試談我國低壓電網中無功補償的意義
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[論文關鍵詞]低壓電網 無功補償 功率因數
[論文摘要]低壓電網如何有效保持良好的工作狀態，降低電能損失，與電網穩定工作、設備安全運行、工安全生產及人民生活用電都有直接影響。分析無功補償的作用和主要措施。
無功補償是借助于無功補償設備提供必要的無功功率，以提高系統的功率因數，降低電能的損耗，改善電網電壓質量。
從電網無功功率消耗的基本狀況可以看出，各級網絡和輸配電設備都要消耗一定數量的無功功率，尤其是以低壓配電網所占比重最大。為了最大限度的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。
一、低壓配電網無功補償的方法
隨機補償：隨機補償就是將低壓電容器組與電動機并接，通過控制、保護裝置與電機，同時投切。
隨器補償：隨器補償是指將低壓電容器通過低壓接在配電變壓器二次側，以補償配電變壓器空載無功的補償方式。
跟蹤補償：跟蹤補償是指以無功補償投切裝置作為控制保護裝置，將低壓電容器組補償在大用戶0.4kv母線上的補償方式。適用于100kVA以上的專用配變用戶，可以替代隨機、隨器兩種補償方式，補償效果好。
二、無功功率補償容量的選擇方法
無功補償容量以提高功率因數為主要目的時，補償容量的選擇分兩大類討論，即單負荷就地補償容量的選擇（主要指電動機）和多負荷補償容量的選擇（指集中和局部分組補償）。
（一）單負荷就地補償容量的選擇的幾種方法
1．美國：Qc=（1/3）Pe
2．日本：Qc=（1/4~1/2）Pe
3．瑞典：Qc≤√3UeIo×10-3 (kvar)Io-空載電流=2Ie(1-COSφe )
若電動機帶額定負載運行，即負載率β=1,則：Qo 根據電機學知識可知，對于Io/Ie較低的電動機（少極、大功率電動機），在較高的負載率β時吸收的無功功率Qβ與激勵容量Qo的比值較高，即兩者相差較大，在考慮導線較長，無功當量較高的大功率電動機以較高的負載率運行方式下，此式來選取是合理的。
4．按電動機額定數據計算：
Q= k(1- cos2φe )3UeIe×10-3 (kvar)
K為與電動機極數有關的一個系數
極數：2468 10
K值： 0.70.750.80.850.9
考慮負載率及極對數等因素，按式（4）選取的補償容量，在任何負載情況下都不會出現過補償，而且功率因數可以補償到0.90以上。此法在節能技術上廣泛應用，特別適用于Io/Ie比值較高的電動機和負載率較低的電動機。但是對于Io/Ie較低的電動機額定負載運行狀態下，其補償效果較差。
（二）多負荷補償容量的選擇
多負荷補償容量的選擇是根據補償前后的功率因數來確定。
1．對已生產企業欲提高功率因數，其補償容量Qc按下式選擇：
Qc=KmKj(tgφ1-tgφ2)/Tm
式中：Km為最大負荷月時有功功率消耗量，由有功電能表讀得；Kj為補償容量計算系數，可取0.8～0.9;Tm為企業的月工作小時數；tgφ1、tgφ2是指負載阻抗角的正切，tgφ1=Q1/P，tgφ2= Q2/P；tgφ（UI）可由有功和無功電能表讀數求得。
2．對處于設計階段的企業，無功補償容量Qc按下式選擇：
Qc=KnPn(tgφ1-tgφ2)
式中Kn為年平均有功負荷系數，一般取0.7～0.75;Pn為企業有功功率之和；tgφ1、tgφ2意義同前。tgφ1可根據企業負荷性質查手冊近似取值，也可用加權平均功率因數求得cosφ1。
多負荷的集中補償電容器安裝簡單，運行可靠、利用率較高。
三、無功補償的效益
在現代用電企業中，在數量眾多、容量大小不等的感性設備連接于系統中，以致電網傳輸功率除有功功率外，還需無功功率。如自然平均功率因數在0.70～0.85之間。企業消耗電網的無功功率約占消耗有功功率的60%～90%,如果把功率因數提高到0.95左右，則無功消耗只占有功消耗的30%左右。減少了電網無功功率的輸入，會給用電企業帶來效益。
（一）節省企業電費開支。提高功率因數對企業的直接效益是明顯的，因為國家電價制度中，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。使用無功補償不但減少初次費用，而且減少了運行后的基本電費。
