无功功率补偿的分析及应用

摘要：电压是电能质量的重要指标之一，无功电力是影响电压质量的一个重要因素，电压问题本质上就是无功问题。介绍了无功功率补偿的种类和作用，电容补偿方式的选择和容量的选定，应用时可根据具体情况分析决定采用集中补偿还是就地补偿，或者两者综合采用，达到经济运行的目的。

关键词：无功补偿；电压；电容补偿；集中补偿；就地补偿；分析

中图分类号：TM451 文献标识码：A 文章编号：2306-1499（2014）12-

交流异步电动机在工矿企业中应用广泛，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。负荷率愈低，功率因数愈低，无功功率相对于有功功率的百分比愈大，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，既符合我国节约能源的国策，又给企业带来了经济效益。

1.无功功率补偿的种类

1.1 集中补偿

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。

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。

1.3单独就地补偿

将电容器装于箱内，放置在电动机附近，对其单独补偿。可分为几种：（1）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。经常操作者，采用接触器；非经常操作者，采用空气断路器；高压电容器直接单独就地补偿，宜采用真空开关。（2）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。（3）采用控制设备，即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。

2.无功功率补偿的作用

2.1 改善功率因数相应地减少电费。

根据水电部《电力系统电压和无功电力技术导则》的规定和农网改造的技术要求，电力用户的功率因数应达到下列规定，即：①高压供电的工业用户和高压供电装有带负荷调整电压装置的电力用户功率因数为0.9以上；②低压供电的用电单位和其他100千伏安（千瓦）及以上电力用户和大、中型电力排灌站，功率因数在0.85以上；③低压供电的农业用户，功率因数在0.8以上。经过努力达不到以上规定者应装设必要的补偿装置。原水电部《供用电规则》规定：高压供电的用户必须保证功率因数在0.9以上，其他用户应保持在0.8以上。

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。

2.3 减少了线路的压降。

由于线路传送电流少了，系统的线路电压损失相应减少，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）和大功率电动机的起动。

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，负荷电流下降，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，发挥了原有供电设备的潜力。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。

3. 电容补偿控制及安装方式的选择

3.1 电容补偿方式的选择

采用并联电容器作为人工无功功率补偿，为了尽量减少线损和电压损失，宜就地平衡，即低压部分的无功功率宜由低压电容器补偿，高压部分的无功功率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；补偿基本无功功率的电容器组宜在配变电所内集中补偿，在工业生产机械化、自动化程度高的流水线和有大容量机组的场所，宜分散补偿。

3.2 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。对于补偿低压基本无功功率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。

3.3 无功功率自动补偿的调节方式

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。

4. 电容补偿容量的选定

4.1 集中补偿容量确定

先进行负荷计算，确定有功功率PC和无功功率QC，补偿前自然功率因数为COSφ1，要补偿到的功率因数为COSφ2，则QC=αPC（tanφ1 ―tanφ2），其中，α为平均负荷因数。

4.2 电动机就地补偿电容器容量的确定

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激是选用电容器容量的必要条件。一般情况下，功率因数、负载率、极数容量的关系如下：负载率越低，功率因数越低；极数越多，功率因数越低；容量越小，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2个参数，才能得到最佳补偿效果。

5. 电容补偿的应用实例

以某大型项目中能源中心为例。该项目设备装机容量约为21MW，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6路10kV电源，分别对高压电动机直配。

在该项目中，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等多台设备。这些设备单机容量很大，离心机组单机最大达2.81MW（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，而不采用高压无功自动补偿，则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，综合考虑到高压无功自动补偿元件、技术、价格均要求很高，因此宜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2台1000kVA及2台1600kVA变压器配出。低压电动机布置较分散，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动补偿是较合适的。

