淺談無功補償在配電系統中的應用

劉玉峰(西藏玉龍銅業股份有限公司，西藏 昌都 854000)

淺談無功補償在配電系統中的應用

劉玉峰(西藏玉龍銅業股份有限公司，西藏 昌都 854000)

合理進行無功補償以提高功率因數對于減少用電量、提高供電品質有重要的作用。本文通過對工程設計中無功功率補償的原理的介紹，闡明了無功補償在低壓配電系統中的意義。對工程設計中常見的無功補償方式進行了介紹，并對低壓電容器補償容量的計算進行了探討。

無功補償； 功率因數； 補償容量

1 前言

隨著經濟發展水平的不斷提高，工業化進展加快，工業電力需求也在日益增加。在工業供配電系統中，大量的電力負荷是感性負荷，因此整體自然功率因數較低，占用電網容量和導線截面，造成大量的電能損耗。無功負荷是為了維護電源與用戶的設備之間磁場和電場振蕩所需要的能量，因此，在實際供配電系統中要保持有功和無功功率的平衡，充分利用設備的容量，提高網絡傳輸能力。無功補償技術在配電系統的合理利用有利于節約電能和提高供電質量，這樣不僅可以降低能耗成本,而且有助于緩解能源供應和建設壓力,對減少廢氣污染保護環境也有重大的現實意義。

2 影響功率因數的因素及無功補償原理

2.1 影響功率因數的因素

(1)感性負荷。在工業生產中，大量變壓器、電機等感性負荷被利用，這些感性負荷自然功率因數較低，同時在實際運行過程中，設備長期運行在低負荷狀態下，較高負載率時損耗更大，功率因數更低。

(2)供電電壓不穩。在工業生產中，大型設備較多，啟停頻繁，供配電系統電壓不穩。當供電電壓較高時，由于設備和線路磁路飽和的影響，功率因數會降低。當供電電壓降低時，功率因數會提高，但此時會影響設備正常工作。

(3)變頻設備的影響。為了提高設備利用率，大量變頻器投入使用，由于選擇不當，變頻器工作時產生高次諧波，消耗更多的無功功率，導致功率因數降低。

2.2 無功補償原理

把具有容性功率負荷的裝置與感性功率負荷并連接在同一電路，能量在兩種負荷之間相互交換。這樣，感性負荷所需要的無功功率可由容性負荷輸出的無功功率補償。在實際運行時，一般根據電網中的無功類型，人為設置感性或者容性無功來抵消不必要的無功功率，已達到提高功率因數、減少損耗的目的。

3 無功補償意義

3.1 減少供配電系統的損耗

(1)

恒定有功功率條件下，假定cosφ1=0.7，根據電力部門電費調整相關規定，調整功率因數至0.92，即cosφ2=0.92，則計算損耗率為ΔP%=42%。

3.2 減少發變電設備的設計容量

P=S1×cosφ1=S2×cosφ2

(2)

3.3 提高供配電系統利用率(增容)

由于設備選型時留有一定的裕量，電動機等設備負載率較低，通過無功補償，提高功率因數后，可以發揮設備潛能，提高變壓器、電動機等設備的負載率，減少投資，提高供電能力。供配電系統增容率為：

(3)

假定系統負荷自然功率因數為0.7(cosφ1=0.7)，采用無功補償，調整功率因數至0.93，即cosφ2=0.93，則供配電系統增容率為：

3.4 減少線路電壓降 改善電網質量

線路電壓損失ΔU的計算公式為：

(4)

線路中輸送的有功功率不變，且線路總電阻R、感抗XL均為定值，提高功率因數后，cosφ增加，tanφ減小，因此線路壓降減少，從而提高了電壓質量。

4 無功補償的方式

電網中無功功率必不可少，各級電網和輸配電設備均要消耗一定的無功功率，常規系統中無功功率損耗比有功功率損耗大得多，但是采用無功補償技術提高功率因數可以減少損耗，穩定電壓。根據無功補償的地點不同，無功補償通常采用的方式為：集中補償、分散補償及就地補償。根據動態響應時間的不同，無功補償分為：靜態補償、快速補償及動態補償。

