無功補償在軋鋼廠的應用探究

顏紅

【摘 要】眾所周知，冶金工業是全國的耗能大戶。從節能降耗為出發點，在輸電線路上增設并聯電容器進行無功功率補償就是其中的一種措施，它對電網的安全、優質、經濟運行具有重要作用。

【關鍵詞】無功功率補償；并聯電容器；節能降耗

【Abstract】As we all know， the metallurgical industry is large energy consumption. From saving energy and reducing consumption as a starting point， in addition on the transmission line， parallel connection capacitor for reactive power compensation is one of these measures， it is very important role for power grid which is safety， high quality and economic operation .

【Key words】Reactive power compensation；Parallel capacitor；Energy saving

0 前言

馬鋼第二鋼軋總廠型材分廠是以軋制型材為主的生產線且生產設備陳舊，大多數的設備都是電感性，這些電感性的設備在運行過程中不僅需要向電力系統吸收有功功率，還同時吸收無功功率。如果電網中的無功功率供不應求，用電設備就沒有足夠的無功功率來建立正常的電磁場，那么，這些用電設備就不能維持在額定情況下工作，用電設備的端電壓就要下降，從而影響用電設備的正常運行。因此在電網中安裝并聯電容器無功補償后，將可以提供補償感性負荷所消耗的無功功率，減少了無功功率在電網中的流動，可以降低輸配電線路中變壓器及母線因輸送無功功率造成的電能損耗。

1 無功補償的類型

我們知道提高功率因數的方法有兩種，一種是改善自然功率因數，另一種是人工補償。人工補償的最普遍的方法就是并聯電容器，它的基本方式有集中補償、分組補償和就地補償三種。

1）集中補償主要是指在企業總降壓站，集中安裝一批高壓電力電容器，以補償本企業所需的無功能量，它能達到提高供電能力、減少變損與線損、穩定電壓的目的。本廠的高壓部分補償就是屬于這一類型。

2）分組補償是根據企業各個負荷中心而進行的局部補償（又稱車間小集中補償）使6KV及以上的企業內部高壓輸電系統電力無功被減小到最低限度，減少了廠區內部高壓線損和變損，提高了企業內部高壓供電能力。但分組補償不能對存在大量低壓無功的380V低壓輸配電網進行有效的補償。

3）就地補償是克服了上述兩種補償方式的缺點而進行無功補償，這一種補償方式把無功電流局限在需要的哪個地方，消除了電力無功在高、低壓電網上的流動，這是一種值得推廣的無功補償方式。

2 本廠無功補償現狀

在本廠的供電系統中，實際上多是采用高壓側補償和低壓側補償相結合的方案，以求經濟合理地達到總的無功補償的要求，使工廠電源進線處在最大負荷時功率因數不低于規定值（高壓進線時為0.9）

以型材分廠為例，如圖1：

圖1

如上圖所示，該廠由21#高配電所供電，在高壓側補償部分分別為2109和2119兩條線裝設采用的自動投切無功補償裝置，高壓并聯電容組的容量為2100 kvar；低壓側補償部分裝設并聯電容柜有三處，分別在0#電磁站、1#電磁站和4#電磁站，低壓電容柜是江蘇華晟公司生產CLN型自動補償柜，0#電磁站為4#變壓器供電并聯電容的大小為400kvar；1#電磁站為1#變壓器常供電并聯的電容大小為720 kvar；4#電磁站為2#變壓器常供電并聯電容大小為400 kvar。

高壓側和低壓側同時補償后，6kV側需要的大部分無功由6kV的補償電容提供；6kV的母線由于安裝了并聯電容器，功率因數得到了提高；線路末端的大部分無功由低壓電容提供。

系統低壓側，由于低壓電容的補償作用，0.4kV側的功率因數將被提高，從6kV到0.4kV的線路末端，因線路中無功電流減少，所以降低了線路損耗和變壓器損耗，同時線路越長節能效果越明顯。

3 無功補償的效益分析

3.1 低壓集中無功補償對變壓器容量的選擇影響

如圖1所示0#電磁站安裝的無功補償做個重點的計算分析對變壓器容量選擇的影響。

該電磁站由4#變壓器常供電，采用的是低壓集中補償的方式，補償電容并聯在變壓器的二次側母線上，所帶的負載總共容量估算約：P=550kW，cosΦ1=0.80（以電動機為主要負載類型，經查表得）按照正常的工作狀態的話功率因數還達不到這么大，我們以設計階段的估算值取0.8。

