淺談無功補(bǔ)償在配電系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉玉峰(西藏玉龍銅業(yè)股份有限公司，西藏 昌都 854000)

淺談無功補(bǔ)償在配電系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉玉峰(西藏玉龍銅業(yè)股份有限公司，西藏 昌都 854000)

合理進(jìn)行無功補(bǔ)償以提高功率因數(shù)對于減少用電量、提高供電品質(zhì)有重要的作用。本文通過對工程設(shè)計(jì)中無功功率補(bǔ)償?shù)脑淼慕榻B，闡明了無功補(bǔ)償在低壓配電系統(tǒng)中的意義。對工程設(shè)計(jì)中常見的無功補(bǔ)償方式進(jìn)行了介紹，并對低壓電容器補(bǔ)償容量的計(jì)算進(jìn)行了探討。

無功補(bǔ)償； 功率因數(shù)； 補(bǔ)償容量

1 前言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的不斷提高，工業(yè)化進(jìn)展加快，工業(yè)電力需求也在日益增加。在工業(yè)供配電系統(tǒng)中，大量的電力負(fù)荷是感性負(fù)荷，因此整體自然功率因數(shù)較低，占用電網(wǎng)容量和導(dǎo)線截面，造成大量的電能損耗。無功負(fù)荷是為了維護(hù)電源與用戶的設(shè)備之間磁場和電場振蕩所需要的能量，因此，在實(shí)際供配電系統(tǒng)中要保持有功和無功功率的平衡，充分利用設(shè)備的容量，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸能力。無功補(bǔ)償技術(shù)在配電系統(tǒng)的合理利用有利于節(jié)約電能和提高供電質(zhì)量，這樣不僅可以降低能耗成本,而且有助于緩解能源供應(yīng)和建設(shè)壓力,對減少廢氣污染保護(hù)環(huán)境也有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

2 影響功率因數(shù)的因素及無功補(bǔ)償原理

2.1 影響功率因數(shù)的因素

(1)感性負(fù)荷。在工業(yè)生產(chǎn)中，大量變壓器、電機(jī)等感性負(fù)荷被利用，這些感性負(fù)荷自然功率因數(shù)較低，同時在實(shí)際運(yùn)行過程中，設(shè)備長期運(yùn)行在低負(fù)荷狀態(tài)下，較高負(fù)載率時損耗更大，功率因數(shù)更低。

(2)供電電壓不穩(wěn)。在工業(yè)生產(chǎn)中，大型設(shè)備較多，啟停頻繁，供配電系統(tǒng)電壓不穩(wěn)。當(dāng)供電電壓較高時，由于設(shè)備和線路磁路飽和的影響，功率因數(shù)會降低。當(dāng)供電電壓降低時，功率因數(shù)會提高，但此時會影響設(shè)備正常工作。

(3)變頻設(shè)備的影響。為了提高設(shè)備利用率，大量變頻器投入使用，由于選擇不當(dāng)，變頻器工作時產(chǎn)生高次諧波，消耗更多的無功功率，導(dǎo)致功率因數(shù)降低。

2.2 無功補(bǔ)償原理

把具有容性功率負(fù)荷的裝置與感性功率負(fù)荷并連接在同一電路，能量在兩種負(fù)荷之間相互交換。這樣，感性負(fù)荷所需要的無功功率可由容性負(fù)荷輸出的無功功率補(bǔ)償。在實(shí)際運(yùn)行時，一般根據(jù)電網(wǎng)中的無功類型，人為設(shè)置感性或者容性無功來抵消不必要的無功功率，已達(dá)到提高功率因數(shù)、減少損耗的目的。

3 無功補(bǔ)償意義

3.1 減少供配電系統(tǒng)的損耗

(1)

恒定有功功率條件下，假定cosφ1=0.7，根據(jù)電力部門電費(fèi)調(diào)整相關(guān)規(guī)定，調(diào)整功率因數(shù)至0.92，即cosφ2=0.92，則計(jì)算損耗率為ΔP%=42%。

3.2 減少發(fā)變電設(shè)備的設(shè)計(jì)容量

P=S1×cosφ1=S2×cosφ2

(2)

3.3 提高供配電系統(tǒng)利用率(增容)

