用戶低負荷狀況下無功補償問題探討

黃 斌，呂飛鵬

(1.德陽電業局，四川德陽 615000;2.四川大學電氣信息學院，四川成都 610065)

0 引言

在工廠配電設計時，用電設備的無功補償問題已經得到了設計人員的高度重視［1］，在工廠正常生產情況下，功率因數達到0.9及以上的標準是完全沒有問題的。但是，當工廠開工率不足，平均負荷很低的時候，此時的功率因數通常很低，用戶為此將被處罰不少的力率調整電費。

下面將分析這種情況產生的原因，并介紹一種新的無功補償電容選擇方式，并通過合理的運算來進行電容投切以避免工廠低負荷情況下受到力率考核。

1 補償容量的選擇

若用戶最大負荷月的平均有功功率為Pj，補償前的功率因數為cosφ1，補償后要求達到的功率因數為cosφ2，則補償容量 Qc可以用下述公式計算［2］。

式中，Qc為所需補償容量，kvar;Pj為最大負荷月平均有功功率，kW。

但在實際設計中，準確計算無功補償容量比較復雜，且負載經常變化，計算出來也無太大意義，只要功率因數達到0.9以上就可以了。一般來說，工廠無功補償均選擇在低壓配電室進行集中補償，補償容量選擇為變壓器容量的30%～40%。對于普通小型工業用戶，特別是箱式變壓器用戶，受場地限制，一般僅有一面補償柜，并在電容器補償柜內裝10個補償電容器，即每個電容為變壓器容量的3%～4%，每個電容的容量一致，采用循環投切的方式進行無功補償［3－4］。

當用戶處于正常生產的過程中，利用該無功補償方式，采用自動投切電容控制器，用戶的月平均功率因數通常可以達到0.92及以上，滿足電網企業對工廠力率考核的要求。

2 低負荷情況下的工況

當用戶出現開工不足或平均有功功率較低的情況下，將可能出現最不利的情況:當投入一組電容器后，過補償，則補償系統自動切開該電容組;但此時系統實際無功補償不足，功率因數較低。

設變壓器容量為S，則按照前述方式，每塊補償電容的容量為0.04S kvar，則在投入電容之前，用戶低壓側的無功最大量也為0.04S kvar。在這種工況下，可能的有功功率為，按照電動機負載平均功率因數為cos φ=0.8計算，則有功為0.04S kW。按變壓器為500 kVA計算，則有功功率為20 kW，視在功率為25 kVA。按用戶兩班生產，則月用電量為9 600 kWh左右，低壓側功率因數也將保持在0.8。

由于目前供電部門無功考核點一般設置在高壓側，即實際考核用戶的功率因數為用戶高壓側的功率因數，即在低壓側功率因數計算的基礎上需加上變壓器的損耗。

變壓器的損耗可分為兩部分，即空載損耗和負載損耗，可用下述公式進行計算。

式中，△P為變壓器有功損耗，kW;P0為變壓器空載有功損耗，kW;Pk為變壓器短路有功損耗，kW;Sjs為變壓器計算負荷，kVA;Se為變壓器額定容量，kVA;△Q為變壓器空載無功損耗，kvar;Q0為變壓器空載無功損耗，kvar;Qk為變壓器短路無功損耗，kvar。

以上參數均可根據變壓器出廠銘牌或出廠實驗報告上注明的參數進行計算得出。

根據以上公式，考慮用戶變壓器為Sq－500，則該變壓器參數為:P0=0.96 kW;Pk=5.15 kW;Q0=5 kvar;Qk=20 kvar，通過以上參數，即可計算出變壓器每月的損耗為

由變壓器損耗及前述月用電量和低壓側的功率因數，則可以得到該例用戶在高壓側的功率因數cos φ1=0.69。

由以上分析可見，當用戶處在低負荷情況下時，高壓側功率因數由于變壓器自身損耗的問題，會進一步惡化。此時根據目前的功率因數調整電費管理辦法相關規定，其罰款因子為10.5%。按四川電網目前的電價標準，考慮用戶全部在平水期平段用電，則用戶當月電度電費和基本電費之和約18 600元，則功率因數調整電費約1 950元，即用戶至少需繳納1 950元的力率罰款。當用戶低負荷情況為大容量電機低負荷運行，負荷側的功率因數會更低，用戶整個功率因數也將更低，用戶遭受到的力率調整電費也將會更多。

由以上分析可見，由于補償裝置每步投切容量過大，當用戶處于低負荷情況下，自動補償裝置不能投入，負荷功率因數較低，同時加上變壓器自身損耗，用戶的功率因數將會進一步惡化，使得用戶被迫受到功率因數考核，直接影響用戶的經濟效益。

3 電容及其投切裝置的重新設計

通過以上分析可見，在低負荷情況下，電容器不能投入的主要原因是因為每步投切容量過大導致。因此，通過合理設計，解決每步投切容量過大問題，是解決上述問題的根本。

在設計電容時，將每個電容設計為容量不一致，即將電容設計成線性容量增長的情況，如前例，10個電容，原來每個0.04S kvar，總計補償容量為0.4S kvar。則重新設計為以0.005S kvar為起點，下一個為 0.01S kvar，并以 0.01S kvar為步長，直到 0.08S kvar，其中 0.04S kvar為兩個，總計 10 個電容，0.405S kvar。

