浅析工厂供配电系统无功补偿的益处

任占飞+++王媛媛

摘 要：文章分析了并联电容器作为无功补偿装置的基本原理以及在工厂供配电系统中的效益和补偿方法，同时介绍了通过选择电气设备和合理运行电气设备来提高自然功率因数的具体节能措施。通过合理选择和运行电气设备以及无功功率补偿提高低压电网和用电设备的功率因数，已成为节电工作的一项重要措施。

关键词：无功补偿；节能；有功功率；无功功率；功率因数

前言

我公司是属于典型的机械加工企业，用电设备以电焊机和拖动机床的感应电动机为主，都是感性负载，所以我公司的自然功率因数很低，达不到有关电力设计规程规定：高压供电的工厂，最大负荷时的功率因数不得低于0.9，达不到要求，必须进行人工补偿。此外，变压器本身也是大感性负载需要消耗较多的无功功率，所以系统无功消耗很大，必须进行人工补偿。下面笔者以并联电容器补偿方式为例进行论述。

1 无功补偿的基本原理

在交流电路中，如果是纯电阻电路，电能都转化成了热能，而在通过纯容性或纯感性负载的时候，并不做功，也就是不消耗电能，即为无功功率。当然实际负载一般都是混合性负载，这样电能在通过负载时，就有一部分电能不做功，就是无功功率，此时的功率因数小于1，为了提高电能的利用率，就要进行无功补偿。

无论是工业负荷还是民用负荷，大多数均为感性。所有电感负载均需要补偿大量的无功功率，提供这些无功功率有两条途径：一是输电系统提供；二是补偿电容器提供。如果由输电系统提供，则设计输电系统时，既要考虑有功功率，也要考虑无功功率。由输电系统传输无功功率，将造成输电线路及变压器损耗的增加，降低系统的经济效益。而由并联补偿电容器就地提供无功功率，就可以避免由输电系统传输无功功率，从而降低无功损耗，提高系统的传输功率。

S1为功率因数改善前的视在功率；S2为功率因数改善后的视在功率

2 无功补偿的效益

2.1 提高功率因数

2.1.1 基本原理

在交流纯电阻电路中，负载中的电流IR与电压U同相位，纯电感负载中的电流IL滞后于电压90°，而纯电容的电流IC则超前于电压90°，如图所示。可见，电容中的电流与电感中的电流相差180°，它们能够互相抵消。

电力系统中的负载大部分是感性的，因此总电流I将滞后于电压一个角度φ，如果将并联电容器与负载并联，则电容器的电流IC将抵消一部分电感电流，从而使电感电流IL减小到IL'，总电流从I减小到I'，功率因数将由cosφ提高到cosφ'，这就是并联电容器补偿无功功率提高功率因数的原理（如图2）。

由于电容器与电感性负载并联安装，所以，当电感性负载吸收能量时，正好并联电容器释放能量。而电感性负荷放出能量时，并联电容器却在吸收能量，能量在两者之间转换。即：电感性负载所吸收的无功功率，可由并联电容器所输出的

2.1.2 节省企业电费开支

提高功率因数对企业的直接经济效益是明显的，因为国家电价制度中，从合理利用有限电能出发，对用电企业的功率因数规定了最低数值（一般规定基数为cosφ=0.9），低于规定的数值，需要罚款多收电费，高于规定的数值，可奖励相应的减少电费。

供电部门在收取电费时，按照行业标准规定：根据每月的实际功率因数，在高于或低于基数0.9时，按照规定的电价计算出当月的电费后， 再按照上表所规定的百分数进行奖惩，增减电费。

无功功率的节能对用户来说，就是最大可能的提高功率因数，减少无功计量，把实际功率因数保持在0.95以上，以降低电费。以我公司每年电费400万计算，400×0.75%=3万，仅此一项一年就可收回一台电容补偿柜的成本。

2.2 改善电压质量

对于电力用户来说，可采纳的调压措施主要有：（1）合理选择无载调压变压器的分接头或有载调压变压器—其实质是在系统的无功电源充足的条件下，通过改变变压器变比来改变无功功率的分布从而达到调压的目的；（2）尽量使系统的三相负载均衡—其目的是防止三相电压的中性点偏移；（3）合理选择系统运行方式—其实质是改变系统阻抗调压。上述三种调压措施均是在原有设备的基础上进行的，若以上方法不能满足用户对电压质量的要求时，则需通过增设无功补偿装置进行调压。无功补偿装置中电容器是最经济、运行维护最简单的补偿设备。