1）補償前應選變壓器的容量

有功計算負荷：P30=P=550kW

無功計算負荷：Q30=P30*tgΦ1=550*0.75≈413kvar

視在計算負荷：S30=550/cosΦ1=550/0.8=687.5kVA

因此在無功補償前變壓器容量應該選擇為：800kVA

2）無功補償容量

按規定，變壓器的一次側的功率因素應該大于或者等于0.9，考慮到變壓器和線路的無功損耗，把功率因素提高到cosΦ2=0.94為益。

要使低壓側的功率因素由0.8提高到0.94，則低壓側需要裝設的并聯電容器的容量為：

Qc=Pe（tgΦ1-tgΦ2）= Pe*（acrcosΦ1-acrcosΦ2）= Pe*Δqc

=550*0.39=214.5 kvar（取整=220kvar）

3）補償后的變壓器容量和功率因素

補償后變壓器低壓側的視在計算負荷為：

S′30=■ kVA=583kVA

因此補償后變壓器容量可選為630kVA

變壓器的功率損耗為：

ΔP≈0.015*S′30=0.015*583=8.7kW

ΔQ≈0.06* S′30=0.06*583=35kvar

變壓器高壓側的計算負荷為：

P30=550+8.7=560kW

Q30=（413-220）+35=228kvar

S30=■ =605kVA

無功補償后的功率因素（最大負荷時）為：

cosΦ=P30/S30=560/605=0.926

這一功率因素滿足供電（0.90）的要求。

無功補償前后比較：

ΔS=800kVA-630kVA=170kVA

變壓器的容量在補償后減少了170kVA，降低了供電設備容量，減少基建投資，也減少基本電費開支，而且由于提高了功率因數，還會減少電度開支。

3.2 降低變壓器電能損耗

變壓器的電能損耗包括兩個部分：鐵損ΔPfe和銅損ΔPcu

鐵損只要外施電壓和頻率不變，它就是固定不變的。銅損與負荷電流（或功率）平方成正比，即與變壓器負荷率的平方成正比。ΔPcu近似地等于其短路損耗。

所以變壓器的損耗：△W=ΔPcu·Δβ2·t（Δβ為變壓器補償前、后的負載率）

=ΔPcu·■■ ·（1-cosΦ02 /cosΦ12）·t

以1#變壓器為例增設無功補償后變壓器的年節電量：1#變壓器SL7-1250，6.3/0.4，ΔPcu=13.8kW，平均負荷為750kVA，補償前cosΦ0=0.75，補償后cosΦ1=0.95，若年電能損耗時間安7500小時計算：

△W=ΔPcu·■■ ·（1-cosΦ02 /cosΦ12）·t

=13.8*■■*（1-0.752/0.952）*7500=13.8*0.36*0.38*7500=14159kW·h

3.3 降低線路損耗

由于進行了無功補償，使得線路電流減小，從而使得線路損耗大為減小，根據推導結果，線路損耗減小可由下式計算精確求得

ΔP線損=（P/Ue）2·R·（1/cosΦ02-1/cosΦ12 ）

如給生產線上升降臺電動機裝上并聯電容器，采用就地無功補償的方式，有關數據如下：電動機容量：75kW，cosΦ=0.85 ，平均負荷為85%，年用電時間取7000小時，電纜截面為3×70mm2，銅心電纜，距離為120m，補后要求cosΦ1達到0.95以上，每根電纜電阻為0.32Ω/kM

