无功补偿技术及其效益探讨

【摘 要】：文中结合湛江港铁矿石码头变电所功率因数偏低的实际集中探讨了无功补偿技术对企业配电网的影响以及提高功率因数给企业所带来的经济效益，介绍了影响功率因数的主要因素和提高功率因数的方法，讨论了如何确定无功功率的补偿容量，确保无功补偿技术经济、合理、安全可靠，达到节约电能的目的。

【关键词】：无功补偿技术;功率因数;效益;容量

中图分类号：F27 文献标识码：B

1. 概况

近年来，随着湛江港铁矿石码头的建成投产，大量高压机械设备投入使用，由于三相异步电动机自身的特点，其对无功的需求较高，而变电所无功补偿不足甚至部分变电所没有安装无功补偿装置，直接导致铁矿石各变电所功率因数偏低，同时引起变电所10kV母线电压降低，因此采用无功补偿技术，借助于无功补偿设备提供必要的无功功率，以提高系统的功率因数，降低系统能耗，改善电网电压质量，对我港生产有重大意义。

2. 影响企业供电系统功率因数的主要因素

三相异步电动机和电力变压器等含有感性电抗的设备是对无功功率需求较大的主要设备。三相异步电动机的定子与转子间的气隙是决定其需要较多无功的主要因素。异步电动机所耗用的无功功率是由其空载时的无功功率和一定负载下无功功率增加值两部分所组成，所以要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高其负载率。变压器消耗无功主要是它的空载无功功率，它和负载率的大小无关。因而，为了改善系统的功率因数，变压器不应空载运行或长期处于低负载运行状态。另外系统电压和电网频率的波动也会对功率因数造成很大的影响。

目前大部分企业的三相异步电动机额定功率因数只有0.80，即使满负荷运行其功率因数也只要0.80,达不到供电部门0.90的要求,因此必须要寻求能够使系统功率因数提高的一些实用方法，使系统能够实现无功功率的就地平衡，达到节能降耗的效果。

3. 无功补偿的方法

提高系统功率因数的主要方法是采用无功补偿技术，通常采用的方法主要有两种：单机就地补偿和动态跟踪补偿。

3.1 单机就地补偿

单机就地补偿就是将无功补偿装置与用电设备并接，通过控制、保护装置与用电设备同时投切。单机就地补偿适用于补偿电动机等用电设备的无功消耗，此种方式可较好地限制用电单位无功负荷，提高系统功率因数。其特点是：用电设备运行时，无功补偿装置投入，用电设备停运时，补偿设备退出，而且不需频繁调整补偿容量。具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活，维护简单、事故率低等优点。单机就地补偿特别适合大功率电动机械，可减少系统对无功补偿的需求。

3.2动态跟踪补偿

动态跟踪补偿是指以无功补偿自动投切装置作为控制保护装置，将无功补偿装置补偿在母线上的补偿方式。动态跟踪补偿具有运行方式灵活，运行维护工作量小，运行更可靠等优点，但控制保护装置复杂、首期投资相对较大。动态跟踪补偿特别适合于大型生产作业流程的无功补偿，因电动机安装分散，考虑到设备管理和维修的方便，无功补偿装置一般直接集中安装在母线上，并且采用根据系统负荷自动投切无功补偿控制方式，满足系统对无功补偿的需求

4. 无功功率补偿容量的选择

无功功率补偿容量的选择根据补偿方法的不同分为单负荷就地补偿容量的选择和多负荷集中动态补偿容量的选择。

4.1 单负荷就地补偿容量的选择

（1） 权威资料推荐：一般电动机Qc=(1/3)Pe [即额定容量的1/3]

此法简便易行，因一般电动机都不会满负荷运行，因此其功率因数可以补偿到0.90以上。此法在节能技术上广泛应用，对一般情况都可行，特别适用于Io/Ie（Io空载电流）比值较高的电动机和负载率较低（不超过2/3额定容量）的电动机。??

（2） 经验公式法：根据电动机额定功率和实际运行情况进行，统计其一般负荷情况下连续运行一段时间内的平均有功功率P，根据下列公式计算其无功补偿容量：

补偿前Q=Ptgφ1 补偿后Q-Qc=Ptgφ2

Qc=P(tgφ1-tgφ2)

例如，一台额定功率为315kW的电动机，其补偿前功率因数为0.7，补偿后功率因数为0.95，其一般负荷情况下连续运行时的电流为10A，其平均有功功率P=1.732×10×10×0.7=120kW

Qc=P(tgφ1-tgφ2)=120×（1-1/3）=80kvar

（3）、按电动机额定数据计算：当电动机额定功率因数在0.70以上时，可以按下式Qc≤√3UeIo=√3Ue*2Ie(1-COSφe)

其中：空载电流Io =2Ie(1-COSφe)

4.2、多负荷集中动态补偿容量的选择?

