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低壓無功功率補償裝置的設計與運用

2016/10/13 16:47:05 安科瑞電氣股份有限公司供稿

徐霜

安科瑞電氣股份有限公司

摘要：隨著中國經濟的飛速發展，企業對供電的需求與電力設備的質量提出了更高的要求，電力系統運行的經濟性與電能質量、無功功率有著密不可分的關系，本文就低壓無功功率補償裝置的設計進行了闡述與研究，并介紹了無功功率補償裝置在現場的運用。

關鍵詞：電能質量無功功率無功補償設計應用

0 引言

近年來，隨著經濟飛速發展，電能質量管理的概念在各大企業中得到了廣泛的關注，“用電安全、用電質量、用電經濟”理念深入人心，無功功率補償作為電能質量管理的重要組成部分，也成為了廣大電力人研究的方向。國家對于無功功率不達標的企業更加是使用了鐵腕政策，力率電費也成為了一些用電企業的負擔。本文針對此種情況，對低壓無功功率補償裝置的設計與選型進行了闡述與分析，并舉例說明了低壓無功功率裝置在現場的運行與應用。

1 有功功率和無功功率

在交流電路中，由電源供給負載的電功率有兩種；一種是有功功率，一種是無功功率。

有功功率是保持用電設備正常運行所需的電功率，也就是將電能轉換為其他形式能量（機械能、光能、熱能）的電功率。

無功功率比較抽象，它用于電路內電場與磁場的交換，并用來在電氣設備中建立和維持磁場的電功率。

視在功率、有功功率、無功功率的關系可以從功率三角形上得出，公式如下所示：

舉個實例來說，電動機需要建立和維持旋轉磁場，使轉子轉動，從而帶動機械運動，電動機的轉子磁場就是靠從電源取得無功功率建立的。變壓器也同樣需要無功功率，才能使變壓器的一次線圈產生磁場，在二次線圈感應出電壓。

因此，無功功率不是無用功率，它在電力系統中占據了一個重要的位置。沒有無功功率，電動機就不會轉動，變壓器也不能變壓，交流接觸器不會吸合。

2 低壓無功功率補償裝置簡介

低壓無功功率補償裝置，在電力供電系統中所承擔的作用是提高電網的功率因數，降低供電變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環境。所以無功功率補償裝置在電力供電系統中處在一個不可缺少的位置。合理的選擇低壓無功功率補償裝置，可以最大限度的減少網絡的損耗，使用戶用電質量提高。反之，不合理地選擇或者使用方法不當，也有可能會造成供電系統電壓波動、閃變、諧波放大等多種不可控的因素。

3 無功補償裝置的原理

從功率三角形可以看出，用戶的變壓器容量（S）是固定的，如果用戶的設備需要的無功功率（Q）過大，就會使有功功率（P）的出力減少。這不僅會使得使用電設備不能正常工作，還可能造成線路過載導致設備損壞，此時，就需要對電力系統進行無功功率補償。

如圖1所示，在進行無功功率補償前，負載的無功功率、有功功率均通過變壓器來自于電網，就會導致電網的功率因數降低，電能質量下降，用電效率差。

圖2對設備進行了無功功率的補償，此時設備的有功功率通過變壓器來自于電網，而無功功率取自我們的無功補償設備。假設設備的無功功率均從無功補償設備提取，此時，從電網側來看，無功功率（Q）為0，此時的視在功率（S）等于有功功率（P），功率因數為1。此時電網的供電效率是最高的，此種情況雖然為理想狀態，但在實際運營過程中，只要補償得當，月平均功率因數達到0.95以上是沒有問題的

圖1無功補償前圖例圖2無功補償后圖例

4 無功補償的重要性

一般來說，使用無功補償裝置來提高功率因數的意義體現在兩個方面：一是可以減少輸電線路上的功率損失；二是可以充分發揮電力設備（如電機、變壓器等）的潛力。因為用電電器總是在一定電壓和一定有功功率下工作，如果功率因數較低，就要用較大的電流來保障用電器正常工作，輸電電流變大，導致線路損耗增加。此外，任何電力設備工作時總是工作在一定的額定電壓與額定電流內，超過額定電壓值，會威脅設備的絕緣性能；工作電流超過額定值，會使內部溫升過高，從而降低了設備的使用壽命。對于一些發電設備而言，功率因數的提高能大大增加效率，例如：一臺發電機容量為1500kW，當電力系統的功率因數由0.6上升至0.8時，就可以使實際發電能力提高到3000kW。

5 無功補償的經濟效益

無功補償的經濟效益主要體現在力率電費，力率電費=有功電量×電價×力率電費調整系數。力率電費調整系數根據功率因數的值查表獲得。不同基準的力率電費調整系數表見表1和表2。

表1 以0.90為標準值得力率電費調整表

表2 以0.85為標準值得力率電費調整表

國家對標準值也做出了規定，凡需變壓器容量100kVA及以上10kV供電的用戶應進行功率因數考核，具體標準如下：

♦ 100kVA以上160kVA（不含160kVA）以下的用戶，功率因數需達到0.85；

♦ 160kVA以上的用戶功率因數應達到0.90以上。

♦ 用戶的功率因數大于標準的減少其當月電費，低于標準的增加其當月電費。

舉個例子：某變壓器用戶的變壓器容量為160kVA，采用低壓計量，某月改用戶消耗有功電量為25000kWH，無功電量為27000kWH，假設電費為0.68元/度。通過調研資料，該變壓器的有功變損為1036kWH，無功變損為3790kWH，所以該用戶共消耗有功電量26036kWH，消耗無功電量為30790kWH，通過功率三角形或查表可知該用戶的功率因數為0.65。通過查表可知該用戶力率電費調整系數為+15%，共需收取實際消耗電費25000×0.68為17000元，需加收的力率電費為25000×0.68×0.15為2550元，總計為19550元。

