影響無功補償容量參數(shù)的研究

薛小亮，王繼武，葉祥宇，劉若晨

無錫中糧工程科技有限公司 (無錫 214035)

無功補償設計是配電系統(tǒng)設計中不可或缺的組成部分。生產(chǎn)車間設備的動力來源一般是電動機，通常為三相異步感應電動機。三相異步感應電動機為感性負載，負載電流滯后于電壓，會降低配電系統(tǒng)的功率因數(shù)，在視在功率不變的情況下降低電源的供電能力，同時增加輸電線路損耗。根據(jù)《全國供用電規(guī)則》及各地供電局的規(guī)定，新用電單位功率因數(shù)低于規(guī)定值，供電局可拒絕接電。用電單位功率因數(shù)長期低于規(guī)定值，可能面臨供電局的處罰。因此，無功功率補償是配電設計中不可或缺的組成部分。

目前無功功率補償設計通常根據(jù)負荷計算確定補償容量，再根據(jù)補償容量選擇補償器件即并聯(lián)電容器的規(guī)格型號。在設計過程中，有兩個冷門參數(shù)會影響無功功率的估算，影響配電系統(tǒng)的最終使用效果，但由于它們不是直接相關的參數(shù)，所以容易被忽視。這兩個參數(shù)分別是電機負載率和補償電容器的額定電壓。

1 電機負載率對無功補償容量的影響

隨著社會進步和產(chǎn)品需求量的不斷增加，同時也為了體現(xiàn)規(guī)模效應，使得生產(chǎn)設備的額定產(chǎn)量不斷變大，所配備的動力即電機功率也隨之不斷增大。一方面，電機功率放大一點對整個設備造價的影響不大，設備的產(chǎn)量關系到整條生產(chǎn)線的產(chǎn)量，因此設備廠家在配備電機時從不“吝嗇”；另一方面，設備產(chǎn)量也關系到設備的性能口碑，為了應對偶爾過載裕量或者用戶的增產(chǎn)需求，設備廠家也有意識的增加設備電機的規(guī)格，如銘牌額定產(chǎn)量500 t/h的設備實際可以運行到550 t/h甚至600 t/h。這樣導致的結果是，電機的額定功率相對于實際負載需求增加較多，實際生產(chǎn)時電機的負載率較低。

電動機的負載率是電機的實際輸出功率占額定輸出功率的比值，輸出功率是指有功功率，就是電機實際將電能轉(zhuǎn)換為機械能的功率。三相異步感應電動機正常工作，除了需要有功功率還需要無功功率，無功功率是為了建立旋轉(zhuǎn)磁場所必須的勵磁電流產(chǎn)生的功率，它的數(shù)值主要取決于電動機的設計參數(shù)，也受到電源電壓的影響，與負載大小無關。電動機在相同電壓下，空載運行和滿載運行的無功功率相同。因此，電機運行時負載率的高低與無功功率的大小沒有關系。

Qe是電動機在任何工作狀態(tài)下(無論輕載或者滿載)均需滿足的無功功率數(shù)值。在沒有無功補償?shù)淖匀磺闆r下，Qe全部由電源電網(wǎng)提供，但電網(wǎng)中無功功率過多將拉低電網(wǎng)的功率因數(shù)，影響電網(wǎng)電能質(zhì)量，因此供電局要求各用電單位接入電網(wǎng)的功率因數(shù)不能低于0.9。大部分用電單位，需在自己的配電系統(tǒng)中設置無功補償裝置進行無功補償，無功補償裝置為配電系統(tǒng)提供了一部分無功功率，從而減少了從外部電源電網(wǎng)獲取的無功功率，提升配電系統(tǒng)的整體功率因數(shù)。

“大馬拉小車”對于滿足生產(chǎn)要求沒有問題，但對配電系統(tǒng)的無功補償容量的要求卻提高了，由于無功補償與日常生產(chǎn)的關系，不像運行電流、電壓這類硬性指標一樣直接相關，如電流超過設定值斷路器會直接跳閘使生產(chǎn)中斷，所以配電系統(tǒng)內(nèi)無功補償容量不足常常被忽略，只有功率因數(shù)不合格被供電局警告處罰、或者補償電容器長期使用壽命縮短明顯縮短，才會引起電工的注意。

