚處于設計階段的新、改、擴建工程項目，充分考慮無功補償則能降低設備容量，減少投資費用，在一定條件下，無功補償后改善了的功率因數可以使所選變壓器容量降低和所選導體線徑規格下降。因此，使用無功補償，不但減少初次投資費用，而且減少了運行后的基本電費。

3 無功補償措施

3.1 高壓集中補償

集中補償是將電容器設置在總降壓變電所內，將電容器組接在高壓母線上，補償容量僅需按照變、配電所的總負荷選擇。這種補償方式的優點：電容器組的利用率非常高，投資費用少，便于管理和維護保養；缺點：僅減輕了供電電網的無功功率，不能減少工廠內部配電網絡的無功負荷。對于補償容量相當大的工廠，多采用高壓集中補償和低壓分散補償相結合的方式。

3.2 低壓分散補償

分散補償的電容器組一般接在各車間低壓配電母線上，其利用率較高，投資費用省，但只能補償受電變壓器及變配電所至車間的供電線路上的無功功率，是一種比較經濟合理的補償方式，在中小型工廠應用較為普遍。

3.3 低壓個別補償

低壓個別補償是指將電容器直接安裝在用電設備附近，與用電設備同時投入運行和斷開。此種補償方式可以最大限度的減少系統中流過的無功電流，補償效果最好。缺點是總投資費用大，電容器的利用率低，易受機械振動和環境的影響。對于連續運行的大容量設備，宜采用低壓個別補償。

4 由無功補償提高功率因數而想到的節能措施

4.1 正確選擇電氣設備

（1）選氣隙小，磁阻小的電器設備。如盡量選擇鼠籠型電動機。

（2）同容量下選擇磁路體積小的電氣設備。

（3）電動機、變壓器的容量選擇要合適，盡量避免欠負載運行。因欠載時P和I減少，會造成cos？準減小。

（4）不需要調速，持續運行的大容量電動機，有條件時可選擇同步電動機，使其過激磁運行，提供超前無功功率（-Q）進行補償，使電網總的無功功率減少。

4.2 電氣設備合理運行

（1）消除嚴重欠載運行的電動機和變壓器。對于變壓器，當其平均負荷小于額定容量的30%時，應更換變壓器或調整負荷；對于負荷小于40%的感應電動機，在能滿足啟動、工作穩定性等要求條件下，應以小容量電動機更換或將原三角形接法的繞組改為星形接法，降低激磁電壓。

（2）合理調動安排生產工藝流程，限制電氣設備空載運行。

（3）提高異步電動機的維護檢修質量。因為異步電動機定子繞組匝數的變動和電動機的定子、轉子間的氣隙變動時對異步電動機無功功率的大小有很大的影響。所以應提高檢修質量，使其電磁特性符合標準。

（4）進行技術改造，降低總的無功功耗。如改造電磁開關使其無壓運行，即電磁開關吸合后，電磁鐵合閘電源切除仍能維持開關合閘狀態，減少運行中的無功功耗。

（5）做好變壓器的散熱工作。變壓器繞組的電阻隨著溫度的升高而增大，對于同一臺變壓器在同一負載下，如果溫度越低，損耗也越低。因此，應做好變壓器的散熱工作，降低變壓器的溫度。

5 結束語

文中集中探討了無功功率補償對工廠供配電系統中低壓配電網的影響以及所帶來的經濟效益和社會效益，介紹了無功補償的原理、效益及方法，并提出了在選擇電氣設備和合理運行電氣設備方面的具體措施，確保采用無功補償后提高功率因數，達到節約電能的目的。

參考文獻

[1]黃純華，葛少云.工廠供電（第二版）[M].天津大學出版社，2001.

[2]顧繩谷.電機及拖動基礎（第二版）[M].機械工業出版社，1999.

[3]郭仲禮.高壓電工技術問答[M].中國電力出版社，2002.

[4]張婉琳，蔣松輝.無功補償對節能的意義[J].應用能源技術，2007（1）.

[5]葛麗娟，王威，傅強.電容器在電壓調整和功率因數提高中的作用原理分析[J].內蒙古農業大學學報，2006.

[6]李小安.配電變壓器無功功率的消耗與節能[J].電工技術：節能技術，1999.endprint