工厂供电系统无功补偿技术浅析

游中国

【摘要】功率因数是工厂供电系统提高运行效率的重要因素。本文通过对工厂供电系统无功补偿技术的研究，以及如何利用无功补偿技术来提高工厂供电系统功率因数等问题的分析，实现工厂供电系统“少电高产、低能高效”运行模式，供读者参考。

【关键词】功率因素；工厂供电；无功补偿

在我国，工业用电量占全国发电总量的70%以上。其中，工厂电气设备和供电线路的电能损耗就占到工厂用电量的20%～30%。可见，提高功率因数，减少功率损耗，提高供电质量，无论是对工厂本身运行成本的降低，还是对国家电力资源的节约都有十分重要的意义。

１提高功率因素的必要性

在工厂中，由于使用了大量的异步电动机、电焊机、电弧炉、气体放电灯、电力变压器等感性负荷，使得综合用电负荷呈阻感性质。因此，工厂设备在运行过程中，除了消耗所需的有功功率外，还需要大量的无功功率在电源和用电负荷之间作电磁交换。如果供电系统长期处在低功率因素下运行，会造成电网无功电流过大，使电网电能损耗和电压损耗增加，给工厂供配电系统带来不利影响。

根据《供电营业规则》中规定：变压器容量在100KVA及以上的高压供电的用户，在系统高峰用电时，其功率因素必须达到0.9～0.95以上，其它电力用户和大型排灌站以及趸购转售电企业，其功率因素最低不得低于0.85，凡功率因素达不到此规定值的工厂必须进行无功补偿。对于未能达到规定要求的工厂电力用户，供电部门除了收取基础电费以外，还要另行加收功率因数调整电费，即功率电费。因此，对工厂供电系统而言，通过提高工厂负荷功率因数，达到节能降耗的目的就非常有必要了。

2无功补偿的原理及优点

如图1所示，若用户需要的有,高功率Ｐ■不变，通过装设无功补偿装置将系统功率因数从ｃｏｓ?渍提高到ｃｏｓ?渍'时，无功功率将由原来的Ｑ■减小Ｑ■＇到，视在功率将由原来的Ｓ■减小到Ｓ■'。△Q■为无功补偿装置提供的无功功率，其补偿容量为△Q■=Ｑ■-Ｑ■＇=Ｐ■(tan?渍-tan?渍')=Ｐ■·△q■。其中△q■=tan?渍-tan?渍'，称为无功补偿率或比补偿容量。如果当前的功率因数ｃｏｓ?渍已知，并设定无功补偿后待提高到得功率因数为ｃｏｓ?渍'，便通过上式计算或查表得出需要补偿的无功容量△Q■。

在工厂或车间装设无功补偿装置后，总的无功计算负荷减小为Ｑ■＇=Ｑ■-Q■，补偿后低压侧总的视在计算负荷也减小为Ｓ■'=■<ＳＳ■。由此可见，无功补偿后可以使变电所主变压器容量选得更小一些，这样不仅可以降低工厂或车间变电所的初期建设投入，还可以大大减少因变压器自身功率损耗带来的电费开支（△P■≈0.015Ｓ■）。同时，对于三相负荷而言，由于Ｓ■的减小，将使工厂或车间的负荷电流I■=S■/■U■减小，进一步使电网电流减小，从而降低电能传输过程中的电能损耗（线损），减小供电设备的容量和输电线路的截面，节约电能；另外，线路上的电压降△U也随电网电流的减小而减小，这样在始端电压一定的情况下，可提高线路末端电压，从而使供电电压符合质量标准，提高供用电的可靠性。总而言之，提高功率因数不仅对整个电力系统有好处，对工厂自身也会带来可观的经济效益。

3无功补偿的具体方法

在工厂供电系统中，可以通过提高自然功率因数和采用无功补偿技术两个途径来提高功率因数。采用补偿方法来提高功率因数需增加新设备，也增加了投资，此外补偿设备本身还有功率损耗，所以应首先采取提高用电设备的自然功率因数得措施，若仍不能满足工厂用电规定的要求时（cos?准<0.9），则需要采用无功补偿设备来提高功率因数。

