影响无功补偿容量参数的研究

薛小亮，王继武，叶祥宇，刘若晨

无锡中粮工程科技有限公司 (无锡 214035)

无功补偿设计是配电系统设计中不可或缺的组成部分。生产车间设备的动力来源一般是电动机，通常为三相异步感应电动机。三相异步感应电动机为感性负载，负载电流滞后于电压，会降低配电系统的功率因数，在视在功率不变的情况下降低电源的供电能力，同时增加输电线路损耗。根据《全国供用电规则》及各地供电局的规定，新用电单位功率因数低于规定值，供电局可拒绝接电。用电单位功率因数长期低于规定值，可能面临供电局的处罚。因此，无功功率补偿是配电设计中不可或缺的组成部分。

目前无功功率补偿设计通常根据负荷计算确定补偿容量，再根据补偿容量选择补偿器件即并联电容器的规格型号。在设计过程中，有两个冷门参数会影响无功功率的估算，影响配电系统的最终使用效果，但由于它们不是直接相关的参数，所以容易被忽视。这两个参数分别是电机负载率和补偿电容器的额定电压。

1 电机负载率对无功补偿容量的影响

随着社会进步和产品需求量的不断增加，同时也为了体现规模效应，使得生产设备的额定产量不断变大，所配备的动力即电机功率也随之不断增大。一方面，电机功率放大一点对整个设备造价的影响不大，设备的产量关系到整条生产线的产量，因此设备厂家在配备电机时从不“吝啬”；另一方面，设备产量也关系到设备的性能口碑，为了应对偶尔过载裕量或者用户的增产需求，设备厂家也有意识的增加设备电机的规格，如铭牌额定产量500 t/h的设备实际可以运行到550 t/h甚至600 t/h。这样导致的结果是，电机的额定功率相对于实际负载需求增加较多，实际生产时电机的负载率较低。

电动机的负载率是电机的实际输出功率占额定输出功率的比值，输出功率是指有功功率，就是电机实际将电能转换为机械能的功率。三相异步感应电动机正常工作，除了需要有功功率还需要无功功率，无功功率是为了建立旋转磁场所必须的励磁电流产生的功率，它的数值主要取决于电动机的设计参数，也受到电源电压的影响，与负载大小无关。电动机在相同电压下，空载运行和满载运行的无功功率相同。因此，电机运行时负载率的高低与无功功率的大小没有关系。

Qe是电动机在任何工作状态下(无论轻载或者满载)均需满足的无功功率数值。在没有无功补偿的自然情况下，Qe全部由电源电网提供，但电网中无功功率过多将拉低电网的功率因数，影响电网电能质量，因此供电局要求各用电单位接入电网的功率因数不能低于0.9。大部分用电单位，需在自己的配电系统中设置无功补偿装置进行无功补偿，无功补偿装置为配电系统提供了一部分无功功率，从而减少了从外部电源电网获取的无功功率，提升配电系统的整体功率因数。

“大马拉小车”对于满足生产要求没有问题，但对配电系统的无功补偿容量的要求却提高了，由于无功补偿与日常生产的关系，不像运行电流、电压这类硬性指标一样直接相关，如电流超过设定值断路器会直接跳闸使生产中断，所以配电系统内无功补偿容量不足常常被忽略，只有功率因数不合格被供电局警告处罚、或者补偿电容器长期使用寿命缩短明显缩短，才会引起电工的注意。

笔者在一次对客户的回访时，沟通中得知车间生产基本正常，就是最近两三年无功补偿柜电容器使用寿命较短，更换比较频繁，而且功率因数时常比较低，电容器已经全部投切仍然无法将功率因数提高到合格数值。该车间生产多种产品，不同产品对主机设备的动力要求不一样，个别产品的动力需求较大，其他产品动力需求略小，所以综合考虑，将部分主机设备加大了电动机功率。日常生产时，出现这样的情况：生产动力需求大的产品时，各主机设备电动机的负载率较高；生产动力需求小的产品时，各主机设备电动机的负载率较低。电动机在负载率较低的情况下工作时，为了使配电系统功率因数满足指标要求，所需的无功补偿容量更大，无功补偿电容器长时间投入工作，不能正常轮换休息，电容器的使用寿命就缩短了。

2 补偿电容器额定电压对无功补偿容量的影响

无功补偿容量相同的电容器，额定电压越高，实际工作时输出的无功补偿容量反而越小。因为电容器铭牌标称的额定无功补偿容量是其在额定电压下的补偿容量，而电容器的额定电压通常高于正常工作电压，因此电容器正常工作时的补偿容量通常小于额定补偿容量，而且额定电压与实际工作电压差值越大，电容器补偿容量就“缩水”越明显。

电容器无功补偿容量的计算公式为：

Q=2πfCU2

式中：Q表示电容器的功率，var；f为系统频率，50 Hz/60 Hz；C为电容器容量，F；U表示系统电压，V。由公式可知，同样电容容量的电容器，工作电压越高，能提供的无功补偿容量越高。无功补偿电容器铭牌上的额定无功补偿容量Q，是指在标称额定电压下的无功补偿容量。假设一个电容器铭牌标识额定补偿容量为50 kvAR，额定电压为525 V，则当该电容器工作在400 V电力系统时，实际输出的补偿容量只有。可见补偿电容器，在相同的额定补偿容量(或成为装机容量)下，额定电压越高，在400 V的电力系统中，实际输出的无功补偿容量(或称为输出容量)越小。无功补偿电容器常见的额定电压有400 V、450 V、480 V和525 V等，通常额定电压越高的电容器价格更贵，给人一种性能指标数值越高的产品性能越好的惯性错觉。因此，在选用无功补偿电容器时，我们不能想当然或者被供货商“忽悠”，一味选用性能指标数值高、价格高的产品，而是应该根据需要选用性能合适的产品。一般普通的场合，额定电压480 V的无功补偿电容器已经能满足使用需要。如果确实对产品耐压有更高要求，需要选用额定电压更高的电容器，就需要复核好电容器在实际工作电压下的实际输出无功容量，以免出现补偿容量不够的情况。

3 结语

本文所讨论的两个参数对无功补偿容量影响的内容，在《工业与民用供配电设计手册》中有提及，但仅说明了结论，没有详细分析和计算推导过程，特别是负载率对无功补偿的影响。无功补偿是配电设计中重要的一部分，关系到配电系统规范安全可靠的运行。随着生产力发展，电力应用规模在不断的迅速的扩大，安全用电的要求将会越来越严格，希望电气技术人员和用户能更加重视安全用电。