科技信息 专题论述 无功补偿应用于低压电网巾的选￣ｌｉ｜ｌｌ意义 山东省东营市市政广场管理处 艾天鹏 ［摘要］依据用电设备的功率因数，可测算输电线路的电能损失。通过现场技术改造，可使低于标准要求的功率因数达标，实现节 电目的。本文分析了无功补偿的作用和补偿容量的选择方法，着重论述了低压电网和异步电动机无功补偿容量的配置。结合应用实 例说明采用无功补偿技术，提高低压电网和用电设备的功率因数，已成为节电工作的一项重要措施。 ［关键词］节电技术功率因数无功补偿 １、引言 ３．１随机补偿 无功补偿，就其概念而言早为人所知，它就是借助于无功补偿设备 提供必要的无功功率，以提高系统的功率因数，降低能耗，改善电网电 随机补偿就是将低压电容器组与电动机并接，通过控制、保护装置 与电机，同时投切。随机补偿适用于补偿电动机的无功消耗，以补励磁 压质量。 。无功补偿的合理配置原则 从电力网无功功率消耗的基本状况可以看出，各级网络和输配电 设备都要消耗一定数量的无功功率，尤以低压配电网所占比重最大。为 了最大限度地减少无功功率的传输损耗，提高输配电设备的效率，无功 补偿设备的配置，应按照“分级补偿，就地平衡”的原则，合理布局。 （１）总体平衡与局部平衡相结合，以局部为主。 （２）电力部ｆ－Ｊ￣ｌ，偿与用户补偿相结合。 在配电网络中，用户消耗的无功功率约占５０％～６０％，其余的无功 功率消耗在配电网中。因此，为了减少无功功率在网络中的输送，要尽 可能地实现就地补偿，就地平衡，所以必须由电力部门和用户共同进行 补偿。 （３）分散补偿与集中补偿相结合，以分散为主。 集中补偿，是在变电所集中装设较大容量的补偿电容器。分散补 偿，指在配电网络中分散的负荷区，如配电线路，配电变压器和用户的 用电设备等进行的无功补偿。集中补偿，主要是补偿主变压器本身的无 功损耗以及减少变电所以上输电线路的无功电力，从而降低供电网络 的无功损耗，但不能降低配电网络的无功损耗。因为用户需要的无功通 过变电所以下的配电线路向负荷端输送。所以为了有效地降低线损，必 须做到无功功率在哪里发生，就应在哪里补偿。所以，中、低压配电网应 以分散补偿为主。 （４）降损与调压相结合，以降损为主。 ２、影响功率因数的主要因素 功率因数的产生主要是因为交流用电设备在其工作过程中，除消 耗有功功率外，还需要无功功率。当有功功率Ｐ一定时，如减少无功功 率Ｑ，则功率因数便能够提高。在极端情况下，当Ｑ＝ｏ时，则其力率＝１。 因此提高功率因数问题的实质就是减少用电设备的无功功率需要量。 ２．１异步电动机和电力变压器是耗用无功功率的主要设备 异步电动机的定子与转子间的气隙是决定异步电动机需要较多无 功的主要因素。而异步电动机所耗用的无功功率是由其空载时的无功 功率和一定负载下无功功率增加值两部分所组成。所以要改善异步电 动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率。变 压器消耗无功的主要成分是它的空载无功功率，它和负载率的大小无 关。因而，为了改善电力系统和企业的功率因数，变压器不应空载运行 或长期处于低负载运行状态。 ２．２供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响 当供电电压高于额定值的１０％时，由于磁路饱和的影响，无功功率 将增长得很快，据有关资料统计，当供电电压为额定值的１ １０％时，一般 工厂的无功将增加３５％左右。当供电电压低于额定值时，无功功率也相 应减少而使它们的功率因数有所提高。但供电电压降低会影响电气设 备的正常工作。所以，应当采取措施使电力系统的供电电压尽可能保持 稳定。 ２＿３电网频率的波动也会对异步电机和变压器的磁化无功功率造 成一定的影响 以上论述了影响电力系统功率因数的一些主要因素，因此必须要 寻求一些行之有效的、能够使低压电力网功率因数提高的一些实用方 法，使低压网能够实现无功的就地平衡，达到降损节能的效果。 ３、低压配电网无功补偿的方法 提高功率因数的主要方法是采用低压无功补偿技术，我们通常采 用的方法主要有三种：随机补偿、随器补偿、跟踪补偿。 无 为主，此种方式可较好地限制用电单位无功负荷。 随机补偿的优点是：用电设备运行时，无功补偿投人，用电设备停 运时，补偿设备也退出，而且不需频繁调整补偿容量。具有投资少、占位 小、安装容易、配置方便灵活，维护简单、事故率低等优点。 ３．２随器补偿 随器补偿是指将低压电容器通过低压保险接在配电变压器二次 侧，以补偿配电变压器空载无功的补偿方式。配变在轻载或空载时的无 功负荷主要是变压器的空载励磁无功，配变空载无功是用电单位无功 负荷的主要部分，对于轻负载的配变而言，这部分损耗占供电量的比例 很大，从而导致电费单价的增加。 随器补偿的优点：接线简单、维护管理方便、能有效地补偿配变空 载无功，限制农网无功基荷，使该部分无功就地平衡，从而提高配变利 用率，降低无功网损，具有较高的经济性，是且前补偿无功最有效的手 段之一。 ３３跟踪补偿 跟踪补偿是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电 容器组补偿在大用户０．４ＫＶ母线上的补偿方式。适用于１００ＫＶＡ以上 的专用配变用户，可以替代随机、随器两种补偿方式，补偿效果好。 跟踪补偿的优点是运行方式灵活，运行维护工作量小，比前两种补 偿方式寿命相对延长、运行更可靠。但缺点是控制保护装置复杂、首期 投资相对较大。但当这三种补偿方式的经济性接近时，应优先选用跟踪 补偿方式。 ４、无功功率补偿容量的选择方法 无功补偿容量以提高功率因数为主要目的时，补偿容量的选择分 两大类讨论，即单负荷就地补偿容量的选择（主要指电动机）和多负荷 补偿容量的选择（指集中和局部分组补偿）。 ４．１单负荷就地补偿容量的选择的几种方法 （１）美国资料推荐：Ｑｃ＝（１／３）Ｐｅ【额定容量的１／３１ （２）日本方法：从电气计算日文杂志中查到：１／４～１／２容量计算 考虑负载率及极对数等因素，按式（５）ｉＳ取的补偿容量，在任何负 载情况下都不会出现过补偿，而且功率因数可以补偿到０．９０以上。此法 在节能技术上广泛应用，对一般情况都可行，特别适用于Ｉｏ／ｌｅ比值较 高的电动机和负载率较低的电动机。但是对于Ｉｏ／ｌｅ较低的电动机额定 负载运行状态下，其补偿效果较差。 （３）经验系数法：由于电机极数不同，按极数大小确定经验系数选 择容量比较接近实际需要的电容器，采用这种方法一般在７０％负荷时， 补后功率因数可在０．９５～０．９７之间。 经验系数表 电机类型 一般电机 起重电机 冶金电机 极数 ２ ４ ６ ８ １０ ８ １０ 补偿容量 Ｏ＿（ｋ２ ０．ｖａｒ／ｋｗ） ２～Ｏ．２５ ０．２５～０－３０ ０．３５～Ｏ．４ ０．５ ０．６ Ｏ．７５ 电机容量大时选下限，小时选上限；电压高时选下限，小时选上限。 实际测试这是比较准确的方法，此法适用于任何一般感性负荷需 要精确补偿的就地补偿容量的计算。 （４）Ｊｌｌ￣果测试比较麻烦，可以按下式 Ｑｃ、／３Ｕｅ１０×１０—３（ｋｖ 则：Ｉｏ一空载电流＝２Ｉｅ（１一ＣＯＳｅ ）（瑞典电气公司推荐公式） 科技信息 专题论述 Ｑｏ＜Ｑｃ 若电动机带额定负载运行，即负载率Ｂ＝１，则：Ｑｏ＜Ｑｃ 根据电机学知识可知，对于Ｉｏ／１ｅ较低的电动机（少极、大功率电动 机），在较高的负载率Ｂ时吸收的无功功率Ｑ Ｂ与激励容量Ｑｏ的比值 较高，即两者相差较大，在考虑导线较长，无功经济当量较高的大功率 电动机以较高的负载率运行方式下，以此式来选取是合理的。 （５）按电动机额定数据计算： Ｑ＝ｋ（１一ＣＯＳ ４）ｅ）３ＵｅＩｅ×１０—３（ｋｖａｒ） Ｋ为与电动机极数有关的一个系数 极数： ２ ４ ６ ８ １０ Ｋ值：０．７ ０．８ ０．８５ ０．９ ０．９２ ４．２多负荷补偿容量的选择 多负荷补偿容量的选择是根据补偿前后的功率因数来确定。 （１）对已生产企业欲提高功率因数，其补偿容量Ｑｃ按下式选择： Ｑｅ＝ＫｍＫｊ（ｔｇ １－ｔｇ出２）／Ｔｍ 式中：Ｋｍ为最大负荷月时有功功率消耗量，由有功电能表读得；Ｋｊ 为补偿容量计算系数，可取０．８～０．９；Ｔｍ为企业的月工作小时数；ｔｇ １、 ｔｇ 币２意义同前，ｔｇ １由有功和无功电能表读数求得。 （２）对处于设计阶段的企业，无功补偿容量Ｑｃ按下式选择： Ｑｃ＝ＫｎＰｎ（ｔｇ ｄ）１－ｔｇ ２） 式中Ｋｎ为年平均有功负荷系数，一般取０．７～０．７５；Ｐｎ为企业有功 功率之和；ｔｇ ４）１、ｔｇ． ２意义同前。ｔｇ ４）１可根据企业负荷性质查手册近 似取值，也可用加权平均功率因数求得ＣＯＳ（ｂ １。 多负荷的集中补偿电容器安装简单，运行可靠、利用率较高。但电 气设备不连续运转或轻负荷运行时，会造成过补偿，使运行电压抬高， 电压质量变坏。因此这种方法选择的容量，对于低压来说最好采用电容 器组自动控制补偿，即根据负荷大小自动投入无功补偿容量的多少，对 高压来说应考虑采取防过补偿措施。 ５、无功补偿的效益 在现代用电企业中，在数量众多、容量大小不等的感性设备连接于 电力系统中，以致电网传输功率除有功功率外，还需无功功率。如自然 平均功率因数在０．７０～０．８５之间。企业消耗电网的无功功率约占消耗 有功功率的６０％～９０％，如果把功率因数提高到０．９５左右，则无功消耗 只占有功消耗的３０％左右。由于减少了电网无功功率的输入，会给用电 企业带来效益。 ５．１节省企业电费开支 提高功率因数对企业的直接经济效益是明显的，因为国家电价制 度中，从合理利用有限电能出发，对不同企业的功率因数规定了要求达 到的不同数值，低于规定的数值，需要多收电费，高于规定数值，可相应 地减少电费。可见，提高功率因数对企业有着重要的经济意义。 ５．２提高设备的利用率 对于原有供电设备来讲，在同样有功功率下，因功率因数的提高， 负荷电流减少，因此向负荷传送功率所经过的变压器、开关和导线等供 配电设备都增加了功率储备，从而满足了负荷增长的需要；如果原网络 已趋于过载，由于功率因数的提高，输送无功电流的减少，使系统不致 于过载运行，从而发挥原有设备的潜力；对尚处于设计阶段的新建企业 来说则能降低设备容量，减少投资费用，在一定条件下，改善后的功率 因数可以使所选变压器容量降低。因此，使用无功补偿不但减少初次投 资费用，而且减少了运行后的基本电费。 ５．３降低系统的能耗 补偿前后线路传送的有功功率不变，Ｐ＝ＩＵＣＯＳ ４），由于ＣＯＳ 提 高，补偿后的电压Ｕ２稍大于补偿前电压ｕｌ，为分析问题方便，可认为 ｕ２ ｕ１从而导出Ｉ１ＣＯＳ １＝Ｉ２ＣＯＳ ２。即Ｉ１／Ｉ２＝ＣＯＳ ２／ＣＯＳ巾ｌ，这 样线损Ｐ减少的百分数为： △Ｐ％：（１－Ｉ２２／ＩＩ２）×１００％＝（１一ＣＯＳ２ １／ＣＯＳ２（ｂ２）×１００％ 当功率因数从０．７０～０．８５提高到０．９５时，由（２）式可求得有功损耗 将降低２０％～４５％。 ５．