无功功率的基本原理及其补偿方法

胖夏

摘要：交流异步电机广泛用于工业与民用系统。但不少电机负荷率低，常处于轻载或空载状态，无功功率消耗比有功功率大，电能浪费严重。因此采用无功补偿，提高功率因数、节约电能、减少运行费用是很有效的措施。本文对无功补偿的种类、特点、作用、经济效益等进行了论述。
关键词：无功功率补偿 的技术经济 特点

　　交流异步电机在工业与民用建筑系统中应用广泛。在民用范围中运行机械多为连续运行，不调速，操作不频繁的场合，如风机、水泵、冷冻机多为结构简单，易维护的异步电动机。在工矿企业中，不少电动机负荷率低，经常处于轻载或空载状态，功率因数普遍不高。负荷率低，则功率因数愈低，无功功率相对于有功功率的百分比更大，显著地浪费电能。因此对异步电动机采用无功功率补偿以提高功率因数，节约电能，减少运行费用，提高电能质量，符合我国节约能源的国策，同时亦给企业带来经济效益。
　　1　无功功率补偿的种类和特点
. P" f' j# i3 d8 F+ E5 E. u8 D　　 1.1　集中补偿
+ d& R5 W5 @1 ^( Y　　在高低压配电所内设置若干组电容器，电容器接在配电母线上，补偿供电范围内的无功功率，如图1所示。1.2　组合就地补偿(分散就地补偿)电容器接在高压配电装置或动力箱的母线上，对附近的电动机进行无功补偿，如图2所示。
　　1.3　单独就地补偿
4 Q5 z  ?0 ]! b　　将电容器装于箱内，放置在电动机附近，对其单独补偿。图3为电容器直接接在电动机端子上或保护设备末端，一般不需要电容器用的操作保护设备，称为直接单独就地补偿。图3a为经常操作者，采用接触器；为非经常操作者，采用空气断路器；为高压电容器直接单独就地补偿，宜采用真空开关。图4为不采用控制设备，由电动机控制开关操作，但电容器必须采用内装熔丝或另装熔断器。如采用控制设备，如图5所示，为控制式单独就地补偿，多用于降压起动或有可逆运行等有特殊操作要求的电动机。
; j$ Z* ~. Z8 _. j/ D, D+ z' b; u　　2　无功功率补偿的作用
( b' V% T0 y" }" f　　 2.1　改善功率因数及相应地减少电费
$ R/ e" m; s# ~) D0 S, a+ o  S! m7 P　　根据国家水电部，物价局颁布的“功率因数调整电费办法”规定三种功率因数标准值，相应减少电费：
　　(1)高压供电的用电单位，功率因数为0.9以上。
! Z0 m2 ]. Z( b　　(2)低压供电的用电单位，功率因数为0.85以上。
　　(3)低压供电的农业用户，功率因数为0.8以上。
% e6 @  z/ d% n- [3 B　　根据“办法”，补偿后的功率因数以分别不超出0.95、0.94、0.92为宜，因为超过此值，电费并没有减少，相反初次设备增加，是不经济的。
  B( p! X, N8 G* `　　2.2　降低系统的能耗
　　功率因数的提高，能减少线路损耗及变压器的铜耗。
1 S; g+ |1 f0 e' o7 ]+ i- A" \　　设R为线路电阻，ΔP1为原线路损耗，ΔP2为功率因数提高后线路损耗，则线损减少
　　ΔP=ΔP1－ΔP2=3R(I12－I22)(1)　
) ~3 ~: k3 S; ]  x( s( S　　比原来损失减少的百分数为
　　(ΔP/ΔP1)×100％=1－(I2/I1)2•100％(2)　
　　式中，I1=P/( 3 U1cosφ1)，I2=P/( 3 U2cosφ2)补偿后，由于功率因数提高，U2 >U1，为分析方便，可认为U2≈U1，则
　　θ=[1－(cosφ1/cosφ2)2]•100％(3)　
　　当功率因数从0.8提高至0.9时，通过上式计算，可求得有功损耗降低21％左右。
  Z6 _* m. e* `在输送功率P= 3UIcosφ不变情况下，cosφ提高，I相对降低，设I1为补偿前变压器的电流，I2为补偿后变压器的电流，铜耗分别为ΔP1，ΔP2；铜耗与电流的平方成正比，即
　　ΔP1/ΔP2=I22/I12