ΔP線損=（75×0.85/0.38）2*0.32*0.12·（1/0.852-1/0.952）=0.324kW

年節電總量為：0.324×7000=2268kW·h

3.4 提高負載的端電壓

負荷電流的降低，減小了供電線路的電壓損耗，改善了負載端電壓，從而保證了電氣設備實際出力，提高了生產效率。

3.5 減少了用戶的電費支出，固投資回收期限短

企業每月的電費主要由以下組成：基本電費=主變容量（kVA）×18（元/kVA.月）；

電量電費=有功電度（kW·h）×單價（元/kW·h）；

力調電費=（基本電費+電量電費）×獎懲比例

僅以上面的例子而言，1）變壓器容量的降低每年節省基本電費=170 ×18 ×12=36720元

2）變壓器損耗降低節省電量電費=14159×0.56=7929.04元

3）降低了線路損耗節省電量電費=2268×0.56=1270.08元

由于增設了無功補償，功率因數得到了提高，依據本地電力局的要求功率因數達到0.9以上，按每增加0.01，減收電費總額的0.15%。

4 存在的問題及解決辦法

目前我廠使用的高、低壓無功功率補償裝置在使用過程中都存在一些問題，如：高壓無功補償部分，由于沖擊負荷平繁造成自動投切裝置壞，自動投切控制器不靈敏、不動作等等，常需要人工手動進行投切，有的時候會造成過補或者補償不夠。低壓無功補償部分，也有自動投切控制器壞，內部的晶閘管、快熔等裝置壞，有的現存無功補償柜由于上述的原因都沒有投入使用，造成資源的浪費；電容器本身還存在“鼓肚”、滲漏油、缺油和絕緣不良等諸多現象。

所以我們應該嚴格按照并聯電容器的維護方案進行日常的維護工作，同時還應該加強設備的日常點檢，對存在的問題或者現已損壞的配套設備裝置應該及時聯系廠商進行更換維護，使無功補償裝置真正發揮自身的作用。

5 結束語

通過上述的調查分析，無功功率補償在工廠供電系統中是非常必要的，不管是從節能的角度還是提高電網供電質量的角度來看，無功功率補償都是值得推廣的。從本廠現有的供電線路來看，不管是高壓還是低壓，有的線路還是應該加設無功功率補償裝置，從而達到節能和提高電網供電質量的目的。對于本廠現已裝有的無功功率補償裝置，我們應該充分的利用，使其有最佳的利用效果。

【參考文獻】

[1]劉介才.工廠供電[J].2003，7.

[2]程陳.新編電力無功補償實用手冊[S].2009，9.

[3]冶金工業能源部.鋼鐵企業節電經驗[Z].1992，9.

[責任編輯：丁艷]

=550*0.39=214.5 kvar（取整=220kvar）

3）補償后的變壓器容量和功率因素

補償后變壓器低壓側的視在計算負荷為：

S′30=■ kVA=583kVA

因此補償后變壓器容量可選為630kVA

變壓器的功率損耗為：

ΔP≈0.015*S′30=0.015*583=8.7kW

ΔQ≈0.06* S′30=0.06*583=35kvar

變壓器高壓側的計算負荷為：

P30=550+8.7=560kW

Q30=（413-220）+35=228kvar

S30=■ =605kVA

無功補償后的功率因素（最大負荷時）為：

cosΦ=P30/S30=560/605=0.926

這一功率因素滿足供電（0.90）的要求。

無功補償前后比較：

ΔS=800kVA-630kVA=170kVA

變壓器的容量在補償后減少了170kVA，降低了供電設備容量，減少基建投資，也減少基本電費開支，而且由于提高了功率因數，還會減少電度開支。

3.2 降低變壓器電能損耗

變壓器的電能損耗包括兩個部分：鐵損ΔPfe和銅損ΔPcu

鐵損只要外施電壓和頻率不變，它就是固定不變的。銅損與負荷電流（或功率）平方成正比，即與變壓器負荷率的平方成正比。ΔPcu近似地等于其短路損耗。

所以變壓器的損耗：△W=ΔPcu·Δβ2·t（Δβ為變壓器補償前、后的負載率）

=ΔPcu·■■ ·（1-cosΦ02 /cosΦ12）·t

以1#變壓器為例增設無功補償后變壓器的年節電量：1#變壓器SL7-1250，6.3/0.4，ΔPcu=13.8kW，平均負荷為750kVA，補償前cosΦ0=0.75，補償后cosΦ1=0.95，若年電能損耗時間安7500小時計算：

