聚酯一单元低压配电系统无功补偿设计

吴朝祥

(中国石化仪征化纤股份有限公司聚酯中心运保室，江苏仪征 211900)

电力系统中，电动机等有线圈的用电设备很多，这类设备除从电源中取得一部分电流做功外，还要从电源处取得一部分不做功的电感电流，这使得输变电设备上的电流要额外加大，功率因数就是用来衡量这一部分不做功的电流的。如果用电设备能够就近取得无功电流，不需要从远处通过输变电设备输送到用电设备处，就可以降低输变电设备的负载率，减少输变电设备的有功损耗和无功损耗，减少电压损耗。

无功电源同有功电源一样，是保证电能质量不可缺少的部分，在电力系统中应保持无功平衡。当系统无功不足时，系统电压降低，设备损坏，严重时会引起电压崩溃，系统解裂，造成大面积停电事故，因此，解决电网无功容量不足，增装无功补偿设备，提高网络的功率因数，对电网降损节电，安全可靠运行有着极为重要的意义［1］。当无功就地补偿时，能够降低发电机、输电线路和变压器等设备的负载率，减少输变电设备的损耗。

1 提高功率因数的办法

1.1 电容无功补偿基本原理

提高功率因数的方法常用补偿法，低压配电系统中常用并联电力电容器的办法来补偿用电设备需要的无功功率，这被称为电容无功补偿法。在感性负载上并联电容器，可用电容器的无功功率来补偿感性负载的无功功率，从而减少感性负载与电源之间原有的无功能量交换。在交流电路中，纯电阻电路负载中的电流与电压同相位，纯电感负载中的电流滞后于电压90°，而纯电容的电流则超前于电压90°，电容中的电流与电感中的电流相差180°，能相互抵消。电力系统中的负载呈感性，因此总电流将滞后电压一个角度，如图1所示，将并联电容器与负载并联，则电容器的电流将抵消一部分电感电流，从而使总电流减小，功率因数提高。

图1 电容补偿基本原理图

1.2 无功补偿方式

无功补偿的方式有个别补偿、分组补偿、集中补偿等。

个别补偿亦称单机补偿，即将电容器组直接装设在需要进行补偿的各个用电设备(主要是电动机)附近，就地补偿用电设备所消耗的无功功率，这种补偿方式能够补偿安装部位前面所有高低压线路和变压器的无功功率，补偿范围大，效果好。

分组补偿是指将电容器组按低压配电网的无功负荷分布情况，分组装设在相应的母线上，或者直接与低压干线相连接，形成低压电网内部的多组分散补偿方式。

集中补偿，即把电容器组集中安装在变电所的一次或二次侧的母线上。在实际中会将电容器接在变电所的高压或低压母线上，电容器组的容量按配电所的总无功负荷来选择。

根据仪化聚酯中心设备现状，选择集中补偿方式。

对于低压配电系统中的无功补偿，通常采用在配电变压器低压侧和用户车间配电屏安装并联补偿电容器。根据《GB50052－2009供配电系统设计规范》第6.0.7条的规定，在配电变压器的低压侧利用无功功率自动补偿控制器，随着负荷的变化，根据测得的功率因数自动地投入或切除电容器的部分或全部容量。

2 一单元无功补偿容量确定

2.1 运行现状及补偿目标

由于聚酯装置采用双变压器供电，故在补偿时需分段集中补偿。根据第三方检测结果以及实际运行情况，得到表1数据。

表1 一单元电能现状及功率因数目标值

2.2 补偿容量计算

2.2.1 电容容量计算

对于已投运的低配室，其无功补偿容量可根据式(1)来计算。由于电源A段和电源B段的负载会因生产情况发生变化，为达到目标功率因数，通常以负荷较高的一段计算补偿容量，其补偿容量Qe按下式选择:

式中:Km为月有功功率消耗量，由有功电能表读得;Kj为补偿容量计算系数，一般取0.8～0.9;由有功和无功电能表读数，可求得补偿前的功率因数正切值tgφ1=0.62，补偿后的功率因数正切值tgφ2=0.33;Tm为企业的月工作小时数。低配室一段电源的无功补偿容量为:

Qe=8763 ×30 ×0.9 × (0.62 －0.33)/Tm=8763×30 ×0.9 ×(0.62 －0.33)/(30 ×24)≈95.3 kvar

2.2.2 串联电抗器选择

由于电网3次谐波突出，除限制涌流外，尚能滤除部分3次谐波，以便清洁电网。选择的原则是，即使电容电抗接近谐振，但不能达到谐振。

对3次谐波而言，3XL=Xc/3，XL=Xc/9=0.111Xc

在选择电抗器电抗率时，不但要接近谐振频率，还要使回路成感性，故电抗器电抗率K选择在12%～13%。至于电抗器的容量，它等于所串电容器容量乘以电抗率，即QL=KQC。一般说来，只要给出所接电容器容量、电网额定电压及要求的电抗器电抗率。

