博物館供配電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償實(shí)踐探索
——以太原市博物館為例

（太原市博物館，山西太原 030002）

博物館作為一個大型的單體建筑，是人們通過文物學(xué)習(xí)歷史，感受歷史，陶冶情操的公共活動場所。在博物館越來越大型化的今天，用電設(shè)備也越來越多，對電能的質(zhì)量也提出了更高的要求，這樣一來，和電能質(zhì)量有關(guān)的無功功率以及無功補(bǔ)償問題就引起了人們的重視，越來越值得我們深思。有功功率和無功功率是交流電路中的兩種電功率。保證設(shè)備的正常運(yùn)行，將電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量的功率稱為有功功率，有功功率的符號用P表示，單位有瓦(W)、千瓦(kW)。無功功率的概念則比較抽象，當(dāng)前多數(shù)用電設(shè)備如電動機(jī)、配電變壓器等是將電磁感應(yīng)原理作為依據(jù)進(jìn)行工作的，它們傳遞和轉(zhuǎn)換能量需要通過交變磁場的建立才能順利進(jìn)行，在此期間感應(yīng)磁通和交變磁場建立所需的電功率即無功功率。無功功率并不是指該電功率沒有用處，只是它無法轉(zhuǎn)換成其他形式的能量，在交流電路中同樣不可缺少[1]。無功功率的符號用Q表示，單位為乏(Var)或千乏(kVar)。在博物館中，因季節(jié)性的原因以及需求的不同，許多用電設(shè)備負(fù)荷率低，甚至處于輕載的狀態(tài)，導(dǎo)致功率因數(shù)處于較低的范圍。功率因數(shù)不高，最直接的結(jié)果就是電能的浪費(fèi)。因此，采用無功補(bǔ)償以提高功率因數(shù)，可節(jié)約電能，減少運(yùn)行費(fèi)用，提高電能質(zhì)量，符合節(jié)約能源的國策，與此同時(shí)也可減少博物館的運(yùn)行經(jīng)費(fèi)，帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

1 太原市博物館建筑概況

太原市博物館主要由1#～4#展覽樓、5#辦公樓、庫區(qū)及設(shè)備用房組成。其中1#～4#展覽樓：地上4層（局部5層）；地下一層，層高6.4 m。5#辦公樓：地上5層，首層層高6 m、2～4層層高4m、5層層高5.95 m；地下一層，層高6.4 m。總建筑面積約51 629 m2，建筑高度為23.95 m。

2 高/低壓變配電系統(tǒng)

在博物館總變配電室設(shè)一組高壓開關(guān)柜，由雙路高壓10kV電源供電。兩路10kV(50Hz)電源分別從上級兩個110kV站引來。兩路10kV電源全主全備（每路均可帶全負(fù)荷）。兩路10kV電纜從建筑物北側(cè)及東南側(cè)分別引入博物館地下一層總變配電室，再由總變配電室兩段不同高壓母線段下，各引出一路10kV電源，引至制冷站變配電室。

在博物館總配電室設(shè)置4臺帶節(jié)能型機(jī)械風(fēng)冷的H 級絕緣SCB10 干式變壓器（帶外罩），變壓器容量為4×1 250=5 000kVA。制冷配電室設(shè)置2臺SCB10干式變壓器（帶外罩），變壓器容量2×800=1 600kVA，變壓器容量合計(jì)6 600kVA。

總配電室設(shè)置兩組低壓抽屜式組合開關(guān)柜，每組低壓柜設(shè)置2臺變壓器，每組低壓柜的供電運(yùn)行方式為單母線分段互為聯(lián)絡(luò)，平時(shí)兩臺變壓器同時(shí)運(yùn)行，聯(lián)絡(luò)柜處于斷開狀態(tài)。任何一路變壓器發(fā)生故障時(shí)，中間的母聯(lián)柜自動延時(shí)閉合。制冷配電室設(shè)置一組低壓抽屜式組合開關(guān)柜，由2臺變壓器供電，運(yùn)行方式同總配電室。無功補(bǔ)償柜位于每組低壓柜的電源側(cè)，采用低壓干式電容器做為補(bǔ)償方式，運(yùn)行方式為自動循環(huán)投切，同時(shí)設(shè)有過電壓自動切除保護(hù)裝置保障電容器的安全運(yùn)行。

3 博物館無功功率消耗的主要原因

（1）電路中純電阻負(fù)載較少，大部分是電感性設(shè)備，用電端最普遍的電感設(shè)備是異步電動機(jī)，異步電動機(jī)的運(yùn)行將需要消耗較多的無功功率是由它的工作原理所決定的[2]。在太原市博物館中擁有異步電動機(jī)的設(shè)備有許多，主要有暖通空調(diào)設(shè)備，給排水消防、給水設(shè)備兩部分。暖通空調(diào)設(shè)備主要有：離心式冷水機(jī)組、螺桿式冷水機(jī)組、冷卻塔風(fēng)機(jī)、冷卻水循環(huán)泵、冷水循環(huán)泵、空調(diào)采暖熱水系統(tǒng)板式換熱機(jī)組、加壓送風(fēng)用的軸流風(fēng)機(jī)、組合式空調(diào)機(jī)組、組合式恒溫恒濕空調(diào)機(jī)組、變頻多聯(lián)機(jī)、離心式風(fēng)機(jī)箱。給排水消防、給水設(shè)備主要有：變流穩(wěn)壓泵。除此之外，電熱風(fēng)幕、電開水器、電熱水器、電伴熱以及帶整流器的照明都會消耗無功功率。