△W=ΔPcu·■■ ·（1-cosΦ02 /cosΦ12）·t

=13.8*■■*（1-0.752/0.952）*7500=13.8*0.36*0.38*7500=14159kW·h

3.3 降低線路損耗

由于進行了無功補償，使得線路電流減小，從而使得線路損耗大為減小，根據推導結果，線路損耗減小可由下式計算精確求得

ΔP線損=（P/Ue）2·R·（1/cosΦ02-1/cosΦ12 ）

如給生產線上升降臺電動機裝上并聯電容器，采用就地無功補償的方式，有關數據如下：電動機容量：75kW，cosΦ=0.85 ，平均負荷為85%，年用電時間取7000小時，電纜截面為3×70mm2，銅心電纜，距離為120m，補后要求cosΦ1達到0.95以上，每根電纜電阻為0.32Ω/kM

ΔP線損=（75×0.85/0.38）2*0.32*0.12·（1/0.852-1/0.952）=0.324kW

年節電總量為：0.324×7000=2268kW·h

3.4 提高負載的端電壓

負荷電流的降低，減小了供電線路的電壓損耗，改善了負載端電壓，從而保證了電氣設備實際出力，提高了生產效率。

3.5 減少了用戶的電費支出，固投資回收期限短

企業每月的電費主要由以下組成：基本電費=主變容量（kVA）×18（元/kVA.月）；

電量電費=有功電度（kW·h）×單價（元/kW·h）；

力調電費=（基本電費+電量電費）×獎懲比例

僅以上面的例子而言，1）變壓器容量的降低每年節省基本電費=170 ×18 ×12=36720元

2）變壓器損耗降低節省電量電費=14159×0.56=7929.04元

3）降低了線路損耗節省電量電費=2268×0.56=1270.08元

由于增設了無功補償，功率因數得到了提高，依據本地電力局的要求功率因數達到0.9以上，按每增加0.01，減收電費總額的0.15%。

4 存在的問題及解決辦法

目前我廠使用的高、低壓無功功率補償裝置在使用過程中都存在一些問題，如：高壓無功補償部分，由于沖擊負荷平繁造成自動投切裝置壞，自動投切控制器不靈敏、不動作等等，常需要人工手動進行投切，有的時候會造成過補或者補償不夠。低壓無功補償部分，也有自動投切控制器壞，內部的晶閘管、快熔等裝置壞，有的現存無功補償柜由于上述的原因都沒有投入使用，造成資源的浪費；電容器本身還存在“鼓肚”、滲漏油、缺油和絕緣不良等諸多現象。

所以我們應該嚴格按照并聯電容器的維護方案進行日常的維護工作，同時還應該加強設備的日常點檢，對存在的問題或者現已損壞的配套設備裝置應該及時聯系廠商進行更換維護，使無功補償裝置真正發揮自身的作用。

5 結束語

通過上述的調查分析，無功功率補償在工廠供電系統中是非常必要的，不管是從節能的角度還是提高電網供電質量的角度來看，無功功率補償都是值得推廣的。從本廠現有的供電線路來看，不管是高壓還是低壓，有的線路還是應該加設無功功率補償裝置，從而達到節能和提高電網供電質量的目的。對于本廠現已裝有的無功功率補償裝置，我們應該充分的利用，使其有最佳的利用效果。

【參考文獻】

[1]劉介才.工廠供電[J].2003，7.

[2]程陳.新編電力無功補償實用手冊[S].2009，9.

[3]冶金工業能源部.鋼鐵企業節電經驗[Z].1992，9.

[責任編輯：丁艷]