2.2.1 电压偏移对用电设备的影响（以感应电动机为例）

感应电动机正常运行时，作用于转子的电磁转矩Me与负载转矩MT相等，从而电机稳定运行。而电磁转矩Me与电压的关系式为：Me=CU2（C为常数），即：Me与电压U的平方成正比。额定运行时，Me=CUN2=MT，现在假设电压下降，U=0.9UN，则对应的Me′=C（0.9UN）2=0.81 CUN2=0.81Me。由于此时负载转矩不突变，所以Me′

2.2.2 改善电压质量原理分析

在线路中的电压损失ΔU=（PR+QX）/U，（式中ΔU-线路中的电压损失，P-有功功率，Q-无功功率，U-额定电压，R-线路的总电阻，X-线路感抗），从其表达式可知：若P、R、、X、U不变，Q减小则ΔU下降，可使重负荷下偏低的负荷点电压升高。电力系统的无功负荷主要为大型异步电动机和配电变压器本身所吸收的感性无功QL，它是构成异步电动机绕组的感性线圈和变压器原、副边线圈所消耗的。众所周知，电容与电感线圈在性质上恰好相反，即电容吸收容性无功功率QC，相当于发出感性无功功率QC。如果在负荷侧增设容量为QC的电容，可使负荷点总的感性无功功率变为（QL-QC）

2.3 降低功率损耗和电能损失

2.3.1 原理概述

在三相电力系统中，功率损耗ΔP=3I2R=P2R/[U2（cosφ）2]，电能损耗ΔW=ΔP×t，由此可见，当无功功率得到补偿使得功率因数提高后（cos？准增大），将使功率损失大大下降，从而电能损失也大大下降。因为线路和变压器的功率损耗与通过的电流平方成正比，在P一定的情况下，如果cos？准小，则I增大，功率损耗和电能损耗随着增大，年运行费用增加。

2.3.2 定量分析

2.4 提高设备出力

由于有功功率P=S·cos？准，当设备的视在功率一定时，如果功率因数cos？准提高，有功功率P也随着增大，可见设备的有功出力也就提高了。即：当无功功率在就地得到补偿，就地平衡后，负荷所需的无功功率就不用从电源索取了，流经线路的无功电流减小了，设备（线路及变压器）原来被无功所占用的那部分容量释放出来均可提供有功功率，从而设备利用率提高了，也提高了设备出力，可以充分挖掘原有设备潜力。

对于原有供电设备来讲，在同样有功功率下，因功率因数的提高，负荷电流减小，因此向负荷传送功率所经过的变压器、开关和导线等供配电设备都增加了功率储备，从而满足了负荷增长的需要；如果原网络已趋于过载，由于功率因数的提高，输送无功电流的减少，使系统不至于过载运行，从而发挥原有设备的潜力。

对于尚处于设计阶段的新、改、扩建工程项目，充分考虑无功补偿则能降低设备容量，减少投资费用，在一定条件下，无功补偿后改善了的功率因数可以使所选变压器容量降低和所选导体线径规格下降。因此，使用无功补偿，不但减少初次投资费用，而且减少了运行后的基本电费。

3 无功补偿措施

3.1 高压集中补偿

集中补偿是将电容器设置在总降压变电所内，将电容器组接在高压母线上，补偿容量仅需按照变、配电所的总负荷选择。这种补偿方式的优点：电容器组的利用率非常高，投资费用少，便于管理和维护保养；缺点：仅减轻了供电电网的无功功率，不能减少工厂内部配电网络的无功负荷。对于补偿容量相当大的工厂，多采用高压集中补偿和低压分散补偿相结合的方式。

3.2 低压分散补偿

分散补偿的电容器组一般接在各车间低压配电母线上，其利用率较高，投资费用省，但只能补偿受电变压器及变配电所至车间的供电线路上的无功功率，是一种比较经济合理的补偿方式，在中小型工厂应用较为普遍。

3.3 低压个别补偿

低压个别补偿是指将电容器直接安装在用电设备附近，与用电设备同时投入运行和断开。此种补偿方式可以最大限度的减少系统中流过的无功电流，补偿效果最好。缺点是总投资费用大，电容器的利用率低，易受机械振动和环境的影响。对于连续运行的大容量设备，宜采用低压个别补偿。

