民用建筑供配电系统中的无功补偿方式及其选择

摘要:城市化进程的不断加快使得民用建筑数量急剧增多，与此同时，城市用电量也在快速增长。时于提高用电效率而言，无功补偿装置一直是配电系统中重要的组成部分。文章通过研究民用建筑配电系统的无功补偿，对无功补偿的几种方式进行了梳理，并针时民用建筑工程给出了功率补偿的选择方法，最后通过实例说明了无功补偿的具体应用。

关键词:民用建筑；配电系统；无功补偿；三相电容

中图分类号：U224文献标识码： A

引言

随着社会的快速发展和人们生活水平的不断提高，各地建设了大量的办公楼、住宅公寓、大型商场和超市、高级酒店，民用建筑和工业的用电量在飞速增长。由于民用建筑的用电负荷类型为单相感性负荷，其本身的功率因数很低，因此导致整个系统的供电效率不高。为了提高功率因数，降低无功功率，使电能得到充分利用，提高供电质量，我们通常在供配电系统中加入无功补偿装置来进行无功功率补偿。无功功率补偿是提高电能质量的重要手段，它可以降低输电线路上的压降和能量损耗，进而减少用电能耗，提高电能的质量。

一、无功补偿的原理

电网输出的功率有２部分：一部分是有功功率，另一部分为无功功率。有功功率可直接转化为能使用的各种能量，如电灯照明、煮饭的热能等；无功功率不能以使用能的形式体现出来，却是设备做功的必备条件。无功功率的损耗在以下2个公式中可以体现出来。

1、输电线路上电压降的公式：

式中，Ｕ１为线路起点电压；Ｐ１为输电线路的有功功率；Ｒ为输电线路的电阻；Ｑ１为输电线路的无功功率；Ｘ 为输电线路的电抗。

在Ｒ、Ｘ、Ｕ１、Ｐ１这４个量不变的情况下，Ｑ１的减少将使电压降降低。

2、输电线路上有功功率损耗的公式：

式中，Ｕ２为线路终点电压；Ｒ为输电线路的电阻；Ｐ２为输电线路终点的有功功率；Ｑ２为输电线路终点的无功功率。在Ｒ、Ｕ２、Ｐ２这3个量不变的情况下，Ｑ２的减少将使线路损耗降低。

从上面２个公式可以看出，无功功率补偿对电能质量的提高、线路上电能损耗的降低有重要作用。

在电感元件中电流做功时，电流滞后于电压90°；在电容元件中电流做功时，电压滞后于电流90°；在同一个电路中，电感电流与电容电流矢量方向相反，相差180°。如果在电容元件电路中有比例地安装电磁元件，就可以抵消两者的电流，使电压矢量与电流矢量之间的夹角减小，进而使电源的做功大大提高。而供电设备多数为感性负载，存在大量的无功功率，因此在感性负荷中并联电容器作为无功补偿装置，这种方式在国内外被广泛采用，叫做电容补偿。把容性负荷装置与感性负荷连在同一电路中，能使它们之间进行负荷交换，这就使得感性负荷需要的无功功率可用容性负荷输出的无功功率补偿，从而提高了系统的功率因数。

二、无功补偿方式梳理

通常情况下，在负荷侧进行集中的无功补偿是最为理想的补偿方式，即在变压器的低压侧等低压系统中，通过采用功率因数调整装置，进行无功的自动调节，它可以依据负荷的变化进行电容器的自动投入或切除。具体而言，其补偿方式有三种，即三相电容自动补偿、分相电容自动补偿和混合补偿。在此对这三种补偿方式的特点进行分析：

2.1 三相电容自动补偿。其结构较为简单，投资少，因此，这一方式在配电系统中得到了大量的应用。在无功补偿过程中，三相中的任一相取得信号后，依据结果需要，将三相中的电容投切掉相同的数量。这种补偿方式在负荷平衡的系统中使用十分适宜。