2.3 串入电抗器后，电容器端电压及补偿容量的变化

2.3.1 串入电抗器后，电容器端电压的变化

由于系统电压不变，而电抗器压降又与电容器上压降刚好相位相反，这样必然造成电容器端电压升高。由于电抗率是电抗器电抗值与电容器容抗值之比的百分数，电抗器上的压降必然为电容器上的压降乘以电抗率。

即 Uc－UL=UN(Uc、UL、UN分别为电容器、电抗器及系统电压)

Uc－kUc=UN

Uc(1－k)=UN

Uc=UN/(1－k)

由此可见，串电抗后，电容器电压升高非(1+k)倍，而是1/(1－k)，这样，串入电抗后，电容器端电压升高，其升高倍数如表2所示。

表2 串入电抗后，电容器端电压升高值

2.3.2 串入电抗器后，补偿容量的变化

由于电抗器吸收电容器所产生的无功补偿功率，造成电容器向电网无功补偿能力减弱。由于串电抗造成电容器端电压升高，必须采用适合此电压的电容器，即选用较高电压等级的电容器。这样组合下来，实际电压又不一定正巧与所选电容器额定电压一致，一般都小于电容器额定电压。由于电容器在小于额定电压下运行，实际补偿容量又低于电容器铭牌所标容量［2］。

系统电压UN=380 v，每回路补偿电容器为30 kvar，串入电抗率k=12%，则:

a)电容器实际承受电压Uc=UN/(1－k)=380/(1－12%)≈432 v

选择电容器额定电压为480 v，电抗器实际压降为UL=430v－400v=30 v，或 UL=kUc=7% ×430=30 v

b)额定电压480 v电容器，实际承受电压为430 v，实际生产的无功功率为额定无功的(432/480)2=0.81。自身发出的无功 Q=30 ×0.81=24.3 kvar

c)电容器实际向电网发出额定功率的0.81×(1－12%)=0.712 8倍，即 30×0.7128=21.384 kvar

d)电容器串入电抗器后实际电流

以30 kvar电容器为例，额定电压480 v，额定电流为 IN=30/(1.732 ×0.48)=36.1 A，实际运行时，承受电压为430 v。

实际电流为I=IN×(432/480)=36.1×(432/480)=32.49 A

这样，选择回路导体及投切元件只能按32.3 A选择，不能按系统电压380 V、电容器30 kvar求得。

3 提高功率因数的实际意义

a)提高用电质量，改善设备运行条件，充分发挥企业的设备潜力

功率因数的表达式为:cosφ=P/S=P/1.732UI

可见，在一定的电流和电压下，提高cosφ，其输出的有功功率越大。因此，改善功率因数是充分发挥设备潜力、提高设备利用率的有效方法。

b)可节约电能，降低生产成本，减少企业的电费开支［3］

假定:1)系统没有谐波;2)无功补偿设备为纯电容;3)负载及无功补偿设备三相对称。

以B段运行参数为例，此时已知运行电流I=620 A，补偿前功率因数 cosφ1=0.85。补偿后功率因数为0.95，总电流可以下降到550 A，下降的全是无功电流。

c)可减少线路的功率损失，提高电网输电效率

因发电机的发电容量的限定，故提高cosφ也就使发电机能多出有功功率。

电力网的电压损失可用下式求出线路电压降为［4］:

式(2)中，P为线路的有功负荷，Q为线路的无功负荷，R和X分别是线路的阻抗和电抗，U是线路的供电电压。如果采用容抗为XC的电容来补偿，则电压损失为:

所以，采用补偿电容提高功率因数后，电压损失△U减小，改善了电压质量。从式(1)和式(2)知，无功负荷越小，则线路电压降就越小。

4 结语

笔者对无功补偿的作用、无功补偿的方式选择和无功补偿容量的确定作了探讨。在实际应用中，特别是在运行中的生产线，要根据当地电网的情况及用户的需要，最好是满负荷时进行现场测量，可使无功补偿获得良好的经济效益。

［1］勒龙章，丁毓山.电网无功补偿实用技术［M］.北京:中国水利出版社，1997:55－56.

［2］郭枝新，张都存.抑制谐波电抗器参数计算［M］.建筑电气技术文集，2001:48－50.

［3］戴晓亮.无功补偿技术在配电网中的应［J］.电网技术，1999，12 －13.

［4］刘介才.工厂供电［M］.北京:机械工业出版社，2003，62－65.