浅谈无功补偿在配电系统中的应用

刘玉峰(西藏玉龙铜业股份有限公司，西藏 昌都 854000)

浅谈无功补偿在配电系统中的应用

刘玉峰(西藏玉龙铜业股份有限公司，西藏 昌都 854000)

合理进行无功补偿以提高功率因数对于减少用电量、提高供电品质有重要的作用。本文通过对工程设计中无功功率补偿的原理的介绍，阐明了无功补偿在低压配电系统中的意义。对工程设计中常见的无功补偿方式进行了介绍，并对低压电容器补偿容量的计算进行了探讨。

无功补偿； 功率因数； 补偿容量

1 前言

随着经济发展水平的不断提高，工业化进展加快，工业电力需求也在日益增加。在工业供配电系统中，大量的电力负荷是感性负荷，因此整体自然功率因数较低，占用电网容量和导线截面，造成大量的电能损耗。无功负荷是为了维护电源与用户的设备之间磁场和电场振荡所需要的能量，因此，在实际供配电系统中要保持有功和无功功率的平衡，充分利用设备的容量，提高网络传输能力。无功补偿技术在配电系统的合理利用有利于节约电能和提高供电质量，这样不仅可以降低能耗成本,而且有助于缓解能源供应和建设压力,对减少废气污染保护环境也有重大的现实意义。

2 影响功率因数的因素及无功补偿原理

2.1 影响功率因数的因素

(1)感性负荷。在工业生产中，大量变压器、电机等感性负荷被利用，这些感性负荷自然功率因数较低，同时在实际运行过程中，设备长期运行在低负荷状态下，较高负载率时损耗更大，功率因数更低。

(2)供电电压不稳。在工业生产中，大型设备较多，启停频繁，供配电系统电压不稳。当供电电压较高时，由于设备和线路磁路饱和的影响，功率因数会降低。当供电电压降低时，功率因数会提高，但此时会影响设备正常工作。

(3)变频设备的影响。为了提高设备利用率，大量变频器投入使用，由于选择不当，变频器工作时产生高次谐波，消耗更多的无功功率，导致功率因数降低。

2.2 无功补偿原理

把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并连接在同一电路，能量在两种负荷之间相互交换。这样，感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率补偿。在实际运行时，一般根据电网中的无功类型，人为设置感性或者容性无功来抵消不必要的无功功率，已达到提高功率因数、减少损耗的目的。

3 无功补偿意义

3.1 减少供配电系统的损耗

(1)

恒定有功功率条件下，假定cosφ1=0.7，根据电力部门电费调整相关规定，调整功率因数至0.92，即cosφ2=0.92，则计算损耗率为ΔP%=42%。

3.2 减少发变电设备的设计容量

P=S1×cosφ1=S2×cosφ2

(2)

3.3 提高供配电系统利用率(增容)

由于设备选型时留有一定的裕量，电动机等设备负载率较低，通过无功补偿，提高功率因数后，可以发挥设备潜能，提高变压器、电动机等设备的负载率，减少投资，提高供电能力。供配电系统增容率为：

(3)

假定系统负荷自然功率因数为0.7(cosφ1=0.7)，采用无功补偿，调整功率因数至0.93，即cosφ2=0.93，则供配电系统增容率为：

3.4 减少线路电压降 改善电网质量

线路电压损失ΔU的计算公式为：

(4)

线路中输送的有功功率不变，且线路总电阻R、感抗XL均为定值，提高功率因数后，cosφ增加，tanφ减小，因此线路压降减少，从而提高了电压质量。

4 无功补偿的方式

电网中无功功率必不可少，各级电网和输配电设备均要消耗一定的无功功率，常规系统中无功功率损耗比有功功率损耗大得多，但是采用无功补偿技术提高功率因数可以减少损耗，稳定电压。根据无功补偿的地点不同，无功补偿通常采用的方式为：集中补偿、分散补偿及就地补偿。根据动态响应时间的不同，无功补偿分为：静态补偿、快速补偿及动态补偿。

