民用建筑供配电系统中的无功补偿方式及其选择

魏 民 蔡传宝

（浙江杭州绿城东方建筑设计有限公司，浙江 杭州310012）

0 引言

随着社会的快速发展和人们生活水平的不断提高，各地建设了大量的办公楼、住宅公寓、大型商场和超市、高级酒店，民用建筑和工业的用电量在飞速增长。由于民用建筑的用电负荷类型为单相感性负荷，其本身的功率因数很低，因此导致整个系统的供电效率不高。为了提高功率因数，降低无功功率，使电能得到充分利用，提高供电质量，我们通常在供配电系统中加入无功补偿装置来进行无功功率补偿。无功功率补偿是提高电能质量的重要手段，它可以降低输电线路上的压降和能量损耗，进而减少用电能耗，提高电能的质量。

1 无功补偿的原理

电网输出的功率有2部分：一部分是有功功率，另一部分为无功功率。有功功率可直接转化为能使用的各种能量，如电灯照明、煮饭的热能等；无功功率不能以使用能的形式体现出来，却是设备做功的必备条件。无功功率的损耗在以下2个公式中可以体现出来。

（1）输电线路上电压降的公式：

式中，U1为线路起点电压；P1为输电线路的有功功率；R为输电线路的电阻；Q1为输电线路的无功功率；X为输电线路的电抗。

在R、X、U1、P1这4个量不变的情况下，Q1的减少将使电压降降低。

（2）输电线路上有功功率损耗的公式：

式中，U2为线路终点电压；R为输电线路的电阻；P2为输电线路终点的有功功率；Q2为输电线路终点的无功功率。

在R、U2、P2这3个量不变的情况下，Q2的减少将使线路损耗降低。

从上面2个公式可以看出，无功功率补偿对电能质量的提高、线路上电能损耗的降低有重要作用。

在电感元件中电流做功时，电流滞后于电压90°；在电容元件中电流做功时，电压滞后于电流90°；在同一个电路中，电感电流与电容电流矢量方向相反，相差180°。如果在电容元件电路中有比例地安装电磁元件，就可以抵消两者的电流，使电压矢量与电流矢量之间的夹角减小，进而使电源的做功大大提高。而供电设备多数为感性负载，存在大量的无功功率，因此在感性负荷中并联电容器作为无功补偿装置，这种方式在国内外被广泛采用，叫做电容补偿。把容性负荷装置与感性负荷连在同一电路中，能使它们之间进行负荷交换，这就使得感性负荷需要的无功功率可用容性负荷输出的无功功率补偿，从而提高了系统的功率因数。

2 无功补偿的方式

无功补偿的方式有3种：变电站集中补偿、配电线路分散补偿和随机补偿。

（1）变电站集中补偿。针对电网系统的无功平衡，在变电站进行集中补偿。进行补偿的装置包括并联电容器、静止补偿器等，目的是平衡电网的无功功率，提高电网的功率因数，提高母线电压，补偿变压器和输电线路上的无功损耗。这些补偿装置一般都接在变电站的高压母线上，因此容易管理且维护方便，但其缺点是对高压配电网的降损不起任何作用。

（2）配电线路分散补偿。配电线路上的无功补偿是通过在线路的杆塔上安装电容器来实现的。线路上的补偿点不宜太多；控制方式要简单且易操作，不应采用分组投切的控制方式；对线路的补偿容量也不宜过大，以免补偿过剩；保护也应从简设置，可采用熔断器作为过载保护装置。配电线路无功补偿方式主要为线路和公用变压器提供所需要的无功功率，该方式的优点是投资少、回收快、方便管理和维护，常用于功率因数较低且负荷大的长线路；缺点是适应能力差，重载情况下无功补偿不足等。在民用供配电系统中，由于多数用户使用单相负荷或单相负荷和三相负荷混用，且负荷大小不同，用电时间也不同，所以其三相间存在大量的不平衡电流，并且这种不平衡性没有规律，使供电部门无法预先知道，这就导致低压供配电线路上的三相负荷长期处于不平衡状态。电网中的这种不平衡状态会增加线路和变压器的铜损速度，甚至会增加变压器的铁损率，使变压器的出力降低，严重时会影响其安全运行。在实际运行中，需要调整不平衡电流的无功补偿装置来解决电流的不平衡问题。这种装置在进行线路无功补偿的同时会调整不平衡的有功电流，这样可以把三相功率因数补偿到0.95以上，使不平衡电流降到10%以内。

（3）随机补偿。随机补偿就是通过控制装置、保护装置与电动机同时切换，将电容器与电动机并接的一种无功补偿方式。在民用供配电网中有很大一部分无功功率消耗在电动机上，因此对电动机做好无功功率补偿，不仅可以减少配电线路上的损耗，而且还可以提高电动机的出力。随机补偿的优点是无功补偿装置随着用电设备的运行和停止，相对应地投入和退出，具有投资少、占地少、安装简单、控制灵活方便、事故率低等特点，适用于补偿电动机的无功消耗，可以有效地限制电网的无功波峰荷载。对于年运行时间在1 000 h以上的电动机，采用这种补偿方式比较节能。

3 无功功率补偿方式的选择

在无功功率补偿方面，选择哪一种补偿方式，要根据电网的情况而定。首先，设计人员要对所需补偿线路的负荷特点、三相间的电压不平衡程度等有所了解，然后再结合补偿方式制定合理的补偿方案。对于负荷较大且负荷变化快的工况，比如电动机的线路等，要采用随机补偿或配电线路分散补偿的方式，这种补偿方案比较节能，补偿效果也很明显。对于负荷比较平稳的供电线路要采用变电站集中补偿的方式，在一些情况下也可以使用随机补偿方式。对于一些特殊的工作线路，在确定方案时要考虑周全，慎重选择。特别是在含有瞬变高电压和大电流的线路中，要采用配电线路分散补偿的动态补偿方式，可以有效缓解高电压、大电流对电网的冲击。此外，无功功率补偿器控制方式的选择间接影响着无功功率补偿方式的选择。控制器有3种采样方式，分别是功率因数型、无功功率型和无功电流型。控制器的作用是指挥无功补偿装置的运行、采样和运算，为电容补偿器的正常运行提供保障。

在民用配电网中，最主要的无功补偿方式就是以上所述的3种，这3种补偿方式各有各的优缺点。实际工程中，在弄清无功补偿原理的情况下，要根据现场的实际情况并结合选择标准来选择相应的补偿方式，使电网中的无功损耗降到最低。

4 结语

总之，为了保证电网的电压稳定，必须通过电网的无功补偿做好电网的无功管理工作，实现无功功率供应和需求的平衡，降低线路损耗，提高电网的运行效率，从而达到既满足用电需求又节能的目的。

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