（2）變壓器是供電端最重要的電感設(shè)備，它的工作原理是電磁感應(yīng)，主要靠消耗無功功率和磁場進(jìn)行能量互換，它的工作運(yùn)行必將消耗無功功率，否則，電壓將無法升壓或降壓，變壓器也就無法正常工作。然而，變壓器無功功率消耗的最主要原因是空載或輕載運(yùn)行。由此可見，盡量避免變壓器的空載及輕載運(yùn)行可以減少其無功功率的消耗，從而提高系統(tǒng)的功率因數(shù)[2]。太原市博物館制冷配電室兩臺變壓器只有在制冷季，即北方為6月份、7月份、8月份才會滿負(fù)荷運(yùn)行，其他時(shí)間幾乎處于空載狀態(tài)。

4 系統(tǒng)自然功率因數(shù)的提高方法

管理產(chǎn)生效益，最經(jīng)濟(jì)同時(shí)也是最佳的提高系統(tǒng)自然功率因數(shù)的方法是通過管理或技術(shù)手段減少用電端無功功率的消耗，無功損耗降低的同時(shí)也就減少了電能的消耗。可以采用如下幾種方法來提高系統(tǒng)的自然功率因數(shù)。

（1）合理選擇電動機(jī)容量，使其接近于滿載運(yùn)行。通常當(dāng)異步電動機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，其功率因數(shù)為0.2～0.3，滿載運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)為0.7～0.9；（2）提高異步電動機(jī)的檢修質(zhì)量，防止零件間隙加大；（3）逐步淘汰帶鎮(zhèn)流器的照明燈具，替換為LED 燈具；（4）提高變壓器的負(fù)荷率。變壓器運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)由負(fù)載的功率大小、負(fù)載的功率因數(shù)及變壓器的負(fù)載量和無功補(bǔ)償情況綜合決定。對季節(jié)性負(fù)載率幾乎為輕載的變壓器，可以采用停機(jī)的方法達(dá)到提高系統(tǒng)自然功率因數(shù)的目的[3]。

5 無功補(bǔ)償方式的分類

（1）個別補(bǔ)償。個性化定制電容器組的數(shù)量，分別補(bǔ)償每個用電設(shè)備的無功功率，并且與設(shè)備共同運(yùn)行和停止。一些耗電量比較大的生產(chǎn)設(shè)備適用于此種補(bǔ)償方式。這種補(bǔ)償方式可大大提高無功補(bǔ)償?shù)男省Ｐ枰⒁獾氖牵@些大型設(shè)備會產(chǎn)生高次諧波，在使用個別補(bǔ)償后會加大這種高次諧波，從而降低供電的質(zhì)量，甚至?xí)χ車恍┰O(shè)備造成損壞。所以，這種補(bǔ)償方式不能使用大容量電力的電子裝置。

（2）低壓補(bǔ)償。在變壓器的低壓側(cè)配置無功補(bǔ)償柜，通過電容器的投切控制無功補(bǔ)償?shù)娜萘浚哂惺謩印⒆詣庸δ埽鋫錈o功補(bǔ)償控制器以保護(hù)電容器的正常運(yùn)行。優(yōu)點(diǎn)：接線簡單，運(yùn)行維護(hù)成本低、工作量小，能夠有效地提高補(bǔ)償效率，經(jīng)濟(jì)性較高。該方法是目前無功補(bǔ)償中較常用的一種，太原市博物館采用此種方式進(jìn)行無功補(bǔ)償。

（3）高壓補(bǔ)償。在6～10kV高壓母線上直接裝設(shè)電容器，具有一定的補(bǔ)償功能，可降低無功的消耗，一般用于用電設(shè)備距離遠(yuǎn)、范圍大的特殊情況。該方式的補(bǔ)償范圍非常有限，不能補(bǔ)償6～10kV母線后的線路而只能補(bǔ)償在6～10kV母線前所有線路的無功功率。該補(bǔ)償方式的補(bǔ)償效果較差，但是這種補(bǔ)償方式施工比較簡便，成本較小且方便后期的運(yùn)行管理[4]。

6 太原市博物館無功補(bǔ)償系統(tǒng)

