电气设备中的无功功率补偿

安徽理工大学电气与信息工程学院 袁 昕 刘 旭

我们生活中常见的电动机、变压器都利用了电磁感应原理，将电能转化为机械能。但是在两种能量的转化过程中需要依靠交变磁场来实现响应的转化目的，也就是说电能和机械能不能直接进行转换。交变磁场以及感应磁通过程中消耗的功率就是无功功率，但是这里所指的无功功率与物理中的无用功率是两个概念，物理中的无用功率主要是指消耗的能量以热能的形式排放，之所以被称之为无用功率其实就是没有任何显示意义。不过无功功率与机械能、热能之间都不存在转化关系，但是无功功率却是很多用电设备正常工作所需的；如果供电系统中存在无功功率供应不足的情况就会导致用电设备无法正常工作。

1 无功功率补偿的目的

1.1 影响功率因数的主要因素

（1）在整个电力系统中对于无功功率需求较大的设备就是电感性设备。这些设备主要以感应电炉、异步电动机为主，因此要想解决无功功率不足的问题不能够仅仅通过提高电力系统的无功功率供给来进行解决，因为这种解决方式将带来较大的资金消耗，违反了经济性原则，必须要对这些设备的运行状态以及相关特征进行透彻的研究与分析，然后再根据分析的结果来确定解决无功功率需求不足的问题。通过对用电部门发布的调查数据报告进行分析可知异步电动机在工矿企业中所消耗的无功功率占到了70%；对于异步电动机而言，运行状态下如果没有与负载进行连接其内部的无功功率占总功率的百分比大概为70%。因此解决异步电动机功率因素低的方法就是增加异步电动机的负载，企业的设备管理人员需要避免异步电动机长期处于空载状态。

（2）对于变压器而言其运行状态下无功功率所占的比例一般在10%～15%之间，变压器处于满载状态下消耗的无功功率是空载状态下的3倍。所以要想缓解电力系统的供电压力以及增加用电设备的功率因素就需要对变压器的运行状态进行控制，避免其处于空载状态。

（3）如果输入用电设备的电压大于设备的额定电压就会导致用电设备的功率因素下降。根据检测的结果可知，如果供电系统输送给用电设备的电压值超过额定电压的10%就会使得用电设备消耗的无功功率上升35%，造成这一现象的主要原因是磁路饱和。虽然电力系统中的供电电压值比用电设备额定电压值小时会使得功率因素增加，而且消耗的无功功率也会降低，不过用电设备的输入电压不能够达到额定值就会导致其功能受到干扰，不具备正常运转的能力，这显然是不可取的一种解决方法。只有将供电电压控制在一定的范围内，避免其出现较大范围的浮动才是正确的解决方法。

1.2 提高自然功率因数的方法

对于自然功率因素的增加主要是通过科学的管理方法以及技术手段来实现的，而无须购买补偿设备。相对于其他提高自然功率因素的方法而言，其主要的优势在于成本非常低。主要有以下几种方法：

（1）严格遵循电动机使用手册来进行电动机的使用以及日常维护。

（2）定期对异步电动机进行维修，确保其处于正常的运转状态。（3）尽可能的选择同步电动机来代替异步电动机。

2 无功补偿方法

2.1 无功功率的人工补偿装置

并联电容器是工程实践过程中比较常见的一种进行无功功率补偿的方法。主要包括三种并联电容器的补偿方法：

（1）高压集中补偿电容器的安装位置是高压电容器室中，而且直接和高压母线连接。

（2）低压集中补偿电容器的安装位置是低压容器中，而且直接和低压母线进行连接。一般选择放电电阻以及指示灯作为放电口。

（3）低压分散补偿电容器的安装位置是与低压配电箱连接在一起，还有另外一种连接方式就是和用电设备进行并联。该装置主要是通过用电设备的绕组来完成放电。

2.2 无功补偿装置的安装方法

（1）低压个别补偿

所谓低压个别补偿的实际含义是当用电设备的作用非常关键但是供电系统对于无功功率供给不足的情况下来通过低压电容器和这些设备进行并接以此来确保用电设备无功功率需求得到满足。一般这种连接方式下电容器和设备在电路中处于同一断路器的控制之下。主要是为了这些电容器单独为制定用电设备服务。这种无功功率补偿方式的主要优势在于成本比较低、对于技术要求不高、维护难度低、稳定性高。

（2）低压集中补偿

低压集中补偿的主要原理就是依靠低压开关把低压电容器并接在低压母线侧，这种连接方式中起控制作用以及保护作用的装置是无功补偿投切装置，其主要的动作条件就是所处线路上的无功负荷，如果无功负荷比较大就会使得投切装置动作，从而对线路上的用电设备进行无功功率补偿。低压集中补偿方式相对于其他补偿方式的主要优势在于管理难度低、接线非常便捷、网损非常低。这种补偿方式的实践运用也非常广泛。