3.1提高自然功率因数

自然功率因数是指用电设备在没有任何补偿的情况下所具有的功率因数。一般可以采用下列几项措施降低用电设备消耗的无功功率，实现提高自然功率的目的。①一般来说，异步电动机额定负荷时功率因数ｃｏｓ?渍在0.8以上，而空载时则在0.1～0.2左右，可见功率因数与负荷率密不可分。因此，应合理选择异步电动机的设备容量，使之接近于经济运行状态，避免异步电动机空载运行或长期处于低负荷运行状态。对于变压器及其它设备也一样，其容量的大小应该选择合适，使其接近满载运行。②感应电动机容量应与负载相匹配，防止“大马拉小车”。如果感应电动机长期轻载运行，可将其三角形联接的定子绕组改为星形连接，使每相绕组承受的电压变为原来的1/■，从而使定子旋转磁场也降为原来的1/■，电动机的铁损就相应减小了。在生产工艺条件许可时，可用同等容量的同步电动机代替异步电动机，可以大大提高功率因数，起到明显的节能效果。③合理安排和调整工艺流程，改善电气设备的运行情况。例如在电加热处理中，将电炉的间歇作业改为连续作业，这就限制了电炉的空载运转时间，使设备的自然功率因数得到提高。④选用高效节能的用电设备。如使用无压运行的电磁开关；又如使用S9、S11型等新型变压器替代老式变压器，可以大幅降低变压器的铁损，提高自然功率因数。

3.2无功补偿装置

在采用各种技术措施减少用电设备的无功功率消耗的情况下，功率因数仍达不到0.9时，应使用无功补偿设备来提高功率因数。早期的无功补偿装置是同步调相机，又称为同步补偿机，是一种专门用于改善功率因数的同步电动机，通过调节其励磁电流，向电力系统提供或吸收无功功率而起到补偿作用。而后又出现了并联电容器、并联电抗器、各类静止无功发生器等无功补偿设备。其中，并联电容器以其安装简单、运行维护方便、功率损耗低、组装灵活、扩容方便等优点，在工厂供电系统中得到了最为广泛的应用。

并联电容器可根据需要由若干个电容器串并联组成，其补偿容量可大可小，既可以集中使用，又可以分散使用，甚至分相补偿。按电容器安装的位置不同，电容器无功补偿通常又分为高压集中补偿、低压分组补偿、个别补偿三种方式。①高压集中补偿。将电容器组集中装设在企业或工厂总降压变电所的母线上，用来提高整个变电所的功率因数，使该变电所在其供电范围内总无功功率基本保持平衡。这种补偿方式可减少高压线路的无功损耗，而且能够提高变电所本身的供电质量。②低压分组补偿。将电容器组分别装设在企业或工厂中功率因数较低的车间变配电所或车间配电盘的高压或低压母线上。这种方式具有与高压集中补偿相似的优点，但无功补偿容量和范围要小一些，电容利用率更高，效果更明显。另外，低压开关及保护装置价格低，且易于实现自动控制。因此，这种无功补偿方式在工厂中应用比较广泛。③个别补偿。将电容器组装设在异步电动机等感性设备的控制柜中，就地进行无功补偿，也称为单独补偿或就地补偿。通过共用一路开关，使电容器组与电动机同时运行或断开，其补偿效果好，但对电容器组的利用率较低。因此，个别补偿适用于低压网络中距离电源较远，并且长期稳定运行的中小型电机设备。

实际上，这几种补偿方式并不是独立的，而是需要综合起来考虑。首先，对距离电源较远的长期稳定运行的中小型电动机进行个别补偿；其次，对负荷分布比较集中的各配電馈线进行低压分组补偿；最后，对大容量的工厂总变压器进行高压集中补偿。这样才能取得最佳的补偿效果。

4结语

实践证明，无功补偿技术是提高功率因数的一种行之有效的方法。它能为工厂减少功率损耗，节约大量电能，带来经济效益，同时也提高了电能质量，使工厂真正实现“少电高产、低能高效”的生产模式。

【参考文献】

［１］刘介才.工厂供电[M].北京:机械工业出版社,2010.

［２］汪永华.工厂供电[M].北京:机械工业出版社,2007.

［３］邱关源.电路[M].北京:高等教育出版社,2006.

［４］国家电力监管委员会，电力业务资质管理中心编写组.电工进网作业许可考试参考教材[M].北京:中国财政经济出版社,2012．

［责任编辑：张涛］