（二）降低系統的能耗。補償前后線路傳送的有功功率不變，P= IUCOSφ，由于COSφ提高，補償后的電壓U2稍大于補償前電壓U1,為分析問題方便，可認為U2≈U1從而導出I1COSφ1=I2COSφ2。即I1/I2= COSφ2/ COSφ1,這樣線損 P減少的百分數為：
ΔP%= (1-I2/I1)×100%=（1- COSφ1/ COSφ2）× 100%
當功率因數從0.70～0.85提高到0.95時，由上式可求得有功損耗將降低20%～45%。
（三）改善電壓質量。以線路末端只有一個集中負荷為例，假設線路電阻和電抗為R、X,有功和無功為P、Q,則電壓損失ΔU為：
△U=（PR+QX）/Ue×10-3(KV) 兩部分損失：PR/ Ue→輸送有功負荷P產生的；QX/Ue→輸送無功負荷Q產生的；
配電線路：X=（2~4）R，△U大部分為輸送無功負荷Q產生的
變壓器：X=（5~10）R QX/Ue=(5~10) PR/ Ue 變壓器△U幾乎全為輸送無功負荷Q產生的。
可以看出，若減少無功功率Q,則有利于線路末端電壓的穩定，有利于大電動機的起動。
（四）三相異步電動機通過就地補償后，由于電流的下降，功率因數的提高，從而增加了變壓器的容量，計算公式如下：
△S=P/ COSφ1×[（ COSφ2/ COSφ1）-1]
如一臺額定功率為155KW水泵的電機，補前功率因數為0.857，補償后功率因數為0.967，根據上面公式計算其增容量為：（155÷0.857） ×[（0.967 ÷0.857）-1]=24KVA
四、結束語
在配電網中進行無功補償、提高功率因數和做好無功優化，是一項建設性的節能措施。本文簡要分析了三種無功補償的方法和兩種無功功率補償容量的選擇方法以及無功補償后的良性影響。在實際設計中，要具體問題具體分析，使無功補償應用獲得最大的效益。
參考文獻：
[1]戴曉亮，無功補償技術在配電網中的應用.電網技術.1999.23(6).
[2]曹光祖，應系統的重視分散和終端無功補償.電壓電器.1999.(5).
[論文摘要]低壓電網如何有效保持良好的工作狀態，降低電能損失，與電網穩定工作、設備安全運行、工安全生產及人民生活用電都有直接影響。分析無功補償的作用和主要措施。
無功補償是借助于無功補償設備提供必要的無功功率，以提高系統的功率因數，降低電能的損耗，改善電網電壓質量。
從電網無功功率消耗的基本狀況可以看出，各級網絡和輸配電設備都要消耗一定數量的無功功率，尤其是以低壓配電網所占比重最大。為了最大限度的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。
一、低壓配電網無功補償的方法
隨機補償：隨機補償就是將低壓電容器組與電動機并接，通過控制、保護裝置與電機，同時投切。
隨器補償：隨器補償是指將低壓電容器通過低壓接在配電變壓器二次側，以補償配電變壓器空載無功的補償方式。
跟蹤補償：跟蹤補償是指以無功補償投切裝置作為控制保護裝置，將低壓電容器組補償在大用戶0.4kv母線上的補償方式。適用于100kVA以上的專用配變用戶，可以替代隨機、隨器兩種補償方式，補償效果好。
二、無功功率補償容量的選擇方法
無功補償容量以提高功率因數為主要目的時，補償容量的選擇分兩大類討論，即單負荷就地補償容量的選擇（主要指電動機）和多負荷補償容量的選擇（指集中和局部分組補償）。
（一）單負荷就地補償容量的選擇的幾種方法
1．美國：Qc=（1/3）Pe
2．日本：Qc=（1/4~1/2）Pe
3．瑞典：Qc≤√3UeIo×10-3 (kvar)Io-空載電流=2Ie(1-COSφe )
若電動機帶額定負載運行，即負載率β=1,則：Qo 根據電機學知識可知，對于Io/Ie較低的電動機（少極、大功率電動機），在較高的負載率β時吸收的無功功率Qβ與激勵容量Qo的比值較高，即兩者相差較大，在考慮導線較長，無功當量較高的大功率電動機以較高的負載率運行方式下，此式來選取是合理的。
4．按電動機額定數據計算：