　　由于P1=P2，认为U2≈U1时，即　　I2/I1=cosφ1/cosφ2
可知，功率因数从0.8提高至0.9时，铜耗相当于原来的80％。
3 B& \6 {0 {. z5 i/ `　　2.3　减少了线路的压降
" ]" x: E* a: N. ]' C; S1 J5 k　　由于线路传送电流小了，系统的线路电压损失相应减小，有利于系统电压的稳定(轻载时要防止超前电流使电压上升过高)，有利于大电机起动。
# `3 R' ~, s' j2 s  n　　2.4　增加了供电功率，减少了用电贴费
　　对于原有供电设备来讲，同样的有功功率下，cosφ提高，负荷电流减小，因此向负荷传输功率所经过的变压器、开关、导线等配电设备都增加了功率储备，发挥了设备的潜力。对于新建项目来说，降低了变压器容量，减少了投资费用，同时也减少了运行后的基本电费。
/ D& r7 K4 ^9 R! u9 i　　3　就地补偿与集中补偿的技术经济分析
/ l! Y- ~' Q; e8 n0 a0 ?　　 3.1　电容补偿在技术上应注意的问题
8 S1 [# K0 u3 U" g　　(1)防止产生自励。
. s7 r7 a" {/ }% P　　采用电容器就地补偿电动机，切断电源后，电动机在惯性作用下继续运行，此时电容器的放电电流成为励磁电流，如果电容过补偿，就可使电动机的磁场得到自励而产生电压，如图6所示。因此，为防止产生自励，可按下式选用电容
　　QC=0.9 3UI0　　　　　　　　　　
: j5 {4 ?- J$ f6 e　　(2)防止过电压。
　　当电容器补偿容量过大，会引起电网电压升高并会导致电容器损坏。我国并联电容器国标规定：“工频长期过电压值最多不超过1.1倍额定电压。”因此必须符合QC< 0.1Ss的条件。
　　(3)防止产生谐振。
0 G' B$ I7 M; k　　(4)防止受到系统谐波影响。
　　对于有谐波源的供电线路，应增设电抗器等措施，使谐波影响不致造成电容器损坏。
) {% A1 x- ]/ p% l　　3.2　两者比较
- ^" q7 W" Z& S8 w$ _- s　　就地补偿较集中补偿，更具节能效果。
　　4　电容补偿控制及安装方式的选择
  l6 P/ Q2 a6 N( a) _8 k　　 4.1　就地补偿与集中补偿的有关规定
0 ?+ Q' i" k+ I2 M　　(1)GB12497—90《三相异步电动机经济运行》第7.6条规定：50kW以上的电动机应进行功率因数就地补偿。
　　(2)GB3485—83《评估企业合理用电技术导则》第2.9条规定：100kW以上的电动机就地补偿无功功率。
, [' c8 s; J2 x0 b3 x+ O0 R& u# \　　(3)GB50052—95《供配电设计规范》第5.03及5.0.10规定。
+ A. a4 I- S; a0 V! @% W1 N　　(4)国外用电委员会法规与专业学报均有类似规定与刊载。
　　4.2　电容补偿方式的选择
　　采用并联电容器作为人工无功补偿，为了尽量减少线损和电压损失，宜就地平衡，即低压部分的无功宜由低压电容器补偿，高压部分的无功宜由高压电容器补偿。对于容量较大，负荷平稳且经常使用的用电设备的无功功率，宜就地补偿。补偿基本无功的电容器组宜在配变电所内集中补偿，在有工业生产机械化自动化程度高的流水线、大容量机组的场所，宜分散补偿。
1 j3 a% k/ R3 x6 L　　4.3　电容器组投切方式的选择
　　电容器组投切方式分手动和自动两种。
( J! v; O0 P2 o1 T  C% t对于补偿低压基本无功及常年稳定和投切次数少的高压电容器组，宜采用手动投切；为避免过补偿或轻载时电压过高，易造成设备损坏的，宜采用自动投切。高、低压补偿效果相同时，宜采用低压自动补偿装置。
　　4.4　无功自动补偿的调节方式
$ I0 a$ U5 n- H7 m; j+ {* ~* Z9 r　　以节能为主者，采用无功功率参数调节；当三相平衡时，也可采用功率因数参数调节；为改善电压偏差为主者，应按电压参数调节；无功功率随时间稳定变化者，按时间参数调节。

