低壓配電系統中三相異步電機的無功功率就地補償

周 妍

( 黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱150080)

1 無功補償的原理

無功補償的基本原理是把具有容性功率負荷的裝置和感性負荷的裝置并聯在同一電路中，當容性負荷釋放能量時，感性負荷吸收能量，而感性負荷釋放能量時，容性負荷吸收能量，能量在兩種負荷間交換。

2 為什么要對三相異步電機進行無功補償

異步電動機屬于感性負荷，在運行過程中需要向這些設備提供相應的無功功率。如果由發電企業直接向用戶提供所需的大量無功功率，會導致輸電線路及變壓器因輸送大量無功功率而造成大量的電能損耗，這是不經濟的。為了最大限度地減少無功功率的傳輸損耗，提高輸配電設備的效率，無功補償設備的配置，應按照“分級補償，就地平衡”的原則，合理布局。

3 三相異步電動機運行功率因數及損耗

功率因數是衡量工廠供電系統電能利用程度及電氣設備使用狀況的一個具有代表性的重要指標。提高功率因數可以降低電能損耗，也是節能的一項重要措施。

在功率三角形中，有功功率P 與視在功率S 的比值，稱為功率因數cosφ，其計算公式為:

在電網的運行中，功率因數反映了電源輸出的視在功率被有效利用的程度，如何使得配電系統功率因數盡可能接近于1，使得電路中的無功功率可以降到最小，視在功率將大部分用來供給有功功率，從而提高電能輸送的功率。

三相異步電動機運行時，所消耗的功率包括有功功率和無功功率兩個分量。有功功率是用于電動機產生機械轉矩并且驅動負載所需的功率，它的電流隨負載的增加而增加，而無功功率，則是用于電動機內部的電場與磁場隨著電源頻率的反復變化，在負載與電源之間不斷地進行能量交換時所消耗的功率。無功電流在負載變化的情況下，其變化很微小，在相位上，電流的變化總是滯后于電壓90°，所以是純電感性質的。在實際運行中，電源供給電動機的總電流是有功電流和無功電流的矢量和，當電動機處于滿負荷運行時，有功電流大于無功電流，總電流的功率因數較高，而當負載下降時，有功電流減小，無功電流基本不變，所以功率因數降低。

可以這樣認為: 當電動機的輸出功率一定時，功率因數越低，就意味著其所需的無功功率越大，因而造成的損耗也較大。實踐證明，無功功率所產生的電能損耗，主要是發生在輸配電線路上的，對于那些距離電源較遠，線路電阻比較大，電動機運行功率因數低的終端設備，所造成的無功損耗就更加突出了。

4 無功補償方式的選擇

理論上而言，無功補償最好的方式是哪里需要無功，就在哪里補償，整個系統將沒有無功電流的流動。但在實際電網當中這是不可能做到的。因為無論是變壓器、輸電線路還是各種負載，均會需要無功。所以實際電網當中就補償裝置的安裝位置而言有如下3 種補償方式:

1) 集中補償:電容器組集中裝設在企業總降壓變電所的高壓側母線上。這種方式能使企業以上的供電系統減少無功功率引起的損耗。

2) 分組補償:電容器組分設在功率因數較低的車間變電所高壓側或低壓側母線上。這種方式能減少這些車間以上配電系統內無功功率引起的損耗。

3) 單獨就地補償:是將補償電容器組裝設在個別功率因數低的大容量感應電動機附近進行單獨就地補償。單獨就地補償適用于負荷平穩、經常運轉而容量又大的設備。

對低壓三相異步電動機采用就地無功補償，比集中無功補償和分組補償都要經濟可靠得多。因為，雖然它裝置的總無功容量要為集中無功裝置總無功容量的3 ～4 倍，但集中無功補償裝置的單位容量的費用卻為就地補償電容器的4 ～6 倍左右。而且，采用三相低壓異步電動機就地無功補償可降低工礦、企業內的低壓電網損失，節約了能源，減少了電費支出。

5 無功功率就地補償原理及電容量的選擇

1) 因為在電容負載中產生的超前無功電流與在電感負載中產生的滯后無功電流能夠相互補償，所以在電動機電源終端并聯一個適當容量的電容器，就可以使電動機所需的無功電流大部分由并聯的電容器供給，從而減少輸配電線路上的總電流，降低線路損耗。

2) 在給電動機選擇補償電容量時，根據電動機功率的大小，以及補償前后的功率因數值進行如下選擇:

一般情況下，選擇的補償電容量，只要能夠補償0.9 ～0.95 就可以了，不宜選擇過高補償，否則會使投資費用大幅度增加。

這種選擇一般可以達到補償要求，而且不會出現過補償的情況。

舉例:某工廠有3 臺低壓三相異步電動機，功率為每臺95 kW，計算3 臺電動機同時工作是無功補償的容量。

采用電力電容器進行無功補償。

式中:Qc為人工補償容量的無功功率，kvar;Pc為企業的計算有功功率，kW;tgφ1為補償前計算負荷功率因數角的正切值;tgφ2為補償后功率因數角的正切值; qc為無功功率補償率，kvar/ kW。

補償前:cosφ1=0.75

補償后:cosφ2=0.95

查表1 得:qc=0.554 kVAR/kW;Qc=qc×W=0.554 ×95×3 =157.89 kVAR

考慮到投資省效率大，采用在主變低壓側0.4 kV母線方加無功補償，補償容量為16 ×10 =160 kVAR。

表1 無功功率補償率qc

6 結 語

對三相異步電動機進行無功功率就地補償，只需要在電動機上并聯合適的電容器，不用另外加裝其它的保護裝置，就可以達到提高功率因數保護電動機的目的。降低了供電系統的能耗。提高功率因數，可減少線路及變壓器的損耗，減少了線路的壓降，降低了電動機的起動電流。有利于線路電壓的穩定和大電動機的起動。提高了電能質量，減少了電費的支出。

［1］中國標準化研究院，中國建筑科學研究院，國家發展和改革委員會能源研究所，機械工業節能中心. GB/T 12497－2006 三相異步電動機經濟運行［S］. 北京:中國標準出版社，2006.

［2］中國機械工業聯合會. GB50052－2009 供配電系統設計規范［S］. 北京:中國計劃出版社，2010.

［3］中國航空工業規劃設計研究院. 工業與民用配電設計手冊［S］. 北京:中國電力出版社，2005:20－24.