無功補償在施工臨時用電中的應用及效益分析

魚雙鍵

建筑施工現場大量使用電動機負荷(cosΦ≈0.8)和電焊機負荷(cosΦ≈0.4)，同時施工現場變壓器經常在負載率不足50%狀態下工作，這幾種主要因素導致施工現場總的功率因數長期處在0.7左右。由于功率因數過低，輸配電系統線路傳輸電流增加，各供配電設備容量得不到充分利用，限制了供電能力。從節約能源，提高輸配電系統的利用率，改善供電質量等方面考慮，需要進行無功補償。

1 無功補償方案的選擇

1.1 無功補償原理

電網中的電力負荷如電動機、變壓器等，大部分屬于感性負荷，在運行過程中需向這些設備提供相應的無功功率。在電網中安裝并聯電容器等無功補償設備以后，可以提供感性負載所消耗的無功功率，減少了電網電源向感性負荷提供由線路輸送的無功功率，由于減少了無功功率在電網中的流動，因此可以降低線路和變壓器因輸送無功功率造成的電能損耗。由此可見，無功補償的基本原理是:把具有容性功率負荷的裝置與感性功率同時并聯接在同一電路中，能量在兩種負荷之間相互交換。這樣感性負荷所需的無功功率就可以由容性負荷輸出的無功功率提供。

1.2 無功補償方案比選

無功補償按其安裝位置和接線方法分為:高壓集中補償、低壓分組補償和低壓就地補償。1)高壓集中補償:在高壓配電線路中安裝并聯電容器組;2)低壓分組補償:在配電變壓器低壓側安裝并聯補償電容器;3)低壓就地補償:在單臺電動機處安裝并聯電容器。其中就地補償區域最大，效果也好，但它總的電容器安裝容量比其他兩種方式大，電容器利用率低，經濟效益相對較低。高壓集中補償和低壓分組補償的電容器容量相對較小，利用率也高，且能補償變壓器自身的無功損耗，高壓集中補償在施工現場無法實現。因此，適用于施工現場的補償方式為低壓分組補償。

1.3 無功功率補償容量計算

1.3.1 無功補償后功率因數確定

在計算無功補償容量之前，首先要確定無功補償后功率因數。無功補償后功率因數不能小于供電部門要求的0.9，但不能一味認為該功率因數值越高越好。有兩方面原因:

1)大于1后將向電網輸送容性無功，同樣會導致功率損耗增加。2)功率因數越高，每千伏補償容量減少損耗的作用將變小。通常情況下，將功率因數提高到0.95比較合理。

1.3.2 無功功率補償容量的計算方法

以太原恒大綠洲二期工程工地現場應用情況為例，現場一臺變壓器容量S=315 kVA，計算有功負荷Pj=183.4 kW，自然功率因數 cosΦ1≈0.7，補償后功率因數 cosΦ2≈0.95。計算補償容量如下:QC=Pj(tanΦ1－ tanΦ2)=183.4 × (1.02 －0.33)=126.55 Kvar。

其中，QC為補償容量，Kvar;Pj為計算有功負荷，kW;tanΦ1為補償前功率因數角對應的正切值;tanΦ2為補償后功率因數角對應的正切值。

以上計算負荷Pj為該變壓器最大負荷時的計算負荷，自然功率因數cosΦ1為該變壓器為最大負荷時的功率因數，計算出的補償容量為補償裝置總的最大容量。在運行過程中，補償裝置通過功率模塊采樣分析功率因數情況，根據需要投入電容器(即動態投入相應的補償容量)，保證功率因數達到設定值要求。

2 無功補償功能的實現

控制器對電網電壓，電流進行交流采樣，實時計算電壓有效值，有功功率，無功功率，功率因數等采樣參數。以無功功率作為無功補償的投切依據，發出對各個補償電容器的投切命令，并通過光耦輸出12 V電平信號到復合開關，復合開關實現過零投切。控制器對投切后的電壓電流進行交流采樣計算相關數據，判斷是否達到電網要求，并做下一步的命令動作準備。一次系統主接線圖及自動補償控制器見圖1，圖2。