這樣進行電容設計并按照上述實例，在有功功率為20 kW，負荷功率因數為0.8的情況下，負荷無功功率為15 kvar，電容補償裝置通過合理運算，可將容量為15 kvar的電容器投入或將5 kvar和10 kvar的電容器同時投入，達到補償的目的。即在任何情況下，該裝置最小可投入0.005S kvar的電容進行補償，確保低壓側功率因數大于0.9及以上。

在進行完電容設計后，選用合理的低壓無功補償電容投切裝置則相當重要。目前，中國投入使用的低壓無功補償電容投切裝置主要有3種:①接觸器投切電容裝置;②晶閘管投切電容裝置;③復合開關投切電容裝置。

以上3種裝置，各有優劣，通過綜合比較，選用復合開關投切電容裝置，該裝置具有以下特點［5－6］。

①該裝置投切電容時，不僅無涌流，無操作過電壓，而且功耗小，諧波小，使用壽命長。

②響應速度相對較快，由于存在接觸器轉換的過程，該裝置響應時間大約為1 s，適用于無功變化相對較快的場合。此時，由于系統的頻繁投切，并聯電容器其質量的好壞、運行的可靠性，就將直接影響整套裝置的使用效果和壽命［7］。

③價格適中，可以為一般工廠所接受。

④可以方便地實現三相共補與三相分補。

⑤該裝置可以具有過電壓、欠電壓、電源缺相、負載缺相等保護功能。

選用以上自動投切裝置，即可在硬件上滿足一般工廠對于無功變化而改變電容投切數量和容量的需求。

4 智能投切控制器的重新設計

由于在絕大部分的設計中，低壓無功自動補償裝置的取樣點在低壓主母線上，補償點也在低壓主母線上。因此，補償未計及變壓器的損耗。

另一方面，變壓器的損耗并非任何情況下都需要進行補償，在負荷超過一定值后，負荷消耗的有功和無功大大超過變壓器的損耗，此時變壓器的損耗占整個功率的比例較小，則變壓器的損耗幾乎不影響功率因數的大小，這也正是用戶正常生產的情況。

但在低負荷情況下，就需要對變壓器損耗的無功進行補償，而要補償變壓器的無功損耗，在經濟合理的情況下，可以采用以下兩種方法進行。

①補償裝置從低壓側進行補償，但取樣點設置在變壓器的一次側，因此自動補償裝置檢測到變壓器高壓側的參數，由此可以控制補償裝置對所有無功進行自動補償。

該方法需采集變壓器一次側的參數，在實際工程中，小型工廠通常沒有可供采樣的一次側采樣點，同時對一次側的參數進行采樣，需要專用的電壓電流互感器，無形中增加了設備的造價，在實際工程中采用該方式花費的代價較大。

②自動補償裝置仍然在二次側進行自動補償。此時對自動補償裝置補償控制程序進行優化設計，達到補償變壓器損耗的目的。

下面，就第2種方式進行詳細闡述。

由于電容的設計為階梯，每個電容的大小是不一樣的，因此，普通的自動控制器是不能對這樣的電容設計進行控制的。此時，自動控制器需具有尋址功能，即自動控制器需要通過采樣數據計算目前所需無功量的大小，在經過邏輯判斷最合理的電容組合方式，然后控制相應的電容投入;在電容投入后，繼續采樣判斷，如果目前功率因數達到要求，則不再動作;如功率因數未達到要求，則繼續進行計算，并控制相應電容器的投切，確保功率因數大于設定的閥值并小于或等于1。

圖1 智能投切控制器的控制流程圖

在自動控制器的程序設計中，另一個需要的功能是對電流的大小進行判斷，即考慮負荷的大小。當負荷大于某個值時，正常進行功率因數計算并投切電容;當電流小于某個值時，在正常進行電容投切計算中，需要增加投入一個合適的電容器對變壓器無功損耗進行補償，此時在低壓側的功率因數可允許適當大于1。實際設計中，可將電流值進行分段設計并采用不同邏輯控制，以確保在低負荷情況下，仍然能夠通過低壓側的計算來補償變壓器的無功損耗。

其相應的具體控制流程圖如圖1所示。

5 結語

普通電力用戶在低負荷情況下，通常受到力率電費考核，在極端情況下甚至達到總電費的40%以上，不僅用戶的利益受到了極大的損失，也增加了電網的線損。

通過合理配置電容器的大小，改進電容器的配置方式，同時對智能投切控制器程序進行優化設計，使之具備電容器的尋址功能和不同負荷電流大小的判斷功能，既可不僅滿足低負荷時負荷的無功補償，也可滿足低負荷時對變壓器無功的補償，使得用戶在低負荷情況下功率因數顯著提高，避免了用戶不必要的經濟損失，對降低電網線損也起著積極的作用。

［1］聞桂陳，李湘君.變壓器無功補償問題探討［J］.電氣技術，2009(10):87－87.

［2］薛明琪，紀勇兵.電網無功補償容量的選擇［J］.低壓電器，2009(1):47－49.

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［6］李克芹，劉冬英.切換電容器交流接觸器在無功補償中的應用［J］.低壓電器，2009(5):63－66.

［7］王志潔，季美紅.低壓并聯電容器無功補償方案的確定與實現［J］.電工電氣，2009(6):29 －31.