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摘要:依據用電設備的功率因數，可測算輸電線路的電能損失。通過現場技術改造，可使低于標準要求的功率因數達標，實現節電目的。本文分析了無功補償的作用和補償容量的選擇方法，著重論述了低壓電網和異步電動機無功補償容量的配置。結合應用實例說明采用無功補償技術，提高低壓電網和用電設備的功率因數，已成為節電工作的一項重要措施。
關鍵詞: 節電技術 功率因數 無功補償
Abstract: The power factor of equipment can be used to measure the loss of energy in transmission lines. By refining the technique, we can let the power factor which is below the standard get standardized to save electricity. This article analyses the function of reactive compensation and the ways to choose capacity of compensation. It emphasizes in discussing the configuration of low voltage network and asynchronous motor’s capacity in reactive compensation. By combining with actual examples, this article also explains that using the technique of reactive compensation to improve the power factor of low voltage network and equipment has become an important measure to save electricity.
Key words: Technique of electricity saving ,Power factor, Reactive compensation
1、前言
無功補償，就其概念而言早為人所知，它就是借助于無功補償設備提供必要的無功功率，以提高系統的功率因數，降低能耗，改善電網電壓質量。
無功補償的合理配置原則
從電力網無功功率消耗的基本狀況可以看出，各級網絡和輸配電設備都要消耗一定數量的無功功率，尤以低壓配電網所占比重最大。為了最大限度地減少無功功率的傳輸損耗，提高輸配電設備的效率，無功補償設備的配置，應按照“分級補償，就地平衡”的原則，合理布局。
(1)總體平衡與局部平衡相結合，以局部為主。
(2)電力部門補償與用戶補償相結合。
在配電網絡中，用戶消耗的無功功率約占50%～60%，其余的無功功率消耗在配電網中。因此，為了減少無功功率在網絡中的輸送，要盡可能地實現就地補償，就地平衡，所以必須由電力部門和用戶共同進行補償。
(3)分散補償與集中補償相結合，以分散為主。
集中補償，是在變電所集中裝設較大容量的補償電容器。分散補償，指在配電網絡中分散的負荷區，如配電線路，配電變壓器和用戶的用電設備等進行的無功補償。集中補償，主要是補償主變壓器本身的無功損耗，以及減少變電所以上輸電線路的無功電力，從而降低供電網絡的無功損耗。但不能降低配電網絡的無功損耗。因為用戶需要的無功通過變電所以下的配電線路向負荷端輸送。所以為了有效地降低線損，必須做到無功功率在哪里發生，就應在哪里補償。所以，中、低壓配電網應以分散補償為主。
(4)降損與調壓相結合，以降損為主。
2、影響功率因數的主要因素
