低壓無(wú)功功率補償裝置的設計與運用

摘要：隨著(zhù)中國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，企業(yè)對供電的需求與電力設備的質(zhì)量提出了更高的要求，電力系統運行的經(jīng)濟性與電能質(zhì)量、無(wú)功功率有著(zhù)密不可分的關(guān)系，本文就低壓無(wú)功功率補償裝置的設計進(jìn)行了闡述與研究，并介紹了無(wú)功功率補償裝置在現場(chǎng)的運用。

0 引言

    近年來(lái)，隨著(zhù)經(jīng)濟飛速發(fā)展，電能質(zhì)量管理的概念在各大企業(yè)中得到了廣泛的關(guān)注，“用電安全、用電質(zhì)量、用電經(jīng)濟”理念深入人心，無(wú)功功率補償作為電能質(zhì)量管理的重要組成部分，也成為了廣大電力人研究的方向。國家對于無(wú)功功率不達標的企業(yè)更加是使用了鐵腕政策，力率電費也成為了一些用電企業(yè)的負擔。本文針對此種情況，對低壓無(wú)功功率補償裝置的設計與選型進(jìn)行了闡述與分析，并舉例說(shuō)明了低壓無(wú)功功率裝置在現場(chǎng)的運行與應用。

1 有功功率和無(wú)功功率

    在交流電路中，由電源供給負載的電功率有兩種；一種是有功功率，一種是無(wú)功功率。    

    有功功率是保持用電設備正常運行所需的電功率，也就是將電能轉換為其他形式能量（機械能、光能、熱能）的電功率。

    無(wú)功功率比較抽象，它用于電路內電場(chǎng)與磁場(chǎng)的交換，并用來(lái)在電氣設備中建立和維持磁場(chǎng)的電功率。

    視在功率、有功功率、無(wú)功功率的關(guān)系可以從功率三角形上得出，公式如下所示：

    舉個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)，電動(dòng)機需要建立和維持旋轉磁場(chǎng)，使轉子轉動(dòng)，從而帶動(dòng)機械運動(dòng)，電動(dòng)機的轉子磁場(chǎng)就是靠從電源取得無(wú)功功率建立的。變壓器也同樣需要無(wú)功功率，才能使變壓器的一次線(xiàn)圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，在二次線(xiàn)圈感應出電壓。

    因此，無(wú)功功率不是無(wú)用功率，它在電力系統中占據了一個(gè)重要的位置。沒(méi)有無(wú)功功率，電動(dòng)機就不會(huì )轉動(dòng)，變壓器也不能變壓，交流接觸器不會(huì )吸合。

2 低壓無(wú)功功率補償裝置簡(jiǎn)介

    低壓無(wú)功功率補償裝置，在電力供電系統中所承擔的作用是提高電網(wǎng)的功率因數，降低供電變壓器及輸送線(xiàn)路的損耗，提高供電效率，改善供電環(huán)境。所以無(wú)功功率補償裝置在電力供電系統中處在一個(gè)*的位置。合理的選擇低壓無(wú)功功率補償裝置，可以大限度的減少網(wǎng)絡(luò )的損耗，使用戶(hù)用電質(zhì)量提高。反之，不合理地選擇或者使用方法不當，也有可能會(huì )造成供電系統電壓波動(dòng)、閃變、諧波放大等多種不可控的因素。

3 無(wú)功補償裝置的原理

    從功率三角形可以看出，用戶(hù)的變壓器容量（S）是固定的，如果用戶(hù)的設備需要的無(wú)功功率（Q）過(guò)大，就會(huì )使有功功率（P）的出力減少。這不僅會(huì )使得使用電設備不能正常工作，還可能造成線(xiàn)路過(guò)載導致設備損壞，此時(shí)，就需要對電力系統進(jìn)行無(wú)功功率補償。

    如圖1所示，在進(jìn)行無(wú)功功率補償前，負載的無(wú)功功率、有功功率均通過(guò)變壓器來(lái)自于電網(wǎng)，就會(huì )導致電網(wǎng)的功率因數降低，電能質(zhì)量下降，用電效率差。

    圖2對設備進(jìn)行了無(wú)功功率的補償，此時(shí)設備的有功功率通過(guò)變壓器來(lái)自于電網(wǎng)，而無(wú)功功率取自我們的無(wú)功補償設備。假設設備的無(wú)功功率均從無(wú)功補償設備提取，此時(shí)，從電網(wǎng)側來(lái)看，無(wú)功功率（Q）為0，此時(shí)的視在功率（S）等于有功功率（P），功率因數為1。此時(shí)電網(wǎng)的供電效率是高的，此種情況雖然為理想狀態(tài)，但在實(shí)際運營(yíng)過(guò)程中，只要補償得當，月平均功率因數達到0.95以上是沒(méi)有問(wèn)題的

      圖1無(wú)功補償前圖例                        圖2無(wú)功補償后圖例

4 無(wú)功補償的重要性

    一般來(lái)說(shuō)，使用無(wú)功補償裝置來(lái)提高功率因數的意義體現在兩個(gè)方面：一是可以減少輸電線(xiàn)路上的功率損失；二是可以充分發(fā)揮電力設備（如電機、變壓器等）的潛力。因為用電電器總是在一定電壓和一定有功功率下工作，如果功率因數較低，就要用較大的電流來(lái)保障用電器正常工作，輸電電流變大，導致線(xiàn)路損耗增加。此外，任何電力設備工作時(shí)總是工作在一定的額定電壓與額定電流內，超過(guò)額定電壓值，會(huì )威脅設備的絕緣性能；工作電流超過(guò)額定值，會(huì )使內部溫升過(guò)高，從而降低了設備的使用壽命。對于一些發(fā)電設備而言，功率因數的提高能大大增加效率，例如：一臺發(fā)電機容量為1500kW，當電力系統的功率因數由0.6上升至0.8時(shí)，就可以使實(shí)際發(fā)電能力提高到3000kW。