由于設(shè)備選型時留有一定的裕量，電動機(jī)等設(shè)備負(fù)載率較低，通過無功補(bǔ)償，提高功率因數(shù)后，可以發(fā)揮設(shè)備潛能，提高變壓器、電動機(jī)等設(shè)備的負(fù)載率，減少投資，提高供電能力。供配電系統(tǒng)增容率為：

(3)

假定系統(tǒng)負(fù)荷自然功率因數(shù)為0.7(cosφ1=0.7)，采用無功補(bǔ)償，調(diào)整功率因數(shù)至0.93，即cosφ2=0.93，則供配電系統(tǒng)增容率為：

3.4 減少線路電壓降 改善電網(wǎng)質(zhì)量

線路電壓損失ΔU的計(jì)算公式為：

(4)

線路中輸送的有功功率不變，且線路總電阻R、感抗XL均為定值，提高功率因數(shù)后，cosφ增加，tanφ減小，因此線路壓降減少，從而提高了電壓質(zhì)量。

4 無功補(bǔ)償?shù)姆绞?/h2>

電網(wǎng)中無功功率必不可少，各級電網(wǎng)和輸配電設(shè)備均要消耗一定的無功功率，常規(guī)系統(tǒng)中無功功率損耗比有功功率損耗大得多，但是采用無功補(bǔ)償技術(shù)提高功率因數(shù)可以減少損耗，穩(wěn)定電壓。根據(jù)無功補(bǔ)償?shù)牡攸c(diǎn)不同，無功補(bǔ)償通常采用的方式為：集中補(bǔ)償、分散補(bǔ)償及就地補(bǔ)償。根據(jù)動態(tài)響應(yīng)時間的不同，無功補(bǔ)償分為：靜態(tài)補(bǔ)償、快速補(bǔ)償及動態(tài)補(bǔ)償。

4.1 集中補(bǔ)償和分散補(bǔ)償及就地補(bǔ)償

就地補(bǔ)償是指補(bǔ)償裝置與用電設(shè)備配置在一起，設(shè)備運(yùn)行則補(bǔ)償裝置投入使用，具有投資少，占地面積小，不會出現(xiàn)無功倒送現(xiàn)象。分散補(bǔ)償是指在車間或者末端配電盤柜上設(shè)置補(bǔ)償裝置補(bǔ)償，分散補(bǔ)償可以實(shí)現(xiàn)無功負(fù)荷分區(qū)平衡，減少無功功率在變配電站以下配電線路中的流動，使內(nèi)部線損顯著降低。但較集中補(bǔ)償投資大，不便管理。集中補(bǔ)償利于控制用戶本身的無功潮流，避免受電力網(wǎng)的電壓變化或負(fù)荷變化而產(chǎn)生過大的電壓波動。

4.2 靜態(tài)補(bǔ)償和快速補(bǔ)償及動態(tài)補(bǔ)償

國際上一般把響應(yīng)速度小于0.1s的稱為動態(tài)補(bǔ)償，響應(yīng)速度在0.1～5s的稱為快速補(bǔ)償，響應(yīng)速度在5s以上稱為靜態(tài)補(bǔ)償。動態(tài)補(bǔ)償開關(guān)電器執(zhí)行部分采用可控硅投切，一般采用半導(dǎo)體開關(guān)電器，而靜態(tài)補(bǔ)償開關(guān)電器執(zhí)行部分采用交流接觸器投切。

4.3 無功補(bǔ)償方式選擇

無功補(bǔ)償一般遵循以下原則：補(bǔ)償容量要達(dá)標(biāo)，分級補(bǔ)償就地平衡；高壓補(bǔ)償與低壓補(bǔ)償相結(jié)合，以低壓補(bǔ)償為準(zhǔn)；集中補(bǔ)償與分散補(bǔ)償相結(jié)合，以分散補(bǔ)償為主。

對無功功率進(jìn)行補(bǔ)償?shù)男Ч怯心抗捕玫?，選擇補(bǔ)償方式應(yīng)該從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)上綜合考慮，決定是采用高壓補(bǔ)償還是低壓補(bǔ)償，具體是集中補(bǔ)償還是分散補(bǔ)償，還是綜合采用，從而達(dá)到提高功率因數(shù)、降低配網(wǎng)損耗、提高電壓質(zhì)量的目的。