太原市博物館無功補(bǔ)償系統(tǒng)采用電容器無功自動調(diào)諧補(bǔ)償裝置，總配電室4臺變壓器低壓側(cè)各設(shè)置一臺無功補(bǔ)償柜，每臺無功補(bǔ)償柜有10個回路，電容器為正泰自愈式低電壓并聯(lián)電容器，產(chǎn)品型號：BZMJ0.4-40-3，設(shè)備容量400kVar（10路）。每臺無功補(bǔ)償柜配置一個智能型低壓無功功率自動補(bǔ)償控制器，型號為：正泰NWK1-G，實(shí)現(xiàn)每個回路的自動循環(huán)投切。制冷配電室2臺變壓器低壓側(cè)各設(shè)置一臺無功補(bǔ)償柜，每臺無功補(bǔ)償柜設(shè)備容量為250kVar（10路），其他配置與總配的無功補(bǔ)償柜相同。通過本系統(tǒng)使太原市博物館供配電系統(tǒng)功率因數(shù)大于0.9，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保的目的。

7 無功補(bǔ)償?shù)淖⒁馐马?xiàng)

（1）切忌過補(bǔ)償，補(bǔ)償容量過大會造成資源的浪費(fèi)，也是種極不經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式。當(dāng)變壓器空載或輕載運(yùn)行時(shí)易發(fā)生過補(bǔ)償?shù)那闆r，發(fā)生后輕則導(dǎo)致電壓升高，重則致使無功倒送的情況發(fā)生[5]。電源電壓升高會使電氣元件不能正常工作，嚴(yán)重還會導(dǎo)致電容器等電氣元件的損壞，長期過電壓會對整個系統(tǒng)造成不可預(yù)估的損傷。無功倒送使線路損耗增加，嚴(yán)重還會導(dǎo)致整個供配電系統(tǒng)的損耗增加，有功功率減少，不經(jīng)濟(jì)。

（2）防止受到系統(tǒng)諧波影響。電容器非常脆弱，系統(tǒng)內(nèi)過多的諧波污染對電容器會產(chǎn)生不利的影響，輕則使電容器的壽命縮短，重則直接損壞。在供電回路中串聯(lián)電抗器可有效應(yīng)對線路中的諧波污染，保護(hù)電容器不受損壞。

（3）無功補(bǔ)償裝置在投入運(yùn)行前具體要求如下：①整體設(shè)備要打耐壓試驗(yàn)。②清掃設(shè)備周圍異物。③電壓不平衡（取自高壓無功補(bǔ)償柜端子排端子）保護(hù)要整定后投入使用。④建議投入時(shí)先空載投入，沒有問題之后再帶負(fù)載投入。

8 無功補(bǔ)償給我們帶來的好處

（1）節(jié)約電能降低電費(fèi)。無功補(bǔ)償后，有功功率增加，可有效節(jié)約電能。降低電費(fèi)支出分2個方面：一方面因線損降低而節(jié)約電費(fèi)；另一方面通過合理的補(bǔ)償，使系統(tǒng)的功率因數(shù)達(dá)到《功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)辦法》的要求，可以減少力率電費(fèi)，甚至得到獎勵，從而使電力用戶電費(fèi)支出大幅度降低。

（2）提高設(shè)備的利用率。無功補(bǔ)償后，功率因數(shù)得到提高，降低了線路的電流值，系統(tǒng)內(nèi)各供配電設(shè)備都有了更多的冗余量，從而有效提高了各電氣元件的利用率。

（3）降低線路損耗減少系統(tǒng)的能耗。合理的補(bǔ)償可以有效地降低線路電流，通過無功補(bǔ)償將系統(tǒng)功率因數(shù)提高，線路電流將下降，即線路損耗降低。由于線損降低而節(jié)約的能耗是相當(dāng)可觀的，因此通過無功補(bǔ)償?shù)姆绞絹斫档途€路電流、減小線損是重要的節(jié)能措施。

（4）提高端電壓改善電壓質(zhì)量。由于大量感性無功電流流過供電線路，造成供電線路壓降過大，尤其在供電線路末端更為嚴(yán)重，通過就地?zé)o功補(bǔ)償使無功就地平衡，可以有效地緩解線路壓降，改善電能質(zhì)量。對于供電線路末端電壓較低的情況，可通過增加無功補(bǔ)償裝置來提升線路末端電壓，使用電設(shè)備安全可靠運(yùn)行[6]。

在太原市博物館10kV開關(guān)站配電系統(tǒng)中，設(shè)備計(jì)算有功功率5087 kW，無功功率2 041 var（四組400kVar加兩組250kVar 無功補(bǔ)償裝置補(bǔ)償后），視在功率5 481kVA。在無功補(bǔ)償系統(tǒng)投入前2018年1月功率因數(shù)只有0.82，而在投入后2019年1月功率因數(shù)則提高到了0.95。由此可見，博物館越來越大型化數(shù)字化的今天，隨著用電設(shè)備的增多，功率因數(shù)的高低是反映供配電系統(tǒng)健康與否的重要標(biāo)志，它的提高對于博物館電能的節(jié)約，變配電設(shè)備供電能力的提高具有十分重要的意義。