4 由无功补偿提高功率因数而想到的节能措施

4.1 正确选择电气设备

（1）选气隙小，磁阻小的电器设备。如尽量选择鼠笼型电动机。

（2）同容量下选择磁路体积小的电气设备。

（3）电动机、变压器的容量选择要合适，尽量避免欠负载运行。因欠载时P和I减少，会造成cos？准减小。

（4）不需要调速，持续运行的大容量电动机，有条件时可选择同步电动机，使其过激磁运行，提供超前无功功率（-Q）进行补偿，使电网总的无功功率减少。

4.2 电气设备合理运行

（1）消除严重欠载运行的电动机和变压器。对于变压器，当其平均负荷小于额定容量的30%时，应更换变压器或调整负荷；对于负荷小于40%的感应电动机，在能满足启动、工作稳定性等要求条件下，应以小容量电动机更换或将原三角形接法的绕组改为星形接法，降低激磁电压。

（2）合理调动安排生产工艺流程，限制电气设备空载运行。

（3）提高异步电动机的维护检修质量。因为异步电动机定子绕组匝数的变动和电动机的定子、转子间的气隙变动时对异步电动机无功功率的大小有很大的影响。所以应提高检修质量，使其电磁特性符合标准。

（4）进行技术改造，降低总的无功功耗。如改造电磁开关使其无压运行，即电磁开关吸合后，电磁铁合闸电源切除仍能维持开关合闸状态，减少运行中的无功功耗。

（5）做好变压器的散热工作。变压器绕组的电阻随着温度的升高而增大，对于同一台变压器在同一负载下，如果温度越低，损耗也越低。因此，应做好变压器的散热工作，降低变压器的温度。

5 结束语

文中集中探讨了无功功率补偿对工厂供配电系统中低压配电网的影响以及所带来的经济效益和社会效益，介绍了无功补偿的原理、效益及方法，并提出了在选择电气设备和合理运行电气设备方面的具体措施，确保采用无功补偿后提高功率因数，达到节约电能的目的。

参考文献

[1]黄纯华，葛少云.工厂供电（第二版）[M].天津大学出版社，2001.

[2]顾绳谷.电机及拖动基础（第二版）[M].机械工业出版社，1999.

[3]郭仲礼.高压电工技术问答[M].中国电力出版社，2002.

[4]张婉琳，蒋松辉.无功补偿对节能的意义[J].应用能源技术，2007（1）.

[5]葛丽娟，王威，傅强.电容器在电压调整和功率因数提高中的作用原理分析[J].内蒙古农业大学学报，2006.

[6]李小安.配电变压器无功功率的消耗与节能[J].电工技术：节能技术，1999.endprint

2.3 降低功率损耗和电能损失

2.3.1 原理概述

在三相电力系统中，功率损耗ΔP=3I2R=P2R/[U2（cosφ）2]，电能损耗ΔW=ΔP×t，由此可见，当无功功率得到补偿使得功率因数提高后（cos？准增大），将使功率损失大大下降，从而电能损失也大大下降。因为线路和变压器的功率损耗与通过的电流平方成正比，在P一定的情况下，如果cos？准小，则I增大，功率损耗和电能损耗随着增大，年运行费用增加。

2.3.2 定量分析

2.4 提高设备出力

由于有功功率P=S·cos？准，当设备的视在功率一定时，如果功率因数cos？准提高，有功功率P也随着增大，可见设备的有功出力也就提高了。即：当无功功率在就地得到补偿，就地平衡后，负荷所需的无功功率就不用从电源索取了，流经线路的无功电流减小了，设备（线路及变压器）原来被无功所占用的那部分容量释放出来均可提供有功功率，从而设备利用率提高了，也提高了设备出力，可以充分挖掘原有设备潜力。

对于原有供电设备来讲，在同样有功功率下，因功率因数的提高，负荷电流减小，因此向负荷传送功率所经过的变压器、开关和导线等供配电设备都增加了功率储备，从而满足了负荷增长的需要；如果原网络已趋于过载，由于功率因数的提高，输送无功电流的减少，使系统不至于过载运行，从而发挥原有设备的潜力。

对于尚处于设计阶段的新、改、扩建工程项目，充分考虑无功补偿则能降低设备容量，减少投资费用，在一定条件下，无功补偿后改善了的功率因数可以使所选变压器容量降低和所选导体线径规格下降。因此，使用无功补偿，不但减少初次投资费用，而且减少了运行后的基本电费。

3 无功补偿措施

3.1 高压集中补偿

集中补偿是将电容器设置在总降压变电所内，将电容器组接在高压母线上，补偿容量仅需按照变、配电所的总负荷选择。这种补偿方式的优点：电容器组的利用率非常高，投资费用少，便于管理和维护保养；缺点：仅减轻了供电电网的无功功率，不能减少工厂内部配电网络的无功负荷。对于补偿容量相当大的工厂，多采用高压集中补偿和低压分散补偿相结合的方式。