筆者在一次對客戶的回訪時，溝通中得知車間生產(chǎn)基本正常，就是最近兩三年無功補償柜電容器使用壽命較短，更換比較頻繁，而且功率因數(shù)時常比較低，電容器已經(jīng)全部投切仍然無法將功率因數(shù)提高到合格數(shù)值。該車間生產(chǎn)多種產(chǎn)品，不同產(chǎn)品對主機設備的動力要求不一樣，個別產(chǎn)品的動力需求較大，其他產(chǎn)品動力需求略小，所以綜合考慮，將部分主機設備加大了電動機功率。日常生產(chǎn)時，出現(xiàn)這樣的情況：生產(chǎn)動力需求大的產(chǎn)品時，各主機設備電動機的負載率較高；生產(chǎn)動力需求小的產(chǎn)品時，各主機設備電動機的負載率較低。電動機在負載率較低的情況下工作時，為了使配電系統(tǒng)功率因數(shù)滿足指標要求，所需的無功補償容量更大，無功補償電容器長時間投入工作，不能正常輪換休息，電容器的使用壽命就縮短了。

2 補償電容器額定電壓對無功補償容量的影響

無功補償容量相同的電容器，額定電壓越高，實際工作時輸出的無功補償容量反而越小。因為電容器銘牌標稱的額定無功補償容量是其在額定電壓下的補償容量，而電容器的額定電壓通常高于正常工作電壓，因此電容器正常工作時的補償容量通常小于額定補償容量，而且額定電壓與實際工作電壓差值越大，電容器補償容量就“縮水”越明顯。

電容器無功補償容量的計算公式為：

Q=2πfCU2

式中：Q表示電容器的功率，var；f為系統(tǒng)頻率，50 Hz/60 Hz；C為電容器容量，F(xiàn)；U表示系統(tǒng)電壓，V。由公式可知，同樣電容容量的電容器，工作電壓越高，能提供的無功補償容量越高。無功補償電容器銘牌上的額定無功補償容量Q，是指在標稱額定電壓下的無功補償容量。假設一個電容器銘牌標識額定補償容量為50 kvAR，額定電壓為525 V，則當該電容器工作在400 V電力系統(tǒng)時，實際輸出的補償容量只有?？梢娧a償電容器，在相同的額定補償容量(或成為裝機容量)下，額定電壓越高，在400 V的電力系統(tǒng)中，實際輸出的無功補償容量(或稱為輸出容量)越小。無功補償電容器常見的額定電壓有400 V、450 V、480 V和525 V等，通常額定電壓越高的電容器價格更貴，給人一種性能指標數(shù)值越高的產(chǎn)品性能越好的慣性錯覺。因此，在選用無功補償電容器時，我們不能想當然或者被供貨商“忽悠”，一味選用性能指標數(shù)值高、價格高的產(chǎn)品，而是應該根據(jù)需要選用性能合適的產(chǎn)品。一般普通的場合，額定電壓480 V的無功補償電容器已經(jīng)能滿足使用需要。如果確實對產(chǎn)品耐壓有更高要求，需要選用額定電壓更高的電容器，就需要復核好電容器在實際工作電壓下的實際輸出無功容量，以免出現(xiàn)補償容量不夠的情況。

3 結語

本文所討論的兩個參數(shù)對無功補償容量影響的內(nèi)容，在《工業(yè)與民用供配電設計手冊》中有提及，但僅說明了結論，沒有詳細分析和計算推導過程，特別是負載率對無功補償?shù)挠绊憽o功補償是配電設計中重要的一部分，關系到配電系統(tǒng)規(guī)范安全可靠的運行。隨著生產(chǎn)力發(fā)展，電力應用規(guī)模在不斷的迅速的擴大，安全用電的要求將會越來越嚴格，希望電氣技術人員和用戶能更加重視安全用電。