4.1 集中補償和分散補償及就地補償

就地補償是指補償裝置與用電設備配置在一起，設備運行則補償裝置投入使用，具有投資少，占地面積小，不會出現無功倒送現象。分散補償是指在車間或者末端配電盤柜上設置補償裝置補償，分散補償可以實現無功負荷分區平衡，減少無功功率在變配電站以下配電線路中的流動，使內部線損顯著降低。但較集中補償投資大，不便管理。集中補償利于控制用戶本身的無功潮流，避免受電力網的電壓變化或負荷變化而產生過大的電壓波動。

4.2 靜態補償和快速補償及動態補償

國際上一般把響應速度小于0.1s的稱為動態補償，響應速度在0.1～5s的稱為快速補償，響應速度在5s以上稱為靜態補償。動態補償開關電器執行部分采用可控硅投切，一般采用半導體開關電器，而靜態補償開關電器執行部分采用交流接觸器投切。

4.3 無功補償方式選擇

無功補償一般遵循以下原則：補償容量要達標，分級補償就地平衡；高壓補償與低壓補償相結合，以低壓補償為準；集中補償與分散補償相結合，以分散補償為主。

對無功功率進行補償的效果是有目共睹的，選擇補償方式應該從技術、經濟上綜合考慮，決定是采用高壓補償還是低壓補償，具體是集中補償還是分散補償，還是綜合采用，從而達到提高功率因數、降低配網損耗、提高電壓質量的目的。

5 低壓電容器補償容量的確定

企業的無功補償在企業建設時應統籌考慮，對一些大型電動機如球磨機、空壓機等首先應考慮采用同步電動機，使整個企業的功率因數獲得一個比較高的數值，在此情況下，企業總配電站可能不增設電容器無功補償。但是在廠區內低壓線路部分，為了減少電網中的電能損耗，一般應考慮合理的無功補償。

現在低壓無功補償一般均采用干式自愈式并聯電容器，在實際使用過程中，由于受負荷情況、自然環境的影響，電容器容量每年均會有一定的下降，因此實際設計時要考慮一定的裕量，以抵消電容器容量衰減的影響，以避免出現欠補償情況的出現。

5.1 經驗系數法

Qc=Kβ×Wc

(5)

式中：Qc——補償容量；

Wc——配變容量；

Kβ——經驗系數。

傳統設計中，一般按照變壓器容量的1/3來確定補償容量，該經驗法是基于變壓器負載率在70%～80%區間內，在實際配置時，應該考慮負載率及負荷性質，同時考慮到裕量，Kβ合理設置區間應該為0.5～0.6，而對于負載率較低或者感性負荷小的供配電系統，Kβ=0.4。

5.2 公式計算法

根據補償地點的不同，選擇不同的計算公式。

(1)就地補償公式：

(6)

式中：ICN——電動機額定電流，A；

cosφN——電動機自然功率因數；

UN——電動機額定電壓，V。

(2)集中補償公式：

(7)

式中：S1——計算視在容量；

cosφ1——補償前功率因數；

cosφ2——補償后功率因數。

6 結語

電力電網中的負荷大多為感性負荷，電網需要向這些設備提供必要的無功功率，因此電網中無功功率的損耗必不可少，在電網中安裝無功補償裝置可以提高電網的功率因數，減少供配電系統的損耗，改善電壓質量。所以無功功率補償裝置是電力供電系統中一個非常重要的環節。

容量較大、經常使用的平穩負荷宜采用就地補償。而對于波動較大且諧波含量高的負荷，宜采用動態補償加濾波方式。在選擇補償容量時，應充分考慮元件衰減的因素，考慮一定的裕量。但裕量不宜過大，造成過補償，系統處會出現容性無功電流，增加系統損耗。

Application of reactive compensation in power distribution system

Suitable reactive power compensation has an important role in reducing electricity and improving power supply quality. Through introducing the principle of reactive power compensation in engineering design, the significance of reactive power compensation in low voltage distribution system was expounded. The common ways of reactive power compensation in engineering design were introduced, and the calculation method of compensation capacity of low voltage capacitor was discussed.

reactive power compensation; power factor; compensation capacity

TD714.3

A

劉玉峰(1970-)，男，山東單縣人，電氣管理工程師，從事有色金屬資源開發工作。