3.2 低压分散补偿

分散补偿的电容器组一般接在各车间低压配电母线上，其利用率较高，投资费用省，但只能补偿受电变压器及变配电所至车间的供电线路上的无功功率，是一种比较经济合理的补偿方式，在中小型工厂应用较为普遍。

3.3 低压个别补偿

低压个别补偿是指将电容器直接安装在用电设备附近，与用电设备同时投入运行和断开。此种补偿方式可以最大限度的减少系统中流过的无功电流，补偿效果最好。缺点是总投资费用大，电容器的利用率低，易受机械振动和环境的影响。对于连续运行的大容量设备，宜采用低压个别补偿。

4 由无功补偿提高功率因数而想到的节能措施

4.1 正确选择电气设备

（1）选气隙小，磁阻小的电器设备。如尽量选择鼠笼型电动机。

（2）同容量下选择磁路体积小的电气设备。

（3）电动机、变压器的容量选择要合适，尽量避免欠负载运行。因欠载时P和I减少，会造成cos？准减小。

（4）不需要调速，持续运行的大容量电动机，有条件时可选择同步电动机，使其过激磁运行，提供超前无功功率（-Q）进行补偿，使电网总的无功功率减少。

4.2 电气设备合理运行

（1）消除严重欠载运行的电动机和变压器。对于变压器，当其平均负荷小于额定容量的30%时，应更换变压器或调整负荷；对于负荷小于40%的感应电动机，在能满足启动、工作稳定性等要求条件下，应以小容量电动机更换或将原三角形接法的绕组改为星形接法，降低激磁电压。

（2）合理调动安排生产工艺流程，限制电气设备空载运行。

（3）提高异步电动机的维护检修质量。因为异步电动机定子绕组匝数的变动和电动机的定子、转子间的气隙变动时对异步电动机无功功率的大小有很大的影响。所以应提高检修质量，使其电磁特性符合标准。

（4）进行技术改造，降低总的无功功耗。如改造电磁开关使其无压运行，即电磁开关吸合后，电磁铁合闸电源切除仍能维持开关合闸状态，减少运行中的无功功耗。

（5）做好变压器的散热工作。变压器绕组的电阻随着温度的升高而增大，对于同一台变压器在同一负载下，如果温度越低，损耗也越低。因此，应做好变压器的散热工作，降低变压器的温度。

5 结束语

文中集中探讨了无功功率补偿对工厂供配电系统中低压配电网的影响以及所带来的经济效益和社会效益，介绍了无功补偿的原理、效益及方法，并提出了在选择电气设备和合理运行电气设备方面的具体措施，确保采用无功补偿后提高功率因数，达到节约电能的目的。

参考文献

[1]黄纯华，葛少云.工厂供电（第二版）[M].天津大学出版社，2001.

[2]顾绳谷.电机及拖动基础（第二版）[M].机械工业出版社，1999.

[3]郭仲礼.高压电工技术问答[M].中国电力出版社，2002.

[4]张婉琳，蒋松辉.无功补偿对节能的意义[J].应用能源技术，2007（1）.

[5]葛丽娟，王威，傅强.电容器在电压调整和功率因数提高中的作用原理分析[J].内蒙古农业大学学报，2006.

[6]李小安.配电变压器无功功率的消耗与节能[J].电工技术：节能技术，1999.endprint

2.3 降低功率损耗和电能损失

2.3.1 原理概述

在三相电力系统中，功率损耗ΔP=3I2R=P2R/[U2（cosφ）2]，电能损耗ΔW=ΔP×t，由此可见，当无功功率得到补偿使得功率因数提高后（cos？准增大），将使功率损失大大下降，从而电能损失也大大下降。因为线路和变压器的功率损耗与通过的电流平方成正比，在P一定的情况下，如果cos？准小，则I增大，功率损耗和电能损耗随着增大，年运行费用增加。

2.3.2 定量分析

2.4 提高设备出力

由于有功功率P=S·cos？准，当设备的视在功率一定时，如果功率因数cos？准提高，有功功率P也随着增大，可见设备的有功出力也就提高了。即：当无功功率在就地得到补偿，就地平衡后，负荷所需的无功功率就不用从电源索取了，流经线路的无功电流减小了，设备（线路及变压器）原来被无功所占用的那部分容量释放出来均可提供有功功率，从而设备利用率提高了，也提高了设备出力，可以充分挖掘原有设备潜力。

