博物馆供配电系统的无功补偿实践探索——以太原市博物馆为例

（太原市博物馆，山西太原 030002）

博物馆作为一个大型的单体建筑，是人们通过文物学习历史，感受历史，陶冶情操的公共活动场所。在博物馆越来越大型化的今天，用电设备也越来越多，对电能的质量也提出了更高的要求，这样一来，和电能质量有关的无功功率以及无功补偿问题就引起了人们的重视，越来越值得我们深思。有功功率和无功功率是交流电路中的两种电功率。保证设备的正常运行，将电能转化为其他形式的能量的功率称为有功功率，有功功率的符号用P表示，单位有瓦(W)、千瓦(kW)。无功功率的概念则比较抽象，当前多数用电设备如电动机、配电变压器等是将电磁感应原理作为依据进行工作的，它们传递和转换能量需要通过交变磁场的建立才能顺利进行，在此期间感应磁通和交变磁场建立所需的电功率即无功功率。无功功率并不是指该电功率没有用处，只是它无法转换成其他形式的能量，在交流电路中同样不可缺少[1]。无功功率的符号用Q表示，单位为乏(Var)或千乏(kVar)。在博物馆中，因季节性的原因以及需求的不同，许多用电设备负荷率低，甚至处于轻载的状态，导致功率因数处于较低的范围。功率因数不高，最直接的结果就是电能的浪费。因此，采用无功补偿以提高功率因数，可节约电能，减少运行费用，提高电能质量，符合节约能源的国策，与此同时也可减少博物馆的运行经费，带来可观的经济效益。

1 太原市博物馆建筑概况

太原市博物馆主要由1#～4#展览楼、5#办公楼、库区及设备用房组成。其中1#～4#展览楼：地上4层（局部5层）；地下一层，层高6.4 m。5#办公楼：地上5层，首层层高6 m、2～4层层高4m、5层层高5.95 m；地下一层，层高6.4 m。总建筑面积约51 629 m2，建筑高度为23.95 m。

2 高/低压变配电系统

在博物馆总变配电室设一组高压开关柜，由双路高压10kV电源供电。两路10kV(50Hz)电源分别从上级两个110kV站引来。两路10kV电源全主全备（每路均可带全负荷）。两路10kV电缆从建筑物北侧及东南侧分别引入博物馆地下一层总变配电室，再由总变配电室两段不同高压母线段下，各引出一路10kV电源，引至制冷站变配电室。

在博物馆总配电室设置4台带节能型机械风冷的H 级绝缘SCB10 干式变压器（带外罩），变压器容量为4×1 250=5 000kVA。制冷配电室设置2台SCB10干式变压器（带外罩），变压器容量2×800=1 600kVA，变压器容量合计6 600kVA。

总配电室设置两组低压抽屉式组合开关柜，每组低压柜设置2台变压器，每组低压柜的供电运行方式为单母线分段互为联络，平时两台变压器同时运行，联络柜处于断开状态。任何一路变压器发生故障时，中间的母联柜自动延时闭合。制冷配电室设置一组低压抽屉式组合开关柜，由2台变压器供电，运行方式同总配电室。无功补偿柜位于每组低压柜的电源侧，采用低压干式电容器做为补偿方式，运行方式为自动循环投切，同时设有过电压自动切除保护装置保障电容器的安全运行。

3 博物馆无功功率消耗的主要原因

（1）电路中纯电阻负载较少，大部分是电感性设备，用电端最普遍的电感设备是异步电动机，异步电动机的运行将需要消耗较多的无功功率是由它的工作原理所决定的[2]。在太原市博物馆中拥有异步电动机的设备有许多，主要有暖通空调设备，给排水消防、给水设备两部分。暖通空调设备主要有：离心式冷水机组、螺杆式冷水机组、冷却塔风机、冷却水循环泵、冷水循环泵、空调采暖热水系统板式换热机组、加压送风用的轴流风机、组合式空调机组、组合式恒温恒湿空调机组、变频多联机、离心式风机箱。给排水消防、给水设备主要有：变流稳压泵。除此之外，电热风幕、电开水器、电热水器、电伴热以及带整流器的照明都会消耗无功功率。

（2）变压器是供电端最重要的电感设备，它的工作原理是电磁感应，主要靠消耗无功功率和磁场进行能量互换，它的工作运行必将消耗无功功率，否则，电压将无法升压或降压，变压器也就无法正常工作。然而，变压器无功功率消耗的最主要原因是空载或轻载运行。由此可见，尽量避免变压器的空载及轻载运行可以减少其无功功率的消耗，从而提高系统的功率因数[2]。太原市博物馆制冷配电室两台变压器只有在制冷季，即北方为6月份、7月份、8月份才会满负荷运行，其他时间几乎处于空载状态。

4 系统自然功率因数的提高方法

管理产生效益，最经济同时也是最佳的提高系统自然功率因数的方法是通过管理或技术手段减少用电端无功功率的消耗，无功损耗降低的同时也就减少了电能的消耗。可以采用如下几种方法来提高系统的自然功率因数。

（1）合理选择电动机容量，使其接近于满载运行。通常当异步电动机空载运行时，其功率因数为0.2～0.3，满载运行时功率因数为0.7～0.9；（2）提高异步电动机的检修质量，防止零件间隙加大；（3）逐步淘汰带镇流器的照明灯具，替换为LED 灯具；（4）提高变压器的负荷率。变压器运行时的功率因数由负载的功率大小、负载的功率因数及变压器的负载量和无功补偿情况综合决定。对季节性负载率几乎为轻载的变压器，可以采用停机的方法达到提高系统自然功率因数的目的[3]。

