工廠供電系統無功補償技術淺析

游中國

【摘要】功率因數是工廠供電系統提高運行效率的重要因素。本文通過對工廠供電系統無功補償技術的研究，以及如何利用無功補償技術來提高工廠供電系統功率因數等問題的分析，實現工廠供電系統“少電高產、低能高效”運行模式，供讀者參考。

【關鍵詞】功率因素；工廠供電；無功補償

在我國，工業用電量占全國發電總量的70%以上。其中，工廠電氣設備和供電線路的電能損耗就占到工廠用電量的20%～30%。可見，提高功率因數，減少功率損耗，提高供電質量，無論是對工廠本身運行成本的降低，還是對國家電力資源的節約都有十分重要的意義。

１提高功率因素的必要性

在工廠中，由于使用了大量的異步電動機、電焊機、電弧爐、氣體放電燈、電力變壓器等感性負荷，使得綜合用電負荷呈阻感性質。因此，工廠設備在運行過程中，除了消耗所需的有功功率外，還需要大量的無功功率在電源和用電負荷之間作電磁交換。如果供電系統長期處在低功率因素下運行，會造成電網無功電流過大，使電網電能損耗和電壓損耗增加，給工廠供配電系統帶來不利影響。

根據《供電營業規則》中規定：變壓器容量在100KVA及以上的高壓供電的用戶，在系統高峰用電時，其功率因素必須達到0.9～0.95以上，其它電力用戶和大型排灌站以及躉購轉售電企業，其功率因素最低不得低于0.85，凡功率因素達不到此規定值的工廠必須進行無功補償。對于未能達到規定要求的工廠電力用戶，供電部門除了收取基礎電費以外，還要另行加收功率因數調整電費，即功率電費。因此，對工廠供電系統而言，通過提高工廠負荷功率因數，達到節能降耗的目的就非常有必要了。

2無功補償的原理及優點

如圖1所示，若用戶需要的有,高功率Ｐ■不變，通過裝設無功補償裝置將系統功率因數從ｃｏｓ?漬提高到ｃｏｓ?漬'時，無功功率將由原來的Ｑ■減小Ｑ■＇到，視在功率將由原來的Ｓ■減小到Ｓ■'。△Q■為無功補償裝置提供的無功功率，其補償容量為△Q■=Ｑ■-Ｑ■＇=Ｐ■(tan?漬-tan?漬')=Ｐ■·△q■。其中△q■=tan?漬-tan?漬'，稱為無功補償率或比補償容量。如果當前的功率因數ｃｏｓ?漬已知，并設定無功補償后待提高到得功率因數為ｃｏｓ?漬'，便通過上式計算或查表得出需要補償的無功容量△Q■。

在工廠或車間裝設無功補償裝置后，總的無功計算負荷減小為Ｑ■＇=Ｑ■-Q■，補償后低壓側總的視在計算負荷也減小為Ｓ■'=■<ＳＳ■。由此可見，無功補償后可以使變電所主變壓器容量選得更小一些，這樣不僅可以降低工廠或車間變電所的初期建設投入，還可以大大減少因變壓器自身功率損耗帶來的電費開支（△P■≈0.015Ｓ■）。同時，對于三相負荷而言，由于Ｓ■的減小，將使工廠或車間的負荷電流I■=S■/■U■減小，進一步使電網電流減小，從而降低電能傳輸過程中的電能損耗（線損），減小供電設備的容量和輸電線路的截面，節約電能；另外，線路上的電壓降△U也隨電網電流的減小而減小，這樣在始端電壓一定的情況下，可提高線路末端電壓，從而使供電電壓符合質量標準，提高供用電的可靠性。總而言之，提高功率因數不僅對整個電力系統有好處，對工廠自身也會帶來可觀的經濟效益。

3無功補償的具體方法

在工廠供電系統中，可以通過提高自然功率因數和采用無功補償技術兩個途徑來提高功率因數。采用補償方法來提高功率因數需增加新設備，也增加了投資，此外補償設備本身還有功率損耗，所以應首先采取提高用電設備的自然功率因數得措施，若仍不能滿足工廠用電規定的要求時（cos?準<0.9），則需要采用無功補償設備來提高功率因數。