=550*0.39=214.5 kvar（取整=220kvar）

3）補償后的變壓器容量和功率因素

補償后變壓器低壓側的視在計算負荷為：

S′30=■ kVA=583kVA

因此補償后變壓器容量可選為630kVA

變壓器的功率損耗為：

ΔP≈0.015*S′30=0.015*583=8.7kW

ΔQ≈0.06* S′30=0.06*583=35kvar

變壓器高壓側的計算負荷為：

P30=550+8.7=560kW

Q30=（413-220）+35=228kvar

S30=■ =605kVA

無功補償后的功率因素（最大負荷時）為：

cosΦ=P30/S30=560/605=0.926

這一功率因素滿足供電（0.90）的要求。

無功補償前后比較：

ΔS=800kVA-630kVA=170kVA

變壓器的容量在補償后減少了170kVA，降低了供電設備容量，減少基建投資，也減少基本電費開支，而且由于提高了功率因數，還會減少電度開支。

3.2 降低變壓器電能損耗

變壓器的電能損耗包括兩個部分：鐵損ΔPfe和銅損ΔPcu

鐵損只要外施電壓和頻率不變，它就是固定不變的。銅損與負荷電流（或功率）平方成正比，即與變壓器負荷率的平方成正比。ΔPcu近似地等于其短路損耗。

所以變壓器的損耗：△W=ΔPcu·Δβ2·t（Δβ為變壓器補償前、后的負載率）

=ΔPcu·■■ ·（1-cosΦ02 /cosΦ12）·t

以1#變壓器為例增設無功補償后變壓器的年節電量：1#變壓器SL7-1250，6.3/0.4，ΔPcu=13.8kW，平均負荷為750kVA，補償前cosΦ0=0.75，補償后cosΦ1=0.95，若年電能損耗時間安7500小時計算：

△W=ΔPcu·■■ ·（1-cosΦ02 /cosΦ12）·t

=13.8*■■*（1-0.752/0.952）*7500=13.8*0.36*0.38*7500=14159kW·h

3.3 降低線路損耗

由于進行了無功補償，使得線路電流減小，從而使得線路損耗大為減小，根據推導結果，線路損耗減小可由下式計算精確求得

ΔP線損=（P/Ue）2·R·（1/cosΦ02-1/cosΦ12 ）

如給生產線上升降臺電動機裝上并聯電容器，采用就地無功補償的方式，有關數據如下：電動機容量：75kW，cosΦ=0.85 ，平均負荷為85%，年用電時間取7000小時，電纜截面為3×70mm2，銅心電纜，距離為120m，補后要求cosΦ1達到0.95以上，每根電纜電阻為0.32Ω/kM

ΔP線損=（75×0.85/0.38）2*0.32*0.12·（1/0.852-1/0.952）=0.324kW

年節電總量為：0.324×7000=2268kW·h

3.4 提高負載的端電壓

負荷電流的降低，減小了供電線路的電壓損耗，改善了負載端電壓，從而保證了電氣設備實際出力，提高了生產效率。

3.5 減少了用戶的電費支出，固投資回收期限短

企業每月的電費主要由以下組成：基本電費=主變容量（kVA）×18（元/kVA.月）；

電量電費=有功電度（kW·h）×單價（元/kW·h）；

力調電費=（基本電費+電量電費）×獎懲比例

僅以上面的例子而言，1）變壓器容量的降低每年節省基本電費=170 ×18 ×12=36720元

2）變壓器損耗降低節省電量電費=14159×0.56=7929.04元

3）降低了線路損耗節省電量電費=2268×0.56=1270.08元

由于增設了無功補償，功率因數得到了提高，依據本地電力局的要求功率因數達到0.9以上，按每增加0.01，減收電費總額的0.15%。

4 存在的問題及解決辦法

目前我廠使用的高、低壓無功功率補償裝置在使用過程中都存在一些問題，如：高壓無功補償部分，由于沖擊負荷平繁造成自動投切裝置壞，自動投切控制器不靈敏、不動作等等，常需要人工手動進行投切，有的時候會造成過補或者補償不夠。低壓無功補償部分，也有自動投切控制器壞，內部的晶閘管、快熔等裝置壞，有的現存無功補償柜由于上述的原因都沒有投入使用，造成資源的浪費；電容器本身還存在“鼓肚”、滲漏油、缺油和絕緣不良等諸多現象。

所以我們應該嚴格按照并聯電容器的維護方案進行日常的維護工作，同時還應該加強設備的日常點檢，對存在的問題或者現已損壞的配套設備裝置應該及時聯系廠商進行更換維護，使無功補償裝置真正發揮自身的作用。

5 結束語

通過上述的調查分析，無功功率補償在工廠供電系統中是非常必要的，不管是從節能的角度還是提高電網供電質量的角度來看，無功功率補償都是值得推廣的。從本廠現有的供電線路來看，不管是高壓還是低壓，有的線路還是應該加設無功功率補償裝置，從而達到節能和提高電網供電質量的目的。對于本廠現已裝有的無功功率補償裝置，我們應該充分的利用，使其有最佳的利用效果。

【參考文獻】

[1]劉介才.工廠供電[J].2003，7.

[2]程陳.新編電力無功補償實用手冊[S].2009，9.

[3]冶金工業能源部.鋼鐵企業節電經驗[Z].1992，9.

[責任編輯：丁艷]