功率因數的產生主要是因為交流用電設備在其工作過程中，除消耗有功功率外，還需要無功功率。當有功功率P一定時，如減少無功功率Q，則功率因數便能夠提高。在極端情況下，當Q=0時，則其力率=1。因此提高功率因數問題的實質就是減少用電設備的無功功率需要量。
2.1、異步電動機和電力變壓器是耗用無功功率的主要設備
異步電動機的定子與轉子間的氣隙是決定異步電動機需要較多無功的主要因素。而異步電動機所耗用的無功功率是由其空載時的無功功率和一定負載下無功功率增加值兩部分所組成。所以要改善異步電動機的功率因數就要防止電動機的空載運行并盡可能提高負載率。變壓器消耗無功的主要成份是它的空載無功功率，它和負載率的大小無關。因而，為了改善電力系統和企業的功率因數，變壓器不應空載運行或長其處于低負載運行狀態。
2.2、 供電電壓超出規定范圍也會對功率因數造成很大的影響
當供電電壓高于額定值的10%時，由于磁路飽和的影響，無功功率將增長得很快，據有關資料統計，當供電電壓為額定值的110%時，一般工廠的無功將增加35%左右。當供電電壓低于額定值時，無功功率也相應減少而使它們的功率因數有所提高。但供電電壓降低會影響電氣設備的正常工作。所以，應當采取措施使電力系統的供電電壓盡可能保持穩定。
2.3、電網頻率的波動也會對異步電機和變壓器的磁化無功功率造成一定的影響
2.4、以上論述了影響電力系統功率因數的一些主要因素，因此必須要尋求一些行之有效的、能夠使低壓電力網功率因數提高的一些實用方法，使低壓網能夠實現無功的就地平衡，達到降損節能的效果。
3、 低壓配電網無功補償的方法
提高功率因數的主要方法是采用低壓無功補償技術，我們通常采用的方法主要有三種：隨機補償、隨器補償、跟蹤補償。
3.1、隨機補償
隨機補償就是將低壓電容器組與電動機并接，通過控制、保護裝置與電機，同時投切。隨機補償適用于補償電動機的無功消耗，以補勵磁無功為主，此種方式可較好地限制用電單位無功負荷。
隨機補償的優點是：用電設備運行時，無功補償投入，用電設備停運時，補償設備也退出，而且不需頻繁調整補償容量。具有投資少、占位小、安裝容易、配置方便靈活，維護簡單、事故率低等。
3.2、隨器補償
隨器補償是指將低壓電容器通過低壓保險接在配電變壓器二次側，以補償配電變壓器空載無功的補償方式。配變在輕載或空載時的無功負荷主要是變壓器的空載勵磁無功，配變空載無功是用電單位無功負荷的主要部分，對于輕負載的配變而言，這部分損耗占供電量的比例很大，從而導致電費單價的增加。
隨器補償的優點：接線簡單、維護管理方便、能有效地補償配變空載無功，限制農網無功基荷，使該部分無功就地平衡，從而提高配變利用率，降低無功網損，具有較高的經濟性，是目前補償無功最有效的手段之一。
3.3、 跟蹤補償
跟蹤補償是指以無功補償投切裝置作為控制保護裝置，將低壓電容器組補償在大用戶0.4kv母線上的補償方式。適用于100kVA以上的專用配變用戶，可以替代隨機、隨器兩種補償方式，補償效果好。
跟蹤補償的優點是運行方式靈活，運行維護工作量小，比前兩種補償方式壽命相對延長、運行更可靠。但缺點是控制保護裝置復雜、首期投資相對較大。但當這三種補償方式的經濟性接近時，應優先選用跟蹤補償方式。
4、無功功率補償容量的選擇方法
無功補償容量以提高功率因數為主要目的時，補償容量的選擇分兩大類討論，即單負荷就地補償容量的選擇（主要指電動機）和多負荷補償容量的選擇（指集中和局部分組補償）。
4.1、單負荷就地補償容量的選擇的幾種方法
（1）、美國資料推薦：Qc=(1/3)Pe [額定容量的1/3]
（2）、日本方法：從電氣計算日文雜志中查到：1/4~1/2容量計算
考慮負載率及極對數等因素，按式（5）選取的補償容量，在任何負載情況下都不會出現過補償，而且功率因數可以補償到0.90以上。此法在節能技術上廣泛應用，對一般情況都可行，特別適用于Io/Ie比值較高的電動機和負載率較低的電動機。但是對于Io/Ie較低的電動機額定負載運行狀態下，其補償效果較差。
（3）、經驗系數法：由于電機極數不同，按極數大小確定經驗系數選擇容量 比較接近實際需要的電容器，采用這種方法一般在70%負荷時，補后功率因數可在0.95~0.97 之間