对于原有供电设备来讲，在同样有功功率下，因功率因数的提高，负荷电流减小，因此向负荷传送功率所经过的变压器、开关和导线等供配电设备都增加了功率储备，从而满足了负荷增长的需要；如果原网络已趋于过载，由于功率因数的提高，输送无功电流的减少，使系统不至于过载运行，从而发挥原有设备的潜力。

对于尚处于设计阶段的新、改、扩建工程项目，充分考虑无功补偿则能降低设备容量，减少投资费用，在一定条件下，无功补偿后改善了的功率因数可以使所选变压器容量降低和所选导体线径规格下降。因此，使用无功补偿，不但减少初次投资费用，而且减少了运行后的基本电费。

3 无功补偿措施

3.1 高压集中补偿

集中补偿是将电容器设置在总降压变电所内，将电容器组接在高压母线上，补偿容量仅需按照变、配电所的总负荷选择。这种补偿方式的优点：电容器组的利用率非常高，投资费用少，便于管理和维护保养；缺点：仅减轻了供电电网的无功功率，不能减少工厂内部配电网络的无功负荷。对于补偿容量相当大的工厂，多采用高压集中补偿和低压分散补偿相结合的方式。

3.2 低压分散补偿

分散补偿的电容器组一般接在各车间低压配电母线上，其利用率较高，投资费用省，但只能补偿受电变压器及变配电所至车间的供电线路上的无功功率，是一种比较经济合理的补偿方式，在中小型工厂应用较为普遍。

3.3 低压个别补偿

低压个别补偿是指将电容器直接安装在用电设备附近，与用电设备同时投入运行和断开。此种补偿方式可以最大限度的减少系统中流过的无功电流，补偿效果最好。缺点是总投资费用大，电容器的利用率低，易受机械振动和环境的影响。对于连续运行的大容量设备，宜采用低压个别补偿。

4 由无功补偿提高功率因数而想到的节能措施

4.1 正确选择电气设备

（1）选气隙小，磁阻小的电器设备。如尽量选择鼠笼型电动机。

（2）同容量下选择磁路体积小的电气设备。

（3）电动机、变压器的容量选择要合适，尽量避免欠负载运行。因欠载时P和I减少，会造成cos？准减小。

（4）不需要调速，持续运行的大容量电动机，有条件时可选择同步电动机，使其过激磁运行，提供超前无功功率（-Q）进行补偿，使电网总的无功功率减少。

4.2 电气设备合理运行

（1）消除严重欠载运行的电动机和变压器。对于变压器，当其平均负荷小于额定容量的30%时，应更换变压器或调整负荷；对于负荷小于40%的感应电动机，在能满足启动、工作稳定性等要求条件下，应以小容量电动机更换或将原三角形接法的绕组改为星形接法，降低激磁电压。

（2）合理调动安排生产工艺流程，限制电气设备空载运行。

（3）提高异步电动机的维护检修质量。因为异步电动机定子绕组匝数的变动和电动机的定子、转子间的气隙变动时对异步电动机无功功率的大小有很大的影响。所以应提高检修质量，使其电磁特性符合标准。

（4）进行技术改造，降低总的无功功耗。如改造电磁开关使其无压运行，即电磁开关吸合后，电磁铁合闸电源切除仍能维持开关合闸状态，减少运行中的无功功耗。

（5）做好变压器的散热工作。变压器绕组的电阻随着温度的升高而增大，对于同一台变压器在同一负载下，如果温度越低，损耗也越低。因此，应做好变压器的散热工作，降低变压器的温度。

5 结束语

文中集中探讨了无功功率补偿对工厂供配电系统中低压配电网的影响以及所带来的经济效益和社会效益，介绍了无功补偿的原理、效益及方法，并提出了在选择电气设备和合理运行电气设备方面的具体措施，确保采用无功补偿后提高功率因数，达到节约电能的目的。

参考文献

[1]黄纯华，葛少云.工厂供电（第二版）[M].天津大学出版社，2001.

[2]顾绳谷.电机及拖动基础（第二版）[M].机械工业出版社，1999.

[3]郭仲礼.高压电工技术问答[M].中国电力出版社，2002.

[4]张婉琳，蒋松辉.无功补偿对节能的意义[J].应用能源技术，2007（1）.

[5]葛丽娟，王威，傅强.电容器在电压调整和功率因数提高中的作用原理分析[J].内蒙古农业大学学报，2006.

[6]李小安.配电变压器无功功率的消耗与节能[J].电工技术：节能技术，1999.endprint