5 无功补偿方式的分类

（1）个别补偿。个性化定制电容器组的数量，分别补偿每个用电设备的无功功率，并且与设备共同运行和停止。一些耗电量比较大的生产设备适用于此种补偿方式。这种补偿方式可大大提高无功补偿的效率。需要注意的是，这些大型设备会产生高次谐波，在使用个别补偿后会加大这种高次谐波，从而降低供电的质量，甚至会对周围一些设备造成损坏。所以，这种补偿方式不能使用大容量电力的电子装置。

（2）低压补偿。在变压器的低压侧配置无功补偿柜，通过电容器的投切控制无功补偿的容量，具有手动、自动功能，配备无功补偿控制器以保护电容器的正常运行。优点：接线简单，运行维护成本低、工作量小，能够有效地提高补偿效率，经济性较高。该方法是目前无功补偿中较常用的一种，太原市博物馆采用此种方式进行无功补偿。

（3）高压补偿。在6～10kV高压母线上直接装设电容器，具有一定的补偿功能，可降低无功的消耗，一般用于用电设备距离远、范围大的特殊情况。该方式的补偿范围非常有限，不能补偿6～10kV母线后的线路而只能补偿在6～10kV母线前所有线路的无功功率。该补偿方式的补偿效果较差，但是这种补偿方式施工比较简便，成本较小且方便后期的运行管理[4]。

6 太原市博物馆无功补偿系统

太原市博物馆无功补偿系统采用电容器无功自动调谐补偿装置，总配电室4台变压器低压侧各设置一台无功补偿柜，每台无功补偿柜有10个回路，电容器为正泰自愈式低电压并联电容器，产品型号：BZMJ0.4-40-3，设备容量400kVar（10路）。每台无功补偿柜配置一个智能型低压无功功率自动补偿控制器，型号为：正泰NWK1-G，实现每个回路的自动循环投切。制冷配电室2台变压器低压侧各设置一台无功补偿柜，每台无功补偿柜设备容量为250kVar（10路），其他配置与总配的无功补偿柜相同。通过本系统使太原市博物馆供配电系统功率因数大于0.9，以实现节能、环保的目的。

7 无功补偿的注意事项

（1）切忌过补偿，补偿容量过大会造成资源的浪费，也是种极不经济的运行方式。当变压器空载或轻载运行时易发生过补偿的情况，发生后轻则导致电压升高，重则致使无功倒送的情况发生[5]。电源电压升高会使电气元件不能正常工作，严重还会导致电容器等电气元件的损坏，长期过电压会对整个系统造成不可预估的损伤。无功倒送使线路损耗增加，严重还会导致整个供配电系统的损耗增加，有功功率减少，不经济。

（2）防止受到系统谐波影响。电容器非常脆弱，系统内过多的谐波污染对电容器会产生不利的影响，轻则使电容器的寿命缩短，重则直接损坏。在供电回路中串联电抗器可有效应对线路中的谐波污染，保护电容器不受损坏。

（3）无功补偿装置在投入运行前具体要求如下：①整体设备要打耐压试验。②清扫设备周围异物。③电压不平衡（取自高压无功补偿柜端子排端子）保护要整定后投入使用。④建议投入时先空载投入，没有问题之后再带负载投入。

8 无功补偿给我们带来的好处

（1）节约电能降低电费。无功补偿后，有功功率增加，可有效节约电能。降低电费支出分2个方面：一方面因线损降低而节约电费；另一方面通过合理的补偿，使系统的功率因数达到《功率因数调整电费办法》的要求，可以减少力率电费，甚至得到奖励，从而使电力用户电费支出大幅度降低。

（2）提高设备的利用率。无功补偿后，功率因数得到提高，降低了线路的电流值，系统内各供配电设备都有了更多的冗余量，从而有效提高了各电气元件的利用率。

（3）降低线路损耗减少系统的能耗。合理的补偿可以有效地降低线路电流，通过无功补偿将系统功率因数提高，线路电流将下降，即线路损耗降低。由于线损降低而节约的能耗是相当可观的，因此通过无功补偿的方式来降低线路电流、减小线损是重要的节能措施。

（4）提高端电压改善电压质量。由于大量感性无功电流流过供电线路，造成供电线路压降过大，尤其在供电线路末端更为严重，通过就地无功补偿使无功就地平衡，可以有效地缓解线路压降，改善电能质量。对于供电线路末端电压较低的情况，可通过增加无功补偿装置来提升线路末端电压，使用电设备安全可靠运行[6]。

在太原市博物馆10kV开关站配电系统中，设备计算有功功率5087 kW，无功功率2 041 var（四组400kVar加两组250kVar 无功补偿装置补偿后），视在功率5 481kVA。在无功补偿系统投入前2018年1月功率因数只有0.82，而在投入后2019年1月功率因数则提高到了0.95。由此可见，博物馆越来越大型化数字化的今天，随着用电设备的增多，功率因数的高低是反映供配电系统健康与否的重要标志，它的提高对于博物馆电能的节约，变配电设备供电能力的提高具有十分重要的意义。