5 無(wú)功補償的經(jīng)濟效益

    無(wú)功補償的經(jīng)濟效益主要體現在力率電費，力率電費=有功電量×電價(jià)×力率電費調整系數。力率電費調整系數根據功率因數的值查表獲得。不同基準的力率電費調整系數表見(jiàn)表1和表2。

表1 以0.90為標準值得力率電費調整表

表2 以0.85為標準值得力率電費調整表

    國家對標準值也做出了規定，凡需變壓器容量100kVA及以上10kV供電的用戶(hù)應進(jìn)行功率因數考核，具體標準如下：

    ♦ 100kVA以上160kVA（不含160kVA）以下的用戶(hù)，功率因數需達到0.85；

    ♦ 160kVA以上的用戶(hù)功率因數應達到0.90以上。

    ♦ 用戶(hù)的功率因數大于標準的減少其當月電費，低于標準的增加其當月電費。

    舉個(gè)例子：某變壓器用戶(hù)的變壓器容量為160kVA，采用低壓計量，某月改用戶(hù)消耗有功電量為25000kWH，無(wú)功電量為27000kWH，假設電費為0.68元/度。通過(guò)調研資料，該變壓器的有功變損為1036kWH，無(wú)功變損為3790kWH，所以該用戶(hù)共消耗有功電量26036kWH，消耗無(wú)功電量為30790kWH，通過(guò)功率三角形或查表可知該用戶(hù)的功率因數為0.65。通過(guò)查表可知該用戶(hù)力率電費調整系數為+15%，共需收取實(shí)際消耗電費25000×0.68為17000元，需加收的力率電費為25000×0.68×0.15為2550元，總計為19550元。

現通過(guò)無(wú)功功率補償為該用戶(hù)將功率因數從0.65提高到0.95，通過(guò)查表可知該用戶(hù)力率電費調整系數為-0.75%，共需收取實(shí)際消耗電費25000×0.68為17000元，需加收的力率電費為25000×0.68×（-0.0075）為-127.5元，總計為16872.5元。

從例子中我們可以看出，通過(guò)無(wú)功補償能為企業(yè)產(chǎn)生很大的經(jīng)濟效益，一般10個(gè)月到一年即可收回裝備成本，為企業(yè)創(chuàng )造收入。

6 無(wú)功補償的選型

6.1容量選型

    6.1容量選型

    6.1.1新建項目

    新建項目由于現場(chǎng)參數無(wú)法確定，為了方便進(jìn)行快速選型，首先將行業(yè)進(jìn)行分類(lèi)，各行業(yè)所屬類(lèi)別如下表（，是指無(wú)功補償容量，是指變壓器容量，是指無(wú)功補償行業(yè)系數）：

   Ⅰ：系數約為0.3，適用于寫(xiě)字樓、住宅等諧波、無(wú)功需求相對較小的場(chǎng)合；

    Ⅱ：系數約為0.4，適用于商業(yè)、軌道交通等諧波、無(wú)功需求相對中等的場(chǎng)合；

    Ⅲ：系數約為0.55，適用于重工業(yè)、制造業(yè)等諧波、無(wú)功需求相對較大的場(chǎng)合；

6.1.2改造項目

    改造項目一般都需要去現場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地測量，根據現場(chǎng)的實(shí)際情況，配置相應的無(wú)功補償方案，需測量的要點(diǎn)包括：有功功率、無(wú)功功率、視在功率、實(shí)際功率因數、目標功率因數、負載狀況、電網(wǎng)背景等。其無(wú)功補償裝置的容量可通過(guò)實(shí)際測量后計算獲得，以上面那個(gè)例子來(lái)說(shuō)，假設補償前用戶(hù)變壓器為滿(mǎn)載狀態(tài)，該用戶(hù)變壓器容量為160kVA，功率因數為0.65，目標功率因數為0.95，計算如下：

    補償前視在功率為,功率因數，補償前有功功率為,補償前無(wú)功功率為。

補償前與補償后有功功率不變?yōu)?img src="http://net.acrel.cn/ckfinder/userfiles/images/%e5%9b%be%e7%89%8718(6).png" style="height:19px; margin:0px; width:78px" />，目標功率因數，補償后視在功率為,補償后無(wú)功功率為。

所以，需要補償的無(wú)功功率為。

6.2型號說(shuō)明

6.3技術(shù)參數

7 無(wú)功補償模塊式方案

    現在，市面上的低壓無(wú)功功率補償裝置基本上都采取整柜的方式，基本上都屬于“一錘子買(mǎi)賣(mài)”雖然能夠滿(mǎn)足用戶(hù)現場(chǎng)的補償要求，但在補償后的維護、容量拓展等方面十分的不便，在用戶(hù)需要進(jìn)行改造時(shí)需要更換整柜，十分困難。圖3為一種無(wú)功補償模塊，將一套無(wú)功補償回路，包含：電容、電抗、晶閘管投切開(kāi)關(guān)、熔斷器、二次回路整合在一個(gè)模塊中，在實(shí)際使用中，模塊與模塊之間相互獨立，互不干擾，在維護使用中可以按模塊進(jìn)行容量增減與維護。