5 低壓電容器補(bǔ)償容量的確定

企業(yè)的無功補(bǔ)償在企業(yè)建設(shè)時應(yīng)統(tǒng)籌考慮，對一些大型電動機(jī)如球磨機(jī)、空壓機(jī)等首先應(yīng)考慮采用同步電動機(jī)，使整個企業(yè)的功率因數(shù)獲得一個比較高的數(shù)值，在此情況下，企業(yè)總配電站可能不增設(shè)電容器無功補(bǔ)償。但是在廠區(qū)內(nèi)低壓線路部分，為了減少電網(wǎng)中的電能損耗，一般應(yīng)考慮合理的無功補(bǔ)償。

現(xiàn)在低壓無功補(bǔ)償一般均采用干式自愈式并聯(lián)電容器，在實(shí)際使用過程中，由于受負(fù)荷情況、自然環(huán)境的影響，電容器容量每年均會有一定的下降，因此實(shí)際設(shè)計(jì)時要考慮一定的裕量，以抵消電容器容量衰減的影響，以避免出現(xiàn)欠補(bǔ)償情況的出現(xiàn)。

5.1 經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法

Qc=Kβ×Wc

(5)

式中：Qc——補(bǔ)償容量；

Wc——配變?nèi)萘浚?/p>

Kβ——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一般按照變壓器容量的1/3來確定補(bǔ)償容量，該經(jīng)驗(yàn)法是基于變壓器負(fù)載率在70%～80%區(qū)間內(nèi)，在實(shí)際配置時，應(yīng)該考慮負(fù)載率及負(fù)荷性質(zhì)，同時考慮到裕量，Kβ合理設(shè)置區(qū)間應(yīng)該為0.5～0.6，而對于負(fù)載率較低或者感性負(fù)荷小的供配電系統(tǒng)，Kβ=0.4。

5.2 公式計(jì)算法

根據(jù)補(bǔ)償?shù)攸c(diǎn)的不同，選擇不同的計(jì)算公式。

(1)就地補(bǔ)償公式：

(6)

式中：ICN——電動機(jī)額定電流，A；

cosφN——電動機(jī)自然功率因數(shù)；

UN——電動機(jī)額定電壓，V。

(2)集中補(bǔ)償公式：

(7)

式中：S1——計(jì)算視在容量；

cosφ1——補(bǔ)償前功率因數(shù)；

cosφ2——補(bǔ)償后功率因數(shù)。

6 結(jié)語

電力電網(wǎng)中的負(fù)荷大多為感性負(fù)荷，電網(wǎng)需要向這些設(shè)備提供必要的無功功率，因此電網(wǎng)中無功功率的損耗必不可少，在電網(wǎng)中安裝無功補(bǔ)償裝置可以提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，減少供配電系統(tǒng)的損耗，改善電壓質(zhì)量。所以無功功率補(bǔ)償裝置是電力供電系統(tǒng)中一個非常重要的環(huán)節(jié)。

容量較大、經(jīng)常使用的平穩(wěn)負(fù)荷宜采用就地補(bǔ)償。而對于波動較大且諧波含量高的負(fù)荷，宜采用動態(tài)補(bǔ)償加濾波方式。在選擇補(bǔ)償容量時，應(yīng)充分考慮元件衰減的因素，考慮一定的裕量。但裕量不宜過大，造成過補(bǔ)償，系統(tǒng)處會出現(xiàn)容性無功電流，增加系統(tǒng)損耗。

Application of reactive compensation in power distribution system

Suitable reactive power compensation has an important role in reducing electricity and improving power supply quality. Through introducing the principle of reactive power compensation in engineering design, the significance of reactive power compensation in low voltage distribution system was expounded. The common ways of reactive power compensation in engineering design were introduced, and the calculation method of compensation capacity of low voltage capacitor was discussed.

reactive power compensation; power factor; compensation capacity

TD714.3

A

劉玉峰(1970-)，男，山東單縣人，電氣管理工程師，從事有色金屬資源開發(fā)工作。