電氣設備中的無功功率補償

安徽理工大學電氣與信息工程學院 袁 昕 劉 旭

我們生活中常見的電動機、變壓器都利用了電磁感應原理，將電能轉化為機械能。但是在兩種能量的轉化過程中需要依靠交變磁場來實現響應的轉化目的，也就是說電能和機械能不能直接進行轉換。交變磁場以及感應磁通過程中消耗的功率就是無功功率，但是這里所指的無功功率與物理中的無用功率是兩個概念，物理中的無用功率主要是指消耗的能量以熱能的形式排放，之所以被稱之為無用功率其實就是沒有任何顯示意義。不過無功功率與機械能、熱能之間都不存在轉化關系，但是無功功率卻是很多用電設備正常工作所需的；如果供電系統中存在無功功率供應不足的情況就會導致用電設備無法正常工作。

1 無功功率補償的目的

1.1 影響功率因數的主要因素

（1）在整個電力系統中對于無功功率需求較大的設備就是電感性設備。這些設備主要以感應電爐、異步電動機為主，因此要想解決無功功率不足的問題不能夠僅僅通過提高電力系統的無功功率供給來進行解決，因為這種解決方式將帶來較大的資金消耗，違反了經濟性原則，必須要對這些設備的運行狀態以及相關特征進行透徹的研究與分析，然后再根據分析的結果來確定解決無功功率需求不足的問題。通過對用電部門發布的調查數據報告進行分析可知異步電動機在工礦企業中所消耗的無功功率占到了70%；對于異步電動機而言，運行狀態下如果沒有與負載進行連接其內部的無功功率占總功率的百分比大概為70%。因此解決異步電動機功率因素低的方法就是增加異步電動機的負載，企業的設備管理人員需要避免異步電動機長期處于空載狀態。

（2）對于變壓器而言其運行狀態下無功功率所占的比例一般在10%～15%之間，變壓器處于滿載狀態下消耗的無功功率是空載狀態下的3倍。所以要想緩解電力系統的供電壓力以及增加用電設備的功率因素就需要對變壓器的運行狀態進行控制，避免其處于空載狀態。

（3）如果輸入用電設備的電壓大于設備的額定電壓就會導致用電設備的功率因素下降。根據檢測的結果可知，如果供電系統輸送給用電設備的電壓值超過額定電壓的10%就會使得用電設備消耗的無功功率上升35%，造成這一現象的主要原因是磁路飽和。雖然電力系統中的供電電壓值比用電設備額定電壓值小時會使得功率因素增加，而且消耗的無功功率也會降低，不過用電設備的輸入電壓不能夠達到額定值就會導致其功能受到干擾，不具備正常運轉的能力，這顯然是不可取的一種解決方法。只有將供電電壓控制在一定的范圍內，避免其出現較大范圍的浮動才是正確的解決方法。

1.2 提高自然功率因數的方法

對于自然功率因素的增加主要是通過科學的管理方法以及技術手段來實現的，而無須購買補償設備。相對于其他提高自然功率因素的方法而言，其主要的優勢在于成本非常低。主要有以下幾種方法：

（1）嚴格遵循電動機使用手冊來進行電動機的使用以及日常維護。

（2）定期對異步電動機進行維修，確保其處于正常的運轉狀態。（3）盡可能的選擇同步電動機來代替異步電動機。

2 無功補償方法

2.1 無功功率的人工補償裝置

并聯電容器是工程實踐過程中比較常見的一種進行無功功率補償的方法。主要包括三種并聯電容器的補償方法：

（1）高壓集中補償電容器的安裝位置是高壓電容器室中，而且直接和高壓母線連接。

（2）低壓集中補償電容器的安裝位置是低壓容器中，而且直接和低壓母線進行連接。一般選擇放電電阻以及指示燈作為放電口。

（3）低壓分散補償電容器的安裝位置是與低壓配電箱連接在一起，還有另外一種連接方式就是和用電設備進行并聯。該裝置主要是通過用電設備的繞組來完成放電。

2.2 無功補償裝置的安裝方法

（1）低壓個別補償

所謂低壓個別補償的實際含義是當用電設備的作用非常關鍵但是供電系統對于無功功率供給不足的情況下來通過低壓電容器和這些設備進行并接以此來確保用電設備無功功率需求得到滿足。一般這種連接方式下電容器和設備在電路中處于同一斷路器的控制之下。主要是為了這些電容器單獨為制定用電設備服務。這種無功功率補償方式的主要優勢在于成本比較低、對于技術要求不高、維護難度低、穩定性高。