（3）高压集中补偿

进行高压集中补偿时首先需要将电容器进行并联组合成电容器组。然后将电容器组连接在高压母线上来实现无功功率补偿。这种补偿方式的特征非常明显就是补偿点与实际用电端的距离比较远，因此其的应用场景就是用电设备处于电力输送路径的尾端，而处于这一位置的用电设备如果属于高压负荷的范畴就会导致对于电力系统中的无功需求降低而且还会通过电网来反馈一定的无功功率。一般会根据检测到的负荷数据来作为投切的依据和标准，以此来确定投入使用的补偿装置数量，这种自动投切方式的主要好处在于能够使得功率因数处于一个较高的水平，有利于节约成本。

2.3 集中补偿和分组补偿

（1）集中补偿

这种装设方式与分散补偿方式相比，具有以下优点：

①能方便的同电容器组的自动投切装置配套，自动追踪无功功率变化而改变用户的补偿容量，避免在总的补偿水平上产生过补偿或欠补偿，从而使用户功率因数始终保持在规定范围之内。在这种意义上讲，可使用户达到最优补偿。

②集中补偿有利于控制用户本身的无功潮流，避免受电力网的电压变化或负荷变化而产生过大的电压波动。当电压波动超过允许范围时，可借助自动投切装置调准母线电压水平，以改善电压质量。

③电容器组的基本容量是根据用户正常负荷需要确定的，运行时间长，利用率高，补偿效益就高；而且集中补偿方式在运行维护上较为方便，事故率相对减少，相应的提高了补偿效益。

缺点：

这种方式只能减少装设点以上线路和变压器因输送无功功率所造成的损耗，而不能减少用户内部通过配电线路向用电设备输送无功功率所造成的损耗。其降损节电效益必然受到限制。这也就是说，集中补偿容量再多，起作用仅限于减少变压器本身及以上配电线路的无功损耗。

（2）分组补偿

优点：

①分组不常有利于对无功进行内部分区控制，实现无功负荷分区平衡，减少无功功率在变配电站以下配电线路中的流动，使内部线损显著降低。

②对于实行分车间考核用电指标的用户，分组补偿有利于分车间加强无功电力管理，提高本车间的功率因数，降低产品单耗和生产成本。

③分组电容器的投切随车间总的负荷水平而变化，其利用率较单台补偿高；分组补偿也比单台电动机易于控制和管理。

缺点：

①不如集中补偿便于管理。

②如果在车间装设电容器未能分组，则补偿容量无法调整，可能会出现过补偿或欠补偿。

③如果只进行分组补偿，则用户变压器消耗无功功率必须由车间电容器向上倒送，或由电网输送，显然效果不好。

④分组补偿的一次性投资大于集中补偿。

补偿方式的选择原则：以移相电容器为主，全面规划，合理布局，分散补偿，就地平衡，自动控制，集中调节。

集中调节与分散补偿相结合，以分散补偿为主；调节补偿与固定补偿相结合，以固定补偿为主；高压补偿和低压补偿相结合，以低压补偿为主。实现提高功率与降损并重为目的。

3 无功补偿初步计算

假设在进行补偿之前有功功率是164.83KW，无功功率是101.65Kvar，视在计算负荷为193.65Kva。

通过表达式cos φ=Pc / Sc可以计算出功率因数值为0.85。

通过表达式：Qn.c=Pc(tanφ－tan'φ)能够大致确定无功补偿容量是70.21Kvar，功率因数的目标值为0.92。

通过上述中补偿前后的数据对比分析可知补偿后功率因数是0.921，因此功率因数目标值得以实现。

4 无功补偿的好处

（1）补偿无功功率，就是提高微电网的功率因数，这等同于提高微电网的效率，降低变压器的负荷，减少变压器的损耗。

（2）降低电网中的功率损耗和电能损失；通过无功补偿，可以减少微电网的线路损耗，直接降低电能消耗，减少用电成本。

（3）改善电能质量，提高用电设备的工作效率和降低故障率；无功补偿可以提高电能质量，使电压和频率更稳定率，滤出一定的电力谐波，从而保证用电设备工作更稳定，工作效率更高，降低电设备的故障率，等同于提高设备效益。

（4）减小变压器等设备的投入，节省投资。微电网的功率因数提高以后，微电网的负载就降低，同样的变压器，可以给更多的设备供电，这就减少变电设备的投入，间接提高经济效益。