復合開關投切電容器無功補償裝置，其投切開關是晶閘管和接觸器并聯的復合開關，主要作用是用晶閘管控制電容器過零投切，以降低傳統接觸器投切的電流沖擊，電容器投入后再由接觸器旁路晶閘管，使電容運行。動態無功補償復合的主要技術特點有:實現動態補償，可對頻率和大小都變化的無功功率進行補償，對補償對象有極快的響應。不容易和電網阻抗發生諧振，且可以跟蹤電網頻率的變化，故補償性能不受電網頻率變化的影響。

復合開關投切補償電容較傳統方式的優點:1)過零投切。斷口電壓為零時，開關接通;電流過零時，開關分斷。由于采用過零觸發技術，因此可使射頻干擾降低到最低程度。2)功耗小。由于采用了磁保持器，控制裝置只在投切動作瞬間耗電，平時不耗電;且磁保持繼電器的觸發電阻小，不需要外加散熱片或風扇，降低了成本。3)抗干擾。具有低阻抗的特點，可以抑制干擾，消除噪聲。

3 無功補償的效益分析

1)補償無功功率，可以增加電網中有功功率的比例常數，提高電網運行的穩定性和可靠性。2)減少發、供電設備的設計容量，減少投資。以(1.3.2節)一臺315 kVA變壓器為例分析，供電區域內總的有功計算負荷為183.4 kW，未進行無功補償前自然功率因數為0.7，視在功率為262 kVA，選用315 kVA變壓器;無功補償后功率因數為0.95，視在功率為193.05 kVA，選用200 kVA變壓器即可。由此可見，進行無功補償后系統中無功功率減少，視在功率減少，選用變壓器容量明顯減小，減少了變壓器設備投資。3)對用電企業來說，可以節約用電費用。因為國家提倡節能降耗，從合理利用有限電能出發，對不同企業的功率因數規定了要求達到的不同數值，低于規定的數值，需要多收電費，高于規定數值，可相應地減少電費。使用無功補償雖然增加了初次投資費用，但減少了運行后的基本電費。按照功率因數調整電費，施工現場屬于工業用電適用辦法，見表1。以(1.3.2節)施工現場一臺315 kVA變壓器分析，一臺315 kVA變壓器供電面積5萬m2，每平方米用電10度，以平均電價1.0元/度計算。未進行無功補償前，自然功率因數為0.7，電費支出為5×10×1.0×(1+10%)=55萬元;補償后功率因數達到0.95，電費支出為5×10×1.0×(1－0.75%)=49.625萬元。補償柜補償容量為130 kVA，補償柜設備費為:8 500元/臺。故一臺315 kVA變壓器供電系統進行無功補償后，可節約企業電費支出55－(49.625+0.85)=4.525萬元。恒大綠洲二期工程施工面積21萬m2，施工用變壓器4臺，總體節約電費約18.1萬元。4)降低線損，提高功率因數后，線損率也下降了，減少設計容量、減少投資。以(1.3.2節)一臺315 kVA變壓器為例分析，供電區域內總的計算負荷為183.4 kW，未進行無功補償前自然功率因數為 0.7，計算電流為:183.4/0.7/1.732/0.38=398.07 A。計算容量為選用電纜為YJV-4×150+1×50;無功補償后功率因數為 0.95，計算電流為:183.4/0.7/1.732/0.38=293.32 A，選用電纜YJV-4×95+1×50。由此可見，進行無功補償后電纜截面減少明顯，節約電纜費用相當可觀。

表1 以0.90為標準值的功率因數調整電費表

4 結語

通過本文論述，對施工現場臨時用電系統進行無功功率補償，是一種行之有效的節約電能及減少臨電設施費用投入的措施。我相信，根據無功補償在建筑施工現場臨時用電中產生的良好效益，無功補償在施工現場臨時用電中必將得到廣泛而深入的應用及發展。

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