Q= k(1- cos2φe )3UeIe×10-3 (kvar)
K為與電動機極數有關的一個系數
極數：2468 10
K值： 0.70.750.80.850.9
考慮負載率及極對數等因素，按式（4）選取的補償容量，在任何負載情況下都不會出現過補償，而且功率因數可以補償到0.90以上。此法在節能技術上廣泛應用，特別適用于Io/Ie比值較高的電動機和負載率較低的電動機。但是對于Io/Ie較低的電動機額定負載運行狀態下，其補償效果較差。
（二）多負荷補償容量的選擇
多負荷補償容量的選擇是根據補償前后的功率因數來確定。
1．對已生產企業欲提高功率因數，其補償容量Qc按下式選擇：
Qc=KmKj(tgφ1-tgφ2)/Tm
式中：Km為最大負荷月時有功功率消耗量，由有功電能表讀得；Kj為補償容量計算系數，可取0.8～0.9;Tm為企業的月工作小時數；tgφ1、tgφ2是指負載阻抗角的正切，tgφ1=Q1/P，tgφ2= Q2/P；tgφ（UI）可由有功和無功電能表讀數求得。
2．對處于設計階段的企業，無功補償容量Qc按下式選擇：
Qc=KnPn(tgφ1-tgφ2)
式中Kn為年平均有功負荷系數，一般取0.7～0.75;Pn為企業有功功率之和；tgφ1、tgφ2意義同前。tgφ1可根據企業負荷性質查手冊近似取值，也可用加權平均功率因數求得cosφ1。
多負荷的集中補償電容器安裝簡單，運行可靠、利用率較高。
三、無功補償的效益
在現代用電企業中，在數量眾多、容量大小不等的感性設備連接于系統中，以致電網傳輸功率除有功功率外，還需無功功率。如自然平均功率因數在0.70～0.85之間。企業消耗電網的無功功率約占消耗有功功率的60%～90%,如果把功率因數提高到0.95左右，則無功消耗只占有功消耗的30%左右。減少了電網無功功率的輸入，會給用電企業帶來效益。
（一）節省企業電費開支。提高功率因數對企業的直接效益是明顯的，因為國家電價制度中，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。使用無功補償不但減少初次費用，而且減少了運行后的基本電費。
（二）降低系統的能耗。補償前后線路傳送的有功功率不變，P= IUCOSφ，由于COSφ提高，補償后的電壓U2稍大于補償前電壓U1,為分析問題方便，可認為U2≈U1從而導出I1COSφ1=I2COSφ2。即I1/I2= COSφ2/ COSφ1,這樣線損 P減少的百分數為：
ΔP%= (1-I2/I1)×100%=（1- COSφ1/ COSφ2）× 100%
當功率因數從0.70～0.85提高到0.95時，由上式可求得有功損耗將降低20%～45%。
（三）改善電壓質量。以線路末端只有一個集中負荷為例，假設線路電阻和電抗為R、X,有功和無功為P、Q,則電壓損失ΔU為：
△U=（PR+QX）/Ue×10-3(KV) 兩部分損失：PR/ Ue→輸送有功負荷P產生的；QX/Ue→輸送無功負荷Q產生的；
配電線路：X=（2~4）R，△U大部分為輸送無功負荷Q產生的
變壓器：X=（5~10）R QX/Ue=(5~10) PR/ Ue 變壓器△U幾乎全為輸送無功負荷Q產生的。
可以看出，若減少無功功率Q,則有利于線路末端電壓的穩定，有利于大電動機的起動。
（四）三相異步電動機通過就地補償后，由于電流的下降，功率因數的提高，從而增加了變壓器的容量，計算公式如下：
△S=P/ COSφ1×[（ COSφ2/ COSφ1）-1]
如一臺額定功率為155KW水泵的電機，補前功率因數為0.857，補償后功率因數為0.967，根據上面公式計算其增容量為：（155÷0.857） ×[（0.967 ÷0.857）-1]=24KVA
四、結束語
在配電網中進行無功補償、提高功率因數和做好無功優化，是一項建設性的節能措施。本文簡要分析了三種無功補償的方法和兩種無功功率補償容量的選擇方法以及無功補償后的良性影響。在實際設計中，要具體問題具體分析，使無功補償應用獲得最大的效益。
參考文獻：
[1]戴曉亮，無功補償技術在配電網中的應用.電網技術.1999.23(6).
[2]曹光祖，應系統的重視分散和終端無功補償.電壓電器.1999.(5).