４改善电压质量 以线路末端只有一个集中负荷为例，假设线路电阻和电抗为Ｒ、ｘ， 有功和无功为Ｐ、Ｑ，则电压损失△Ｕ为： ＡＵ＝（ＰＲ＋ＱＸ）／Ｕｅ×１０—３（ＫＶ）两部分损失：ＰＲ／ｕｅ一输送有功负 荷Ｐ产生的；Ｑｘ，ＩＪｅ一输送无功负荷Ｑ产生的； 配电线路：ｘ＝（２－４）Ｒ，ＡＵ大部分为输送无功负荷Ｑ产生的； 变压器：ｘ＝（５－１０）ＲＱＸ／Ｕｅ＝（５～１０）ＰＲ／Ｕｅ，变压器△Ｕ几乎全为输 送无功负荷Ｑ产生的。 可以看出，若减少无功功率Ｑ，则有利于线路末端电压的稳定，有利 于大电动机的起动。因此，无功补偿能改善电压质量（一般电压稳定不 宜超过３％）。但是如果只追求改善电压质量来装设电容器是很不经济 的，对于无功补偿应用的主要目的是改善功率因数，减少线损，调压只 是一个辅助作用。 ５．５三相异步电动机通过就地补偿后，由于电流的下降，功率因数 的提高，从而增加了变压器的容量。 计算公式如下： ＡＳ＝Ｐ／ＣＯＳ ４）１×［（ＣＯＳ ｄ）２／ＣＯＳ巾１）一１】 如一台额定功率为１５５ＫＷ水泵的电机，补前功率因数为０．８５７，补 偿后功率因数为０．９６７，根据上面公式计算其增容量为： （１５５÷０．８５７）×［（０．９６７÷０．８５７）一１］＝２４ＫＶＡ ６、应用实例 东营市能源监测中心于４月２４、２９、３０日对某股份有限公司Ｂ区 制冷机、空压机电机进行了电机补偿装置的安装调试，从安装后测试结 果看，平均降低电流２２—５１（Ａ），电机功率因数提高到０．９８（见测试结果 对比表），减少了公司内部低压电网的消耗，从而达到了节电的目的。 测试结果对比表 设备名称 设备容量 补前 补后 电流下降 （ｋＷ） 因数 因数 Ａ（Ａ） 制冷压缩机ＬＭ１—１ １０Ｍ、Ｂ４ ｌ１０ ０．８４ ０．９２ ２２ 制冷压缩机ＬＭ１—１ １０Ｍ、Ｂ４ ２２０ Ｏ．８９ ０．９８ ４１ 制冷压缩机ＬＭ１—２５０ＭＡ１、Ｃ１ ２５０ Ｏ．８６ Ｏ．９８ ５ｌ 制冷压缩机２ＤＬＧＳ—Ｋ２、Ｄ２ ２５０ ０．８９ ０ ９８６ ４９ 制冷压缩机２ＤＬＧＳ—Ｋ２、Ｄ５ ２５Ｏ Ｏ．８９ ０．９８ ４８ 空气压缩机２０Ｓ一２００Ａ、Ｄ１ １５０ ０．８７ ０．９８ ３８ 空气压缩机２０Ｓ一２００Ａ、Ｄ２ ｌ５０ ０．８６ ０．９７８ ３６ 空气压缩机２０Ｓ一２００Ａ、Ｄ３ １５０ Ｏ．８７ ０．９８２ ４０ 空气压缩机６０Ａ一１６０、Ｂ１ １６Ｏ ０ ８ Ｏ．９８ ４６ 空气压缩机６０Ａ一１６０、Ｂ２ １６０ Ｏ．８９ ０．９７３ ４８ （１）由于电流减少，变压器的铜损及公司内部的低压损耗都降低。 配电系统电流下降率ＡＩ％＝（１－０．８７／０．９８）×１００％＝１ｌ％； 配电系统损耗下降率ＡＰ％＝（１—０．８７２／０．９８２）ｘ１００％＝２１％。 （２）该公司Ｂ区制冷机、空压机电动机补偿的总容量为７８０千乏， 电流平均总下降５１８（Ａ），依据ＧＢ／Ｔ１２４９７—１９９７中计算公式，安装电动 机补偿装置后，年可节电量＝补偿容量×无功经济当量×年运行时间 ＝７８０×０．０４×２４×３００＝２２４６４０ＫＷｈ，节约价值１１．２万元，补偿投资费 用（包括设备的购置、安装及现场调试）为：６．２４万元。（８０元／千乏） ７、结论 文中集中探讨了无功补偿技术对用电单位的低压配电网的影响以 及提高功率因数所带来的经济效益和社会效益，介绍了影响功率因数 的主要因素和提高功率因数的方法，讨论了如何确定无功功率的补偿 容量，确保补偿技术经济、合理、安全可靠，达到节约电能的目的。 参考文献 ［１］陈珩．电力系统稳态分析中国电力出版社，２００７． ［２］周孝信．研究开发二十一世纪的电力系统技术．电网技术，１９９７ ２１（１１）：１１—１５． ［３］王锡凡．现代电力系统分析．科学出版社，２００３ ［４］李强，于尔铿，吕世超等一种改进的相量测量装置最优配置方 法．电网技术，２００５，２９（１２）：５７—６１ ３４５—