經驗系數表
電機類型 一般電機 起重電機 冶金電機
極數 2 4 6 8 10 8 10
補償容量（kvar/kw） 0.2 0.2~0.25 0.25~0.3 0.35~0.4 0.5 0.6 0.75
電機容量大時選下限，小時選上限 ；電壓高時選下限，小時選上限4、Qc=P[√1/COS2φ1-1-√1/COS2φ2-1]
實際測試比較準確方法此法適用于任何一般感性負荷需要精確補償的就地補償容量的計算。
（4）、如果測試比較麻煩，可以按下式
Qc≤ √3UeIo×10-3 (kvar)
Io-空載電流=2Ie(1-COSφe ) 瑞典電氣公司推薦公式
Qo 若電動機帶額定負載運行，即負載率β=1,則：Qo 根據電機學知識可知，對于Io/Ie較低的電動機（少極、大功率電動機），在較高的負載率β時吸收的無功功率Qβ與激勵容量Qo的比值較高，即兩者相差較大，在考慮導線較長，無功經濟當量較高的大功率電動機以較高的負載率運行方式下，此式來選取是合理的。
（5）、按電動機額定數據計算：
Q= k(1- cos2φe )3UeIe×10-3 (kvar)
K為與電動機極數有關的一個系數
極數： 2 4 6 8 10
K值： 0.7 0.8 0.85 0.9
4.2、多負荷補償容量的選擇
多負荷補償容量的選擇是根據補償前后的功率因數來確定。
（1）對已生產企業欲提高功率因數，其補償容量Qc按下式選擇：
Qe=KmKj(tgφ1-tgφ2)/Tm
式中：Km為最大負荷月時有功功率消耗量，由有功電能表讀得；Kj為補償容量計算系數，可取0.8～0.9;Tm為企業的月工作小時數；tgφ1、tgφ2意義同前，tgφ1由有功和無功電能表讀數求得。
（2）對處于設計階段的企業，無功補償容量Qc按下式選擇：
Qc=KnPn(tgφ1-tgφ2)
式中Kn為年平均有功負荷系數，一般取0.7～0.75;Pn為企業有功功率之和；tgφ1、tgφ2意義同前。tgφ1可根據企業負荷性質查手冊近似取值，也可用加權平均功率因數求得cosφ1。
多負荷的集中補償電容器安裝簡單，運行可靠、利用率較高。但電氣設備不連續運轉或輕負荷運行時，會造成過補償，使運行電壓抬高，電壓質量變壞。因此這種方法選擇的容量，對于低壓來說最好采用電容器組自動控制補償，即根據負荷大小自動投入無功補償容量的多少，對高壓來說應考慮采取防過補償措施。
5、無功補償的效益
在現代用電企業中，在數量眾多、容量大小不等的感性設備連接于電力系統中，以致電網傳輸功率除有功功率外，還需無功功率。如自然平均功率因數在0.70～0.85之間。企業消耗電網的無功功率約占消耗有功功率的60%～90%,如果把功率因數提高到0.95左右，則無功消耗只占有功消耗的30%左右。由于減少了電網無功功率的輸入，會給用電企業帶來效益。
5.1、節省企業電費開支。提高功率因數對企業的直接經濟效益是明顯的，因為國家電價制度中，從合理利用有限電能出發，對不同企業的功率因數規定了要求達到的不同數值，低于規定的數值，需要多收電費，高于規定數值，可相應地減少電費。可見，提高功率因數對企業有著重要的經濟意義。
5.2、提高設備的利用率。對于原有供電設備來講，在同樣有功功率下，因功率因數的提高，負荷電流減少，因此向負荷傳送功率所經過的變壓器、開關和導線等供配電設備都增加了功率儲備，從而滿足了負荷增長的需要；如果原網絡已趨于過載，由于功率因數的提高，輸送無功電流的減少，使系統不致于過載運行，從而發揮原有設備的潛力；對尚處于設計階段的新建企業來說則能降低設備容量，減少投資費用，在一定條件下，改善后的功率因數可以使所選變壓器容量降低。因此，使用無功補償不但減少初次投資費用，而且減少了運行后的基本電費。
5.3、降低系統的能耗
補償前后線路傳送的有功功率不變，P= IUCOSφ，由于COSφ提高，補償后的電壓U2稍大于補償前電壓U1,為分析問題方便，可認為U2≈U1從而導出I1COSφ1=I2COSφ2。即I1/I2= COSφ2/ COSφ1,這樣線損 P減少的百分數為：