5　电容补偿容量的选定
, U: I5 c3 g  U" F　　5.1　集中补偿容量确定
　　先进行负荷计算，确定有功功率P30和无功功率Q30，补偿前自然功率因数为cosφ1，要补偿到的功率因数为cosφ2。则
　QC=αP30(tgφ1－tgφ2)
- F; d2 X- R! {. p3 [　α为平均负荷因数。
　　5.2　电动机就地补偿电容器容量确定
- v: ?( L* }$ A# P$ @  s　　就地补偿电容器容量选择的主要参数是励磁电流，因为不使电容器造成自励是选用电容器容量的必要条件。负载率越低，功率因数越低；极数愈多，功率因数越低；容量愈小，功率因数越低。但由于无功功率主要消耗在励磁电流上，随负载率变化不大，因此应主要考虑电动机容量和极数这两个参数，才能得到最佳补偿效果。可用式(4)计算。
　　6　结合工程实例谈电容补偿的应用
　　以某大型项目中能源中心为例，该项目设备装机容量约为21000多千瓦，其中高压电动机设备容量为5400多千瓦，其他低压设备容量为5000多千瓦。供电电源的电压等级为10kV。本着“节能、高效”的方针，初次尝试了采用燃汽轮机发电机组自发电，冷、热、电三联供，做到汽电共生，实现能源综合利用。经过经济分析，采用10kV作为高压电动机的供电电压等级，投资较省，同时亦减少变电环节，也就减少了故障点。根据负荷计算，共采用六路10kV电源，分别对高压电动机直配。
7 L9 V8 i4 [: Q2 }2 F" y　　在这个项目中，高压电动机主要用于空调系统中的中央空调机组，以及主机的外部设备——冷冻水循环泵和冷却水循环泵多台设备。这些设备单机容量很大，离心机组单机最大达2810kW(共5台)，小的870kW(共4台)，冷冻水循环泵单机560kW(共9台)，冷冻水循环泵单机亦有380kW(共3台)，自然功率因数在0.8左右。如果在10kV配电室集中补偿电容，不采用高压无功自动补偿的话，如此大容量的电动机起、停会使10kV侧功率因数不稳定，有可能造成过补偿，引起系统电压升高。同时，从配电室至冷冻机房高压电动机的线路最近50m，最远140m，线路损耗相当可观，综合考虑到高压自动补偿元件、技术、价格均要求高，因此采用高压电容器就地补偿，与电动机同时投切。高压电容器组放置在电动机附近。这些电动机采用自耦降压起动方式，高压就地补偿装置以并联电容器为主体，采用熔断器做保护，装设避雷器用于过电压保护，串联电抗器抑制涌流和谐波。这样做，不仅提高了电动机的功率因数，降低了线路损耗，同时释放了系统容量，缩小了馈电电缆的截面，节约了投资。
　　对于低压设备，由二台1000kVA及二台1600kVA变压器配出，低压电机布置较分散，因此，在变电所变压器低压侧采用电容器组集中自动补偿。虽然一些低压电动机的容量也不小，就地补偿的经济效益亦有，但这些设备主要用于锅炉房和给排水设备，锅炉房的设备不如冷冻机房集中，环境较差，管理不便，因此，在低压配电室采用按功率因数大小自补偿是较合适的。
; c% b( ^* p  D- ~5 {　　7　总结
) [; g3 N& m) X( X' O3 L　　对无功功率进行补偿的节能效果是有目共睹的，在应用的过程中，还应该在技术经济上综合考虑，根据具体情况进行分析，来决定是采用集中补偿还是就地补偿，还是两者综合采用，从而达到使电气设备经济运行的目的。

teddylyc

谢谢楼主啊！！！！！！！！！

llggtt123

你所说得图在哪里呢？

tjmc187

学习学习学习中!!1

haohao

了解了。学习了。

onetwo

说的很清楚，不错不错

dqyxlsz11

不错，好东西，支持。

onetwo

学习了，谢谢楼主指教

ahxcsz

学习学习学习中

zsy1026

好文章
恩
3 U* A" K/ t# U* L2 {6 Eding