对工厂供电系统中无功补偿的问题解析

付冲

摘要：本文主要对工厂供电系统无功补偿中存在的问题进行了探讨，以及利用无功补偿提高工厂企业供电系统功率因数的方法与途径。电力系统功率因数的高低对工厂企业来说其具有重要意义。

关键词：功率因数；无功补偿；有功功率；无功功率

中图分类号： F407.6文献标识码：A 文章编号：

前言：

近年来，随着社会经济的不断发展，工业用电占全国发电量的70%以上，在工业生产中，电气设备和电力线路的电能损耗占工厂电能消耗的20%～30%。因此，节约用电、提高工厂供电系统的功率因数就显得尤为重要。

1、 无功补偿提高功率因数的途径

1.1 用同步补偿器作无功补偿

同步补偿器又称同步调相机，它实际上是空载运行的同步电动机，在过励磁运行状态下(功率因数为 0.8～0.9 超前)，向电力系统供给无功功率，在欠励磁运行状态下，从电力系统吸取无功功率。但同步电动机结构复杂，附有起动控制设备，维护工作量大，其投资较静电电容器补偿要大。通常对低速、恒速且长期连续工作的容量较大的电动机，改善功率因数效果明显，而小容量的高速同步电动机一般是不经济的，不宜采用。

1.2 用静电电容器作无功补偿

静电电容器又称移相电容器或电力电容器，其产生超前电压容性电流特性。与电动机、变压器产生滞后电压感性电流相抵消(补偿)作用。在用户线路上分别适当并联静电电容器可使前端电网上的无功电流大大降低，无功消耗即得到补偿。并联电容器补偿无功功率具有结构简单、经济方便等优点，其补偿方式有个别补偿、分组(分散)补偿和集中补偿三种。

2、 补偿容量与分布

补偿容量决定于电力负荷的大小、补偿前的功率因数，以及补偿后要达到的功率。

2.1 补偿容量的计算

用计算方法求补偿容量应以最大负荷为基础， 一般根据最大负荷月的平均有功功率或无功功率进行计算

式中，为最大负荷月的平均有功功率(kW)；为最大月的平均无功功率；,为补偿前后平

均功率因数的功率角。

2.2 补偿容量的合理分析

在总补偿容量确定以后，采用分组补偿方式还有一个补偿容量的合理分配问题，并联电容器在各支路的分配，应遵循功率或能量损耗最小的原则，对于各配电馈线，如果令负荷电流在并联回路中，按照计算电阻的大小，成反比分配时，其功损耗最小。设各配电馈线的无功负荷分别为： ，各配电馈线设置的补偿无功分别为： ，各配电馈线的计算电阻分别为：，总的并联电阻计算

根据补偿后的各支路无功功率与计算电阻成反比分布时损耗最小的原则，可列出如下关系式

因此，各支路无功补偿容量的合理分布为

式中

3、 无功补偿节能计算

无功补偿减少了电网输送的无功功率，从而降低了输配电线路的有功功率损耗，因此，供电部门对工业用户功率因数规定为 0.9，当用户进行无功补偿将功率因数提高到 0.9 以后再每提高一个0.1%，供电部门按月电量 0.15%奖励用户，因此，工厂企业无功补偿提高功率因数的节能分为两部分：功率奖励和能耗节约。

3.1 功率奖励的计算

用户在供电部门规定的功率因数为 0.9 的基础上，将功率因数再提高后可得到的功率奖励为

式中，Y1为功率奖励(元)；A 为用户月电量（kW·h）；为无功补偿后的功率因数；K 为单位电量的价格（元/kW·h），取 0.6。

3.2 能耗节约的计算

为了便于分析引入无功经济当量这个概念，无功经济当量实际是一种折算系数，即在电力网中的任意一点，由于减少无功功率而减少的有功功率损耗，具体讲无功经济当量等于某一点由于减少一千法的无功功率而减少的有功功率的千瓦数。

式中，为无功经济当量(kW/kvar)； 为电力网原来通过的无功(kvar)；为无功补偿的容量（kvar）；R 为电力网落的等值电阻（Ω）；U为电力网运行电压（kV）。

无功经济当量与电力网的等值电阻成正比，与运行电压的平方成反比，因此，补偿设备与电源的电气距离越远（或导线截面越小），补偿效果越大，所以无功补偿的原则是就近（负荷处）补偿，另外，网络中原来传输的无功功率越大，即在功率因数较低时无功补偿的经济效果较大。当电网中某点中装置无功补偿容量后，则从该点到电源点所有串接的线路及变压器中的无功潮流都将减少，从而使该点以前串接元件中线损减少，其降损电量可根据无功经济当量计算，首先计算补偿点的无功经济当量

式中，为补偿设备装置点(x点)的无功经济当量；为为补偿点以前各串接元件的无功经济当量，其中为补偿点以前串接元件数。

装设无功补偿设备后，电网的降损电量为因无功补偿而减少的有功电量与无功补偿设备本身耗电量之差。

式中，tgδ为电容器的介质损耗，可查表；为降损电量（kW·h）。

全厂提高功率因数的节能效益为

4、 电压调节

无功补偿既能提高全厂的功率因数，又能减少供电线路的电压损失，改善本厂的电压质量，但电容器的电压调节效应差：已知三相电容器的总容量和额定线电压时：

（1）

当U≠U时，电容器输出的无功功率

（2）

式（2）除以式（1）得 2，式中，，并联电容器的电压调节效应为：

（3）

在附近，可见电压调节效应为正值且相当大，这对电力系统的运行是不利的，由式（2）知电容器输出的无功功率与电压平方成正比，例如电压提高1%，无功补偿设备发出的无功将增加2%，无功设备容量的增加使电压进一步提高；相反当电网电压下降时，补偿设备输出的无功反而减少，进而使电网的电压再降低，工厂供电电系统其电压波动范围为±10%，所以无功补偿设备应与变压器配合调压，才能既达到最佳补偿效果，又保证电压质量。

5、 无功补偿的优点

5.1 改善电能质量

电网中无功补偿设备的合理配置，与电网的供电电压质量关系十分密切。合理安装补偿设备可以改善电压质量。

负荷电压损失△U，

式中，U为线路额定电压，kV；P为输送的有功功率，kW；Q 为输送的无功功率，kvar；R为线路电阻，Ω；X为线路电抗，Ω。

安装补偿设备容量后，线路电压降为

很明显，＜，即安装补偿电容后电压损失减小了。由此可得出接入无功补偿容量后电压

升高：

由于越靠近线路末端，线路的电抗 X 越大，因此从上式可以看出，越靠近线路末端装设无功补偿装置效果越好。

5.2 降低电能损耗

采用无功补偿主要是为了降损节能，如输送的有功功率 P 为定值，加装无功补偿设备后功率因数

由，提高到，因为，负荷电流I与成反比，又由于，线路的有功损失与电流 I 的平方成正比。当升高，负荷电流I 降低，线路有功损耗必然降低。此外，通过无功补偿提高了功率因数， 使变压器的供电能力得到加强，电动机的负载率得到提高。

6、 结束语：

综上所述，功率因数的高低是衡量企业经济效益的一项重要指标，工厂除设法提高自然功率因数外，仍须采用无功补偿提高供电系统的功率因数，这样不仅能增大有功输出能力，使设备容量得到充分利用，而且增加了输电能力，减少功率损耗和电能损耗，降低了线路中的电压损失和电压波动，从而达到节约电能和提高供电质量的目的。