2.2 分相电容自动补偿。顾名思义，这种补偿方式是对每相进行独立补偿，首先对各相的电流和电压进行检测，当某一相的功率因数超出范围时，即进行该相的无功功率补偿。这种补偿方式有效避免了盲目补偿，大大提高了资源的利用效率，但在操作上要比三相电容自动补偿复杂一些。近年来，随着计算机技术的飞速发展，这种补偿技术也已经被广泛地应用于民用建筑的配电系统中。

2.3 混合补偿。这种补偿方式就是设置一组三相电容自动补偿，再设置一组分相电容自动补偿，依据检测的结果进行补偿方式的自动选择，它可以实现资源的充分利用。

三、民用建筑配电系统中功率补偿的选择

在无功功率补偿方面，选择哪一种补偿方式，要根据电网的情况而定。首先，设计人员要对所需补偿线路的负荷特点、三相间的电压不平衡程度等有所了解，然后再结合补偿方式制定合理的补偿方案。对于负荷较大且负荷变化快的工况，比如电动机的线路等，要采用随机补偿或配电线路分散补偿的方式，这种补偿方案比较节能，补偿效果也很明显。对于负荷比较平稳的供电线路要采用变电站集中补偿的方式，在一些情况下也可以使用随机补偿方式。对于一些特殊的工作线路，在确定方案时要考虑周全，慎重选择。特别是在含有瞬变高电压和大电流的线路中，要采用配电线路分散补偿的动态补偿方式，可以有效缓解高电压、大电流对电网的冲击。此外，无功功率补偿器控制方式的选择间接影响着无功功率补偿方式的选择。控制器有３种采样方式，分别是功率因数型、无功功率型和无功电流型。控制器的作用是指挥无功补偿装置的运行、采样和运算，为电容补偿器的正常运行提供保障。在民用配电网中，最主要的无功补偿方式就是以上所述的３种，这３种补偿方式各有各的优缺点。实际工程中，在弄清无功补偿原理的情况下，要根据现场的实际情况并结合选择标准来选择相应的补偿方式，使电网中的无功损耗降到最低。

四、案例分析

本节以某民用建筑配电系统的无功补偿设计为例，对无功补偿的具体应用进行说明。该综合大楼属于高层建筑，总建筑面积为3.2 ×10，其主要的用电设备包括空调机组、风机、电梯和灯具等，功率因数在0.45一0.75之间。400 V采用单母线分段方式，起初在每段母线上均设置有相应的三相自动无功补偿装置，其功率因数整定值为0.92.在运行过程中，经常会出现仪器、灯具等被烧坏的现象，表1给出了改装之前的抄表记录。

表1 抄表记录

可见，采用三相电容自动补尝方法后，A相和C相的电压偏高，B相的电压偏低，这对于用电设备而言是非常危险的。因此，我们进行了补尝装置的改装，使用了KDCF300低压动态无功补尝装置，它属于分相电容补偿方式，其功率因数整定值依然设置为0.92，装置投人运行后，三相电压保持在215一225 V之间，功率因数也保持在0.92一0.94之间，取得了很好的无功补尝效果。就当前的低压补偿电容器技术和相应的制造技术而言，在民用建筑的配电系统中，使用分相电容自动补尝是最为适宜的补尝方式。

结束语

本文对三相电容自动补偿、分相电容自动补偿和混合补偿这三种无功补偿方式进行了梳理，它们都有各自的优缺点，在实际运用中，应该具体问题具体分析。就民用建筑的配电系统来说，选择分相电容补偿方式是最为适宜的，这是因为民用建筑中的负荷存在严重的不平衡性。总而言之，电网的无功管理需要选择合理的无功补偿方式。另外，电力器件和电力电子技术的迅速发展也使得无功补偿装置有了很大的发展空间，无功补偿技术将会更加成熟，从而为电网作出更大的贡献。当然，这也需要相关工作人员付出更多的心血和汗水。

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文章所参考文献皆来源于中国知网