現通過無功功率補償為該用戶將功率因數從0.65提高到0.95，通過查表可知該用戶力率電費調整系數為-0.75%，共需收取實際消耗電費25000×0.68為17000元，需加收的力率電費為25000×0.68×（-0.0075）為-127.5元，總計為16872.5元。

從例子中我們可以看出，通過無功補償能為企業產生很大的經濟效益，一般10個月到一年即可收回裝備成本，為企業創造收入。

6 無功補償的選型

6.1容量選型

6.1.1新建項目

新建項目由于現場參數無法確定，為了方便進行快速選型，首先將行業進行分類，各行業所屬類別如下表（，是指無功補償容量，是指變壓器容量，是指無功補償行業系數）：

行業、場合	所屬類別	行業、場合	所屬類別	行業、場合	所屬類別
LED屏	Ⅱ	煤礦	Ⅲ	醫院辦公類	Ⅰ
辦公樓	Ⅰ	汽車充電站	Ⅲ	銀行證券	Ⅰ
玻璃廠	Ⅲ	汽車制造	Ⅲ	印刷	Ⅲ
大型超市	Ⅱ	商業廣場	Ⅱ	影院	Ⅱ
電鍍廠	Ⅲ	石油化工	Ⅲ	娛樂場所	Ⅱ
電視演播室	Ⅱ	食品加工	Ⅲ	造紙	Ⅲ
電子加工	Ⅲ	塑料加工	Ⅲ	展覽中心	Ⅱ
發電廠	Ⅲ	隧道類照明	Ⅱ	住宅樓	Ⅰ
紡織	Ⅲ	體育館	Ⅱ	酒店	Ⅰ
風電廠	Ⅲ	圖書館	Ⅱ	雷達基站	Ⅲ
鋼鐵	Ⅲ	污水處理	Ⅲ	冶金	Ⅲ
港口	Ⅲ	舞臺廣場	Ⅱ	醫技樓	Ⅱ
軌道交通	Ⅲ	寫字樓	Ⅰ	煙草	Ⅲ
焊接	Ⅲ	學校	Ⅰ	機械加工	Ⅲ
交通類照明	Ⅱ	藥業	Ⅲ

Ⅰ：系數約為0.3，適用于寫字樓、住宅等諧波、無功需求相對較小的場合；

Ⅱ：系數約為0.4，適用于商業、軌道交通等諧波、無功需求相對中等的場合；

Ⅲ：系數約為0.55，適用于重工業、制造業等諧波、無功需求相對較大的場合；

6.1.2改造項目

改造項目一般都需要去現場進行實地測量，根據現場的實際情況，配置相應的無功補償方案，需測量的要點包括：有功功率、無功功率、視在功率、實際功率因數、目標功率因數、負載狀況、電網背景等。其無功補償裝置的容量可通過實際測量后計算獲得，以上面那個例子來說，假設補償前用戶變壓器為滿載狀態，該用戶變壓器容量為160kVA，功率因數為0.65，目標功率因數為0.95，計算如下：

補償前視在功率為,功率因數，補償前有功功率為,補償前無功功率為。

補償前與補償后有功功率不變為，目標功率因數，補償后視在功率為,補償后無功功率為。

所以，需要補償的無功功率為。

6.2型號說明

6.3技術參數

電氣參數	額定電壓	AC400V
	補償容量	60～630kvar
	工作頻率	50Hz
	響應時間	≤20ms
	過載能力	電壓過載1.1倍，電流過載1.3倍
	目標功率因數	0.8～1.0（可設定）
控制特性	補償方式	共補、分補及混合補可選
	控制路數	2至16回路
	控制方式	具有手動、自動兩種投切模式
	投切算法	循環投切
	保護功能	過壓、欠壓、缺相、短路保護功能
結構特征	防護等級	IP30
	顏色	RAL7035(可按客戶要求定制)
	安裝方式	室內安裝，固定方式與進線方式可選
環境條件	環境溫度	－25℃ 至+50℃
	相對濕度	40℃ 時，≤50%,20℃ 時，≤90%
	海拔	海拔2000米以下

7 無功補償模塊式方案

現在，市面上的低壓無功功率補償裝置基本上都采取整柜的方式，基本上都屬于“一錘子買賣”雖然能夠滿足用戶現場的補償要求，但在補償后的維護、容量拓展等方面十分的不便，在用戶需要進行改造時需要更換整柜，十分困難。圖3為一種無功補償模塊，將一套無功補償回路，包含：電容、電抗、晶閘管投切開關、熔斷器、二次回路整合在一個模塊中，在實際使用中，模塊與模塊之間相互獨立，互不干擾，在維護使用中可以按模塊進行容量增減與維護。圖3無功補償模塊

8 ANSVC在江蘇紅柳床單有限公司項目的應用案例

8.1項目簡介

工程地址：江蘇紅柳床單有限公司項目地址位于美麗富饒的江蘇省無錫市江陰市，北枕長江，南近太湖，東接常熟、張家港，西連常州，地處蘇錫�！敖鹑恰睅缀沃行�，交通樞紐便利。平均海拔6米左右，全年溫度條件較好，四季分明。江蘇紅柳床單有限公司占地面積15萬平方米，建筑面積12萬平方米，該項目共采購了我司2臺無功補償柜和1臺有源濾波柜。針對無功補償，測量了1#變壓器出線側，測量結果見圖4，目標功率因數0.98，現場配電系統諧波源主要是變頻器和開關電源，諧波頻次為3次、5次、7次、11次是典型的6n±1次特性諧波，通過ANAPF有源濾波器進行治理，保護電容器。測量示意如圖5：（黑圈為測量點）。