民用建筑配电系统中无功功率补偿分析

王 斌

（新疆维吾尔自治区建筑设计研究院，乌鲁木齐 830002）

合理的民用建筑配电系统为民用建筑提供了安全、可靠和经济的电能。由于在民用建筑配电系统中，使用了大量的感性用电设备，特别是一些大型的商场、办公楼等常常使用大量的电感型镇流器荧光灯照明，由于电流在电容元件和电感元件中做功时，电容电流与电感电流矢量方向相差180°，而单相感性负荷变化随机性大，本身的功率因数较低，如荧光灯功率因数仅为0.6～0.8，造成电路能源的浪费，同时也容易使民用建筑三相负载的不平衡。

在配电系统中加入无功补偿装置对无功功率进行补偿是提高电路有效功率的主要途径，常用的方法是在感性负荷中并联电容器，使感性符合与容性负荷之间进行负荷交换，减小电流矢量与电压矢量之间的夹角，从而提高系统的功率因数，改善民用建筑配电系统三相负载的平衡。

1 民用建筑配电系统设计和安装的基本要求[1]

1）合理的民用建筑配电系统首先要遵循安全性和可靠性原则，以保障供电设备维修人员的安全、居民的正常生活和建筑物内部结构稳定，避免引发火灾等安全事故。

2）民用建筑配电系统要根据室内空间的布置情况及用电设备的类型，合理的对室内电热水器、浴霸等用电设备配置合理的单相两极插头或三极插头及配套开关等[2]。

3）民用建筑中要对每栋楼的进线断路器设置漏电保护，并合理的选择断路器极数和漏电动作电流等技术参数。以便在出现故障时及时断开其所保护的所有带电导线，防止发生电气灾害。

4）设计和安装民用建筑配电系统时要尽可能使用经济环保、实用的配电设备，合理配置资源，充分发挥配电设备的作用，减少能源对环境造成的不利影响，必要时要考虑一些环保节能的民用建筑应急供电设备，如太阳能储电设备，辅助性供电设备等。

5）现代智能化民用建筑电力负荷较高，建筑内部耗费电能较大，很容易引发断电和火灾等事故，在民用建筑配电系统中建立大型的发电机组等一些辅助电源设备，以及配备专门的消防通道以及电源转换设备，是现代化民用建筑的基本要求。

2 民用建筑配电系统的接线方式

用电设备根据其重要性由高到低分为一级负荷、二级负荷和三级负荷，民用建筑配电系统的接线方式主要有放射式、树干式和环状式三种类型。

1）放射式是指从配电母线上直接引出用电设备所需要的供电回路，适用于对二、三级负荷或专用设备配电，如另外配备了独立备用电源，则可对一级负荷供配电。该方式具有线路敷设简单、配电设备集中、操作维护方便，保护容易，线路故障影响范围小，供电可靠性高等优点，缺点是母线出线回路较多，所需配电设备较多。

2）树干式则是由配电母线引出的一路配电干线，用电设备则从配电干线上接出若干支线的供电方式，具有线路敷设简单、投资少等优点，但供电可靠性相比放射式接线方式较差，一般适用于二、三级负荷供电。

3）环状式是把两路树干式线路联络起来构成环状，一般由两条回路电源同时工作开环运行，也可以将其中一条回路作为备用，供电可靠性较高，检修电力线路时可对电源和故障点进行切换，但其保护装置和整定配合都比较复杂，一般适用于用电设备的布置比较均匀，容量不大，无特殊要求的场合对二、三级负荷供电。

3 无功功率补偿技术的应用

配电网的输出功率包括直接转化为被人们生活中使用的有功功率和无功功率。电能在输电线路上的传输遵循以下公式

输电线路上有功功率的损耗为

式中，其中，U1、U2为线路起点和终点电压，P1、P2为起点和终点有功功率，Q1、Q2为起点和终点无功功率，R和X分别是输电线路的电阻和电抗。

式（1）、式（2）表明，当R、X、U1、U2、P1、P2不变时，无功功率Q1、Q2的减少可以使线路电压和功率损耗降低，从而提高电能质量。

常见的无功补偿方式有三相电容自动补偿、分相电容自动补偿和混合补偿三种。

1）三相电容自动补偿方式的原理是从三相中任意一相中取得无功功率的采样信号，并根据结果需要，将三相中的电容投切掉相同的数量，这种方式应用最广泛，具有结构简单，投资小等特点，非常适宜在负荷平衡的系统中使用。但在负荷不平衡的系统中，使得未检测采样信号的其他两相补偿精度较低，产生过补偿或者欠补偿现象。

2）分相电容自动补偿方式则分别对每相的电流和电压进行检测，独立的对每相感性负载的大小和功率因数的高低进行相应的无功功率补偿。这种方式有效避免了欠补偿和过补偿的情况，资源的利用效率大大提高，减少了线路损耗，是解决三相不平衡较好的方法,但是具体实现方式较为复杂，随着近年来低压补偿电容器技术和制造质量稳步提升，自动投切装置的质量和可靠性不断提高，促进该方式在民用建筑配电系统中得到推广[3]。

3）混合补偿方式将三相电容自动补偿方式与分相电容自动补偿方式结合起来，根据检测的结果，自动选择进行无功功率补偿的方式，以便提高资源的利用率。

4 无功功率补偿技术的选择

表1是某地一栋6 层的采用电感类荧光灯照明的综合性大楼，功率因数为0.65，根据相关要求，功率因数需要补偿到0.9，在采用三相集中电容补偿方式和分相电容自动补偿方式后经过测试的比较结果。

表1 无功功补偿技术的比较

根据表1可知，采用两种方式所使用配电箱数量相同，而分组自动补偿所使用配电箱尺寸较大，总容量较高，减少了供电线路、开关的投资，此外，分组自动补偿还可以配制智能控制器以及通信接口以实现远程实时检测和计算机联网管理，检测和维护都较方便。

另一方面，配电网视在功率由下式确定：

式（3）表明，若有功功率不变，提高功率因素可以减少无功功率和配电系统的容量。该综合楼在提高功率因素后的设备使用率提高比率是

由于

则线路损耗降低比率是：

即补偿后线路损耗降低了52.2%，节能效果显著。

总之，民用建筑配电系统的无功功率补偿方式各有优缺点，设计和安装人员要根据电网的具体情况，全面了解决所需补偿线路的负荷特点、三相间 的电压不平衡程度等，制定合理的补偿方案，将电网中的无功损耗降至最低。

5 结论

民用建筑配电系统的设计和安装的基本要求与商业建筑不同，要全面考虑民用建筑的使用性能和结构特点，尽可能考虑到所有的不利因素，不断完善设计和安装方案，保证民用建筑配电系统的可靠、稳定运行。同时，要结合具体情况合理的采用无功功率补偿方式，以提高系统的功率因数，由于民用建筑配电系统负荷存在较为严重的不平衡，采用分相电容补偿方式效果较好，有效的解决了线路中无功电流增大、相应配电线路截面及开关容量加大、安装分散、补偿投资成本大、后期维修量大、维修困难等问题。

[1] 徐志强.建筑电气设计基础[M].广州: 华南理工大学出版社,2009.

[2] 吴敏.剩余电流保护电器及其应用[J].重庆工贸职业技术学院学报,2011(3): 40-43.

[3] 谢燕林.浅谈民用建筑工程低压配电系统无功补偿[J].科技与企业,2011(6): 71-72.