6. 三相低压异步电动机就地无功补偿

用三相低压异步电动机就地无功补偿是一种经济、简单、高效、可能的补偿方法，它有以下好处：①因为只是在电动机上并联一台合适的专用电容器就可，不需要外加其他保护装置，简单、价低，便于推广；②不仅能提高低压电网的功率因数，降低了线损，同时也提高了供电电网的功率因数，降低了配电网线损；③对用户来讲，节约了内线损耗，减少电费，具有较好的经济效益；④提高了低压线路的功率因数，减少末端电压波动，提高了电压质量，也增加了产品数量及质量；⑤因为补偿电容器随电动机投切，只要补偿的电容器容量配置适当，不存在无功过补偿，有较为理想的补偿效果。

为什么一个合适容量的电容器可以与异步电动机直接并联，而不需要外加其他保护装置，仅利用原异步电动机的保护就可以，这是因为：（1）异步电动机在运行时所需要的无功功率从异步电动机的等效电路中可知由两部分组成，一部分是励磁支路所需的无功功率，另一部分是负荷支路所需的无功功率。小容量的异步电动机主要是励磁支路所需的无功功率，当负荷由零到满载时，其变化很小，随负荷的增加而略有下降；而负荷支路所需的无功功率随负荷增加而增加，其值一般要比励磁支路所需的无功功率要小，异步电动机容量越小，相对的比例也越小。小容量的异步电动机从空载到满载，其总的无功功率的变化不大，以Y801.2（0.75kW）为例，空载时无功功率为0.531kvar，而满载时为0.646 kvar。由此可知，容量小所需无功功率在不同的负载下变化很小。异步电动机随着容量的增大，从空载到满载所需的总无功功率变化相应加大，如Y165L-2（18.5kW），空载时所需无功功率5.343kvar，而满载时为10.651 kvar。但一般空载与满载的无功功率之比约为0.5以上。因此，对低压异步电动机的无功补偿，其并联电容器在运行时的实际补偿容量，只要能补偿其励磁功率，就能使异步电动机运行的功率因数在负载率从40%～100%都有较高值（0.9以上），而低负载时，其功率因数虽不能达到0.9左右，但由于所需的无功功率量很小，因此产生的线损不大，但比无补偿时降低了很多。（2）由于异步电动机本身就是很好的放电线圈，所以在异步电动机外加电源电压失去时，三相低压异步电动机专用无功补偿电容器可以向异步电动机放电，使电容器端电压很快下降到零，在电网电压复现（电网“重合闸”成功）时，就不会出现过电压。因此，异步电动机与电容器并联之间不能加装熔断器保护或开关，异步电动机与电容器应同时投入或断开。（3）由于并联电容器在异步电动机的额定电压下，所产生的无功功率小于异步电动机在额定电压下空载时需要的励磁功率（略小于空载无功功率）。当电压上升时，电容器所产生的无功功率随电压的平方增加，而异步电动机因铁芯的磁饱和，其需要的无功功率增加将大于电容器的无功功率增加；当电压下降时，异步电动机和电容器的无功功率几乎都将随电压的平方下降。因此，并联电容器的补偿容量在运行时所产生的无功功率，总小于异步电动机在不同负载下所需的无功功率。因此，不会产生过补偿。（4）由于电容器的无功功率比补偿异步电动机空载无功功率要略小一点，也就是说仅为励磁功率，因此不会产生异步电动机的自励现象。（5）工矿企业的异步电动机采用三相低压异步电动机就地无功补偿与集中补偿相比，经济性是明显的。虽然就地补偿的总无功容量是集中补偿的3～4倍，但集中无功补偿装置的单位容量的费用却为单台电容器的4～6倍，异步电动机就地无功补偿总费用要比集中无功补偿的少。而且用三相低压异步电动机就地无功补偿的电容器可降低工矿企业内的低压电网损失，节约了能源，减少了电费支出。

7.结束语

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，决定是采用集中补偿还是就地补偿，或者两者综合采用，从而达到使电气设备经济运行的目的。

参考文献

[1]《工业与民用配电设计手册》第三版，中国电力出版社，2005.2