民用建筑配電系統中無功功率補償分析

王 斌

（新疆維吾爾自治區建筑設計研究院，烏魯木齊 830002）

合理的民用建筑配電系統為民用建筑提供了安全、可靠和經濟的電能。由于在民用建筑配電系統中，使用了大量的感性用電設備，特別是一些大型的商場、辦公樓等常常使用大量的電感型鎮流器熒光燈照明，由于電流在電容元件和電感元件中做功時，電容電流與電感電流矢量方向相差180°，而單相感性負荷變化隨機性大，本身的功率因數較低，如熒光燈功率因數僅為0.6～0.8，造成電路能源的浪費，同時也容易使民用建筑三相負載的不平衡。

在配電系統中加入無功補償裝置對無功功率進行補償是提高電路有效功率的主要途徑，常用的方法是在感性負荷中并聯電容器，使感性符合與容性負荷之間進行負荷交換，減小電流矢量與電壓矢量之間的夾角，從而提高系統的功率因數，改善民用建筑配電系統三相負載的平衡。

1 民用建筑配電系統設計和安裝的基本要求[1]

1）合理的民用建筑配電系統首先要遵循安全性和可靠性原則，以保障供電設備維修人員的安全、居民的正常生活和建筑物內部結構穩定，避免引發火災等安全事故。

2）民用建筑配電系統要根據室內空間的布置情況及用電設備的類型，合理的對室內電熱水器、浴霸等用電設備配置合理的單相兩極插頭或三極插頭及配套開關等[2]。

3）民用建筑中要對每棟樓的進線斷路器設置漏電保護，并合理的選擇斷路器極數和漏電動作電流等技術參數。以便在出現故障時及時斷開其所保護的所有帶電導線，防止發生電氣災害。

4）設計和安裝民用建筑配電系統時要盡可能使用經濟環保、實用的配電設備，合理配置資源，充分發揮配電設備的作用，減少能源對環境造成的不利影響，必要時要考慮一些環保節能的民用建筑應急供電設備，如太陽能儲電設備，輔助性供電設備等。

5）現代智能化民用建筑電力負荷較高，建筑內部耗費電能較大，很容易引發斷電和火災等事故，在民用建筑配電系統中建立大型的發電機組等一些輔助電源設備，以及配備專門的消防通道以及電源轉換設備，是現代化民用建筑的基本要求。

2 民用建筑配電系統的接線方式

用電設備根據其重要性由高到低分為一級負荷、二級負荷和三級負荷，民用建筑配電系統的接線方式主要有放射式、樹干式和環狀式三種類型。

1）放射式是指從配電母線上直接引出用電設備所需要的供電回路，適用于對二、三級負荷或專用設備配電，如另外配備了獨立備用電源，則可對一級負荷供配電。該方式具有線路敷設簡單、配電設備集中、操作維護方便，保護容易，線路故障影響范圍小，供電可靠性高等優點，缺點是母線出線回路較多，所需配電設備較多。

2）樹干式則是由配電母線引出的一路配電干線，用電設備則從配電干線上接出若干支線的供電方式，具有線路敷設簡單、投資少等優點，但供電可靠性相比放射式接線方式較差，一般適用于二、三級負荷供電。

3）環狀式是把兩路樹干式線路聯絡起來構成環狀，一般由兩條回路電源同時工作開環運行，也可以將其中一條回路作為備用，供電可靠性較高，檢修電力線路時可對電源和故障點進行切換，但其保護裝置和整定配合都比較復雜，一般適用于用電設備的布置比較均勻，容量不大，無特殊要求的場合對二、三級負荷供電。

3 無功功率補償技術的應用

配電網的輸出功率包括直接轉化為被人們生活中使用的有功功率和無功功率。電能在輸電線路上的傳輸遵循以下公式

輸電線路上有功功率的損耗為

式中，其中，U1、U2為線路起點和終點電壓，P1、P2為起點和終點有功功率，Q1、Q2為起點和終點無功功率，R和X分別是輸電線路的電阻和電抗。

式（1）、式（2）表明，當R、X、U1、U2、P1、P2不變時，無功功率Q1、Q2的減少可以使線路電壓和功率損耗降低，從而提高電能質量。

常見的無功補償方式有三相電容自動補償、分相電容自動補償和混合補償三種。

1）三相電容自動補償方式的原理是從三相中任意一相中取得無功功率的采樣信號，并根據結果需要，將三相中的電容投切掉相同的數量，這種方式應用最廣泛，具有結構簡單，投資小等特點，非常適宜在負荷平衡的系統中使用。但在負荷不平衡的系統中，使得未檢測采樣信號的其他兩相補償精度較低，產生過補償或者欠補償現象。

2）分相電容自動補償方式則分別對每相的電流和電壓進行檢測，獨立的對每相感性負載的大小和功率因數的高低進行相應的無功功率補償。這種方式有效避免了欠補償和過補償的情況，資源的利用效率大大提高，減少了線路損耗，是解決三相不平衡較好的方法,但是具體實現方式較為復雜，隨著近年來低壓補償電容器技術和制造質量穩步提升，自動投切裝置的質量和可靠性不斷提高，促進該方式在民用建筑配電系統中得到推廣[3]。

3）混合補償方式將三相電容自動補償方式與分相電容自動補償方式結合起來，根據檢測的結果，自動選擇進行無功功率補償的方式，以便提高資源的利用率。

4 無功功率補償技術的選擇

表1是某地一棟6 層的采用電感類熒光燈照明的綜合性大樓，功率因數為0.65，根據相關要求，功率因數需要補償到0.9，在采用三相集中電容補償方式和分相電容自動補償方式后經過測試的比較結果。

表1 無功功補償技術的比較

根據表1可知，采用兩種方式所使用配電箱數量相同，而分組自動補償所使用配電箱尺寸較大，總容量較高，減少了供電線路、開關的投資，此外，分組自動補償還可以配制智能控制器以及通信接口以實現遠程實時檢測和計算機聯網管理，檢測和維護都較方便。

另一方面，配電網視在功率由下式確定：

式（3）表明，若有功功率不變，提高功率因素可以減少無功功率和配電系統的容量。該綜合樓在提高功率因素后的設備使用率提高比率是

由于

則線路損耗降低比率是：

即補償后線路損耗降低了52.2%，節能效果顯著。

總之，民用建筑配電系統的無功功率補償方式各有優缺點，設計和安裝人員要根據電網的具體情況，全面了解決所需補償線路的負荷特點、三相間 的電壓不平衡程度等，制定合理的補償方案，將電網中的無功損耗降至最低。

5 結論

民用建筑配電系統的設計和安裝的基本要求與商業建筑不同，要全面考慮民用建筑的使用性能和結構特點，盡可能考慮到所有的不利因素，不斷完善設計和安裝方案，保證民用建筑配電系統的可靠、穩定運行。同時，要結合具體情況合理的采用無功功率補償方式，以提高系統的功率因數，由于民用建筑配電系統負荷存在較為嚴重的不平衡，采用分相電容補償方式效果較好，有效的解決了線路中無功電流增大、相應配電線路截面及開關容量加大、安裝分散、補償投資成本大、后期維修量大、維修困難等問題。

[1] 徐志強.建筑電氣設計基礎[M].廣州: 華南理工大學出版社,2009.

[2] 吳敏.剩余電流保護電器及其應用[J].重慶工貿職業技術學院學報,2011(3): 40-43.

[3] 謝燕林.淺談民用建筑工程低壓配電系統無功補償[J].科技與企業,2011(6): 71-72.