3.1提高自然功率因數

自然功率因數是指用電設備在沒有任何補償的情況下所具有的功率因數。一般可以采用下列幾項措施降低用電設備消耗的無功功率，實現提高自然功率的目的。①一般來說，異步電動機額定負荷時功率因數ｃｏｓ?漬在0.8以上，而空載時則在0.1～0.2左右，可見功率因數與負荷率密不可分。因此，應合理選擇異步電動機的設備容量，使之接近于經濟運行狀態，避免異步電動機空載運行或長期處于低負荷運行狀態。對于變壓器及其它設備也一樣，其容量的大小應該選擇合適，使其接近滿載運行。②感應電動機容量應與負載相匹配，防止“大馬拉小車”。如果感應電動機長期輕載運行，可將其三角形聯接的定子繞組改為星形連接，使每相繞組承受的電壓變為原來的1/■，從而使定子旋轉磁場也降為原來的1/■，電動機的鐵損就相應減小了。在生產工藝條件許可時，可用同等容量的同步電動機代替異步電動機，可以大大提高功率因數，起到明顯的節能效果。③合理安排和調整工藝流程，改善電氣設備的運行情況。例如在電加熱處理中，將電爐的間歇作業改為連續作業，這就限制了電爐的空載運轉時間，使設備的自然功率因數得到提高。④選用高效節能的用電設備。如使用無壓運行的電磁開關；又如使用S9、S11型等新型變壓器替代老式變壓器，可以大幅降低變壓器的鐵損，提高自然功率因數。

3.2無功補償裝置

在采用各種技術措施減少用電設備的無功功率消耗的情況下，功率因數仍達不到0.9時，應使用無功補償設備來提高功率因數。早期的無功補償裝置是同步調相機，又稱為同步補償機，是一種專門用于改善功率因數的同步電動機，通過調節其勵磁電流，向電力系統提供或吸收無功功率而起到補償作用。而后又出現了并聯電容器、并聯電抗器、各類靜止無功發生器等無功補償設備。其中，并聯電容器以其安裝簡單、運行維護方便、功率損耗低、組裝靈活、擴容方便等優點，在工廠供電系統中得到了最為廣泛的應用。

并聯電容器可根據需要由若干個電容器串并聯組成，其補償容量可大可小，既可以集中使用，又可以分散使用，甚至分相補償。按電容器安裝的位置不同，電容器無功補償通常又分為高壓集中補償、低壓分組補償、個別補償三種方式。①高壓集中補償。將電容器組集中裝設在企業或工廠總降壓變電所的母線上，用來提高整個變電所的功率因數，使該變電所在其供電范圍內總無功功率基本保持平衡。這種補償方式可減少高壓線路的無功損耗，而且能夠提高變電所本身的供電質量。②低壓分組補償。將電容器組分別裝設在企業或工廠中功率因數較低的車間變配電所或車間配電盤的高壓或低壓母線上。這種方式具有與高壓集中補償相似的優點，但無功補償容量和范圍要小一些，電容利用率更高，效果更明顯。另外，低壓開關及保護裝置價格低，且易于實現自動控制。因此，這種無功補償方式在工廠中應用比較廣泛。③個別補償。將電容器組裝設在異步電動機等感性設備的控制柜中，就地進行無功補償，也稱為單獨補償或就地補償。通過共用一路開關，使電容器組與電動機同時運行或斷開，其補償效果好，但對電容器組的利用率較低。因此，個別補償適用于低壓網絡中距離電源較遠，并且長期穩定運行的中小型電機設備。

實際上，這幾種補償方式并不是獨立的，而是需要綜合起來考慮。首先，對距離電源較遠的長期穩定運行的中小型電動機進行個別補償；其次，對負荷分布比較集中的各配電饋線進行低壓分組補償；最后，對大容量的工廠總變壓器進行高壓集中補償。這樣才能取得最佳的補償效果。

4結語

實踐證明，無功補償技術是提高功率因數的一種行之有效的方法。它能為工廠減少功率損耗，節約大量電能，帶來經濟效益，同時也提高了電能質量，使工廠真正實現“少電高產、低能高效”的生產模式。

【參考文獻】

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［責任編輯：張濤］