（2）低壓集中補償

低壓集中補償的主要原理就是依靠低壓開關把低壓電容器并接在低壓母線側，這種連接方式中起控制作用以及保護作用的裝置是無功補償投切裝置，其主要的動作條件就是所處線路上的無功負荷，如果無功負荷比較大就會使得投切裝置動作，從而對線路上的用電設備進行無功功率補償。低壓集中補償方式相對于其他補償方式的主要優勢在于管理難度低、接線非常便捷、網損非常低。這種補償方式的實踐運用也非常廣泛。

（3）高壓集中補償

進行高壓集中補償時首先需要將電容器進行并聯組合成電容器組。然后將電容器組連接在高壓母線上來實現無功功率補償。這種補償方式的特征非常明顯就是補償點與實際用電端的距離比較遠，因此其的應用場景就是用電設備處于電力輸送路徑的尾端，而處于這一位置的用電設備如果屬于高壓負荷的范疇就會導致對于電力系統中的無功需求降低而且還會通過電網來反饋一定的無功功率。一般會根據檢測到的負荷數據來作為投切的依據和標準，以此來確定投入使用的補償裝置數量，這種自動投切方式的主要好處在于能夠使得功率因數處于一個較高的水平，有利于節約成本。

2.3 集中補償和分組補償

（1）集中補償

這種裝設方式與分散補償方式相比，具有以下優點：

①能方便的同電容器組的自動投切裝置配套，自動追蹤無功功率變化而改變用戶的補償容量，避免在總的補償水平上產生過補償或欠補償，從而使用戶功率因數始終保持在規定范圍之內。在這種意義上講，可使用戶達到最優補償。

②集中補償有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。當電壓波動超過允許范圍時，可借助自動投切裝置調準母線電壓水平，以改善電壓質量。

③電容器組的基本容量是根據用戶正常負荷需要確定的，運行時間長，利用率高，補償效益就高；而且集中補償方式在運行維護上較為方便，事故率相對減少，相應的提高了補償效益。

缺點：

這種方式只能減少裝設點以上線路和變壓器因輸送無功功率所造成的損耗，而不能減少用戶內部通過配電線路向用電設備輸送無功功率所造成的損耗。其降損節電效益必然受到限制。這也就是說，集中補償容量再多，起作用僅限于減少變壓器本身及以上配電線路的無功損耗。

（2）分組補償

優點：

①分組不常有利于對無功進行內部分區控制，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。

②對于實行分車間考核用電指標的用戶，分組補償有利于分車間加強無功電力管理，提高本車間的功率因數，降低產品單耗和生產成本。

③分組電容器的投切隨車間總的負荷水平而變化，其利用率較單臺補償高；分組補償也比單臺電動機易于控制和管理。

缺點：

①不如集中補償便于管理。

②如果在車間裝設電容器未能分組，則補償容量無法調整，可能會出現過補償或欠補償。

③如果只進行分組補償，則用戶變壓器消耗無功功率必須由車間電容器向上倒送，或由電網輸送，顯然效果不好。

④分組補償的一次性投資大于集中補償。

補償方式的選擇原則：以移相電容器為主，全面規劃，合理布局，分散補償，就地平衡，自動控制，集中調節。

集中調節與分散補償相結合，以分散補償為主；調節補償與固定補償相結合，以固定補償為主；高壓補償和低壓補償相結合，以低壓補償為主。實現提高功率與降損并重為目的。

3 無功補償初步計算

假設在進行補償之前有功功率是164.83KW，無功功率是101.65Kvar，視在計算負荷為193.65Kva。

通過表達式cos φ=Pc / Sc可以計算出功率因數值為0.85。

通過表達式：Qn.c=Pc(tanφ－tan'φ)能夠大致確定無功補償容量是70.21Kvar，功率因數的目標值為0.92。

通過上述中補償前后的數據對比分析可知補償后功率因數是0.921，因此功率因數目標值得以實現。

4 無功補償的好處

（1）補償無功功率，就是提高微電網的功率因數，這等同于提高微電網的效率，降低變壓器的負荷，減少變壓器的損耗。

（2）降低電網中的功率損耗和電能損失；通過無功補償，可以減少微電網的線路損耗，直接降低電能消耗，減少用電成本。

（3）改善電能質量，提高用電設備的工作效率和降低故障率；無功補償可以提高電能質量，使電壓和頻率更穩定率，濾出一定的電力諧波，從而保證用電設備工作更穩定，工作效率更高，降低電設備的故障率，等同于提高設備效益。

（4）減小變壓器等設備的投入，節省投資。微電網的功率因數提高以后，微電網的負載就降低，同樣的變壓器，可以給更多的設備供電，這就減少變電設備的投入，間接提高經濟效益。