ΔP%= (1-I22/I12)×100%=（1- COS2φ1/ COS2φ2） × 100%
當功率因數從0.70～0.85提高到0.95時，由(2)式可求得有功損耗將降低20%～45%。
5.4、改善電壓質量。以線路末端只有一個集中負荷為例，假設線路電阻和電抗為R、X,有功和無功為P、Q,則電壓損失ΔU為：
△U=（PR+QX）/Ue×10-3(KV) 兩部分損失：PR/ Ue→輸送有功負荷P產生的；QX/Ue→輸送無功負荷Q產生的；
配電線路：X=（2~4）R，△U大部分為輸送無功負荷Q產生的
變壓器：X=（5~10）R QX/Ue=(5~10) PR/ Ue 變壓器△U幾乎全為輸送無功負荷Q產生的
可以看出，若減少無功功率Q,則有利于線路末端電壓的穩定，有利于大電動機的起動。因此，無功補償能改善電壓質量（一般電壓穩定不宜超過3%）。但是如果只追求改善電壓質量來裝設電容器是很不經濟的，對于無功補償應用的主要目的是改善功率因數，減少線損，調壓只是一個輔助作用。
5.5、三相異步電動機通過就地補償后，由于電流的下降，功率因數的提高，從而增加了變壓器的容量，計算公式如下：
△S=P/ COSφ1×[（ COSφ 2/ COSφ1）-1]
如一臺額定功率為155KW水泵的電機，補前功率因數為0.857，補償后功率因數為0.967，根據上面公式計算其增容量為：
（155÷0.857） ×[（0.967 ÷0.857）-1]=24KVA
6、應用實例：
煙臺市能源監測中心于2003年4月24、29、30日對煙臺氨綸股份有限公司B區制冷機、空壓機電機進行了電機補償裝置的安裝調試，從安裝后測試結果看，平均降低電流22-51（A），電機功率因數提高到0.98，（見測試結果對比表），減少了公司內部低壓電網的消耗，從而達到了節電的目的。
測試結果對比表
設備名稱 設備容量（kW） 補前功率因數COSφ1 補后功率因數COSφ2 電流下降△（A）
制冷壓縮機LM1-110M、B4 110 0.84 0.98 22
制冷壓縮機LM1-200M、B2 220 0.89 0.98 41
制冷壓縮機LM1-250MA1、C1 250 0.86 0.98 51
制冷壓縮機2DLGS-K2、D2 250 0.89 0.986 49
制冷壓縮機2DLGS-K2、D5 250 0.89 0.98 48
空氣壓縮機20S-200A、D1 150 0.87 0.98 38
空氣壓縮機20S-200A、D2 150 0.86 0.978 36
空氣壓縮機20S-200A、D3 150 0.87 0.982 40
空氣壓縮機60A-160、B1 160 0.88 0.98 46
空氣壓縮機60A-160、B2 160 0.89 0.973 48
1、由于電流減少，變壓器的銅損及公司內部的低壓損耗都降低。
配電系統電流下降率△Ｉ％＝（1－0.87/0.98）×100％＝11％；
配電系統損耗下降率 △Ｐ％＝(1-0.872/0.982)×100％＝21％
2.該公司B區制冷機、空壓機電動機補償的總容量為780千乏，電流平均總下降518（A）,依據GB/T12497-1997中計算公式，安裝電動機補償裝置后，年可節電量＝補償容量×無功經濟當量×年運行時間＝780×0.04×24×300＝224640kWh，節約價值11.2萬元，補償投資費用(包括設備的購置、安裝及現場調試)為：6.24萬元。(80元/千乏)
七、 結論
文中集中探討了無功補償技術對用電單位的低壓配電網的影響以及提高功率因數所帶來的經濟效益和社會效益，介紹了影響功率因數的主要因素和提高功率因數的方法，討論了如何確定無功功率的補償容量，確保補償技術經濟、合理、安全可靠，達到節約電能的目的。 |
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