4.1 集中补偿和分散补偿及就地补偿

就地补偿是指补偿装置与用电设备配置在一起，设备运行则补偿装置投入使用，具有投资少，占地面积小，不会出现无功倒送现象。分散补偿是指在车间或者末端配电盘柜上设置补偿装置补偿，分散补偿可以实现无功负荷分区平衡，减少无功功率在变配电站以下配电线路中的流动，使内部线损显著降低。但较集中补偿投资大，不便管理。集中补偿利于控制用户本身的无功潮流，避免受电力网的电压变化或负荷变化而产生过大的电压波动。

4.2 静态补偿和快速补偿及动态补偿

国际上一般把响应速度小于0.1s的称为动态补偿，响应速度在0.1～5s的称为快速补偿，响应速度在5s以上称为静态补偿。动态补偿开关电器执行部分采用可控硅投切，一般采用半导体开关电器，而静态补偿开关电器执行部分采用交流接触器投切。

4.3 无功补偿方式选择

无功补偿一般遵循以下原则：补偿容量要达标，分级补偿就地平衡；高压补偿与低压补偿相结合，以低压补偿为准；集中补偿与分散补偿相结合，以分散补偿为主。

对无功功率进行补偿的效果是有目共睹的，选择补偿方式应该从技术、经济上综合考虑，决定是采用高压补偿还是低压补偿，具体是集中补偿还是分散补偿，还是综合采用，从而达到提高功率因数、降低配网损耗、提高电压质量的目的。

5 低压电容器补偿容量的确定

企业的无功补偿在企业建设时应统筹考虑，对一些大型电动机如球磨机、空压机等首先应考虑采用同步电动机，使整个企业的功率因数获得一个比较高的数值，在此情况下，企业总配电站可能不增设电容器无功补偿。但是在厂区内低压线路部分，为了减少电网中的电能损耗，一般应考虑合理的无功补偿。

现在低压无功补偿一般均采用干式自愈式并联电容器，在实际使用过程中，由于受负荷情况、自然环境的影响，电容器容量每年均会有一定的下降，因此实际设计时要考虑一定的裕量，以抵消电容器容量衰减的影响，以避免出现欠补偿情况的出现。

5.1 经验系数法

Qc=Kβ×Wc

(5)

式中：Qc——补偿容量；

Wc——配变容量；

Kβ——经验系数。

传统设计中，一般按照变压器容量的1/3来确定补偿容量，该经验法是基于变压器负载率在70%～80%区间内，在实际配置时，应该考虑负载率及负荷性质，同时考虑到裕量，Kβ合理设置区间应该为0.5～0.6，而对于负载率较低或者感性负荷小的供配电系统，Kβ=0.4。

5.2 公式计算法

根据补偿地点的不同，选择不同的计算公式。

(1)就地补偿公式：

(6)

式中：ICN——电动机额定电流，A；

cosφN——电动机自然功率因数；

UN——电动机额定电压，V。

(2)集中补偿公式：

(7)

式中：S1——计算视在容量；

cosφ1——补偿前功率因数；

cosφ2——补偿后功率因数。

6 结语

电力电网中的负荷大多为感性负荷，电网需要向这些设备提供必要的无功功率，因此电网中无功功率的损耗必不可少，在电网中安装无功补偿装置可以提高电网的功率因数，减少供配电系统的损耗，改善电压质量。所以无功功率补偿装置是电力供电系统中一个非常重要的环节。

容量较大、经常使用的平稳负荷宜采用就地补偿。而对于波动较大且谐波含量高的负荷，宜采用动态补偿加滤波方式。在选择补偿容量时，应充分考虑元件衰减的因素，考虑一定的裕量。但裕量不宜过大，造成过补偿，系统处会出现容性无功电流，增加系统损耗。

Application of reactive compensation in power distribution system

Suitable reactive power compensation has an important role in reducing electricity and improving power supply quality. Through introducing the principle of reactive power compensation in engineering design, the significance of reactive power compensation in low voltage distribution system was expounded. The common ways of reactive power compensation in engineering design were introduced, and the calculation method of compensation capacity of low voltage capacitor was discussed.

reactive power compensation; power factor; compensation capacity

TD714.3

A

刘玉峰(1970-)，男，山东单县人，电气管理工程师，从事有色金属资源开发工作。