多负荷集中动态补偿容量的选择要根据补偿前后的功率因数来确定。

（1）对于已达到稳定生产的企业，其补偿容量Qc按下式选择：

Qc=WmK(tgφ1-tgφ2)/Tm

式中：Wm为最大负荷月时有功电度量；K为补偿容量计算系数，可取0.8～0.9;Tm为企业的最大负荷月实际工作小时数。

例如：湛江港铁矿石1#所Ⅱ段2008年8月有功电度为36万千瓦时，实际月工作时间为240小时，原来功率因数为0.60，现计划提高到0.90，Kj取0.9

则Q=360000×0.9×（4/3-1/2）/240=1100kvar

因采用电容器组自动投切控制补偿方式，补偿容量可适当增大，可选300kvar×4电容器组。

（2）对于已达到稳定生产的企业，其补偿容量Qc也可按下式选择：

Qc=P(tgφ1-tgφ2)

P为系统一般负荷情况下连续运行一段时间内的平均有功功率。

（3）对于设计阶段的企业，无功补偿容量Qc按下式选择：

Qc=KPn(tgφ1-tgφ2)

式中：K为年平均有功负荷系数，一般取0.5-0.7;Pn为企业各实际输出回路有功功率之和。

5．无功补偿的效益

在现代用电企业中，由于数量众多、容量大小不等的感性设备特别是电动机连接于电力系统中，以致电网传输功率除有功功率外，还需要无功功率。无功补偿技术的应用减少了电网无功功率的输入，给用电企业带来明显的经济效益。

5.1 节省企业电费开支

提高功率因数对企业的直接经济效益是明显的，因为国家电价制度中，从合理利用有限电能出发，对不同企业的功率因数规定了要求达到的不同数值，高压用电企业功率因数0.90以上，低压用电企业功率因数0.85以上，居民生活用电企业功率因数0.80以上，低于规定的数值，需要多收电费，高于规定数值，可相应地减少电费。

例如供电部门要求企业功率因数在0.85以上，而企业实际功率因数只有0.80，则企业需要多支付电费为（0.85/0.80-1）×50%=3%（注：供电部门和用户各负责50%的电费损失）若企业实际功率因数达到0.90，则企业可少支付电费为（1-0.85/0.90）×50%=2.5%可见，提高功率因数对企业有着重要的经济意义。

5.2 提高变配电设备的供电能力

供电设备功率因数低，相当于一部分容量被无功所占用，供电设备能力没有得到充分发挥，功率因数提高，变压器等供电设备的有功功率增加，事实上增加了变压器等设备的容量，从而满足了负荷增长的需要，计算公式如下：

补偿前?P1=S*COSφ1补偿后P2=S*COSφ2

P=P2-P1=S*COSφ2- S*COSφ1=S*( COSφ2- COSφ1)=P1*[（COSφ2/COSφ1）-1]

故S=P1/COSφ1×[（COSφ2/COSφ1）-1]

如一台额定容量为1600KVA的变压器，补前功率因数为0.80，补偿后功率因数为0.95，根据上面公式计算其增加容量为：?

1600×[（0.95÷0.80）-1]=300KVA

对尚处于设计阶段的新建企业来说则能降低设备容量，减少投资费用，在一定条件下，改善功率因数可以使所选变压器容量降低。因此，使用无功补偿不但减少初次投资费用，而且减少了运行后的基本电费。

5.3 降低线路损耗

电能在企业供电系统传输过程中，变压器和供电线路损耗掉部分有功功率，这就是线路损耗，线路损耗与通过线路电流的平方成正比，功率因数越低，线路电流越大，线路损耗越大，因此提高功率因数可以降低线路损耗。

补偿前后线路传送的有功功率不变，P=IUCOSφ，由于COSφ提高，补偿后的电压U2稍大于补偿前电压U1,为分析方便，可认为U2=U1从而I1COSφ1=I2COSφ2。

即:I1/I2=COSφ2/COSφ1,这样线损 P减少的百分数为：

ΔP%=(I12-I22)/I12×100%=（1-COS2φ1/COS2φ2）×?100%

当功率因数从0.80提高到0.95时，线路有功损耗将降低29%。

5.4 改善电压质量

线路电压损失与线路电流成正比，提高功率因数减少线路电流，也就减少了线路电压损失。因此提高功率因数有利于线路末端电压的稳定，能改善电压质量。但是如果装设电容器来改善电压质量很不经济的，无功补偿的主要目的是改善功率因数，减少线路损耗，调压只是一个辅助作用。

6．结束语

文中结合企业实际重点分析了提高功率因数为企业带来的经济效益，并且探讨了企业常用的两种无功补偿方法及其容量选择，希望能为需要无功补偿的企业提供一定的参考。??