吳朝祥

(中國石化儀征化纖股份有限公司聚酯中心運保室，江蘇儀征 211900)

電力系統(tǒng)中，電動機等有線圈的用電設(shè)備很多，這類設(shè)備除從電源中取得一部分電流做功外，還要從電源處取得一部分不做功的電感電流，這使得輸變電設(shè)備上的電流要額外加大，功率因數(shù)就是用來衡量這一部分不做功的電流的。如果用電設(shè)備能夠就近取得無功電流，不需要從遠處通過輸變電設(shè)備輸送到用電設(shè)備處，就可以降低輸變電設(shè)備的負載率，減少輸變電設(shè)備的有功損耗和無功損耗，減少電壓損耗。

無功電源同有功電源一樣，是保證電能質(zhì)量不可缺少的部分，在電力系統(tǒng)中應保持無功平衡。當系統(tǒng)無功不足時，系統(tǒng)電壓降低，設(shè)備損壞，嚴重時會引起電壓崩潰，系統(tǒng)解裂，造成大面積停電事故，因此，解決電網(wǎng)無功容量不足，增裝無功補償設(shè)備，提高網(wǎng)絡的功率因數(shù)，對電網(wǎng)降損節(jié)電，安全可靠運行有著極為重要的意義［1］。當無功就地補償時，能夠降低發(fā)電機、輸電線路和變壓器等設(shè)備的負載率，減少輸變電設(shè)備的損耗。

1 提高功率因數(shù)的辦法

1.1 電容無功補償基本原理

提高功率因數(shù)的方法常用補償法，低壓配電系統(tǒng)中常用并聯(lián)電力電容器的辦法來補償用電設(shè)備需要的無功功率，這被稱為電容無功補償法。在感性負載上并聯(lián)電容器，可用電容器的無功功率來補償感性負載的無功功率，從而減少感性負載與電源之間原有的無功能量交換。在交流電路中，純電阻電路負載中的電流與電壓同相位，純電感負載中的電流滯后于電壓90°，而純電容的電流則超前于電壓90°，電容中的電流與電感中的電流相差180°，能相互抵消。電力系統(tǒng)中的負載呈感性，因此總電流將滯后電壓一個角度，如圖1所示，將并聯(lián)電容器與負載并聯(lián)，則電容器的電流將抵消一部分電感電流，從而使總電流減小，功率因數(shù)提高。

圖1 電容補償基本原理圖

1.2 無功補償方式

無功補償?shù)姆绞接袀€別補償、分組補償、集中補償?shù)取?/p>

個別補償亦稱單機補償，即將電容器組直接裝設(shè)在需要進行補償?shù)母鱾€用電設(shè)備(主要是電動機)附近，就地補償用電設(shè)備所消耗的無功功率，這種補償方式能夠補償安裝部位前面所有高低壓線路和變壓器的無功功率，補償范圍大，效果好。

分組補償是指將電容器組按低壓配電網(wǎng)的無功負荷分布情況，分組裝設(shè)在相應的母線上，或者直接與低壓干線相連接，形成低壓電網(wǎng)內(nèi)部的多組分散補償方式。

集中補償，即把電容器組集中安裝在變電所的一次或二次側(cè)的母線上。在實際中會將電容器接在變電所的高壓或低壓母線上，電容器組的容量按配電所的總無功負荷來選擇。

根據(jù)儀化聚酯中心設(shè)備現(xiàn)狀，選擇集中補償方式。

對于低壓配電系統(tǒng)中的無功補償，通常采用在配電變壓器低壓側(cè)和用戶車間配電屏安裝并聯(lián)補償電容器。根據(jù)《GB50052－2009供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》第6.0.7條的規(guī)定，在配電變壓器的低壓側(cè)利用無功功率自動補償控制器，隨著負荷的變化，根據(jù)測得的功率因數(shù)自動地投入或切除電容器的部分或全部容量。

2 一單元無功補償容量確定

2.1 運行現(xiàn)狀及補償目標

由于聚酯裝置采用雙變壓器供電，故在補償時需分段集中補償。根據(jù)第三方檢測結(jié)果以及實際運行情況，得到表1數(shù)據(jù)。

表1 一單元電能現(xiàn)狀及功率因數(shù)目標值

2.2 補償容量計算

2.2.1 電容容量計算

對于已投運的低配室，其無功補償容量可根據(jù)式(1)來計算。由于電源A段和電源B段的負載會因生產(chǎn)情況發(fā)生變化，為達到目標功率因數(shù)，通常以負荷較高的一段計算補償容量，其補償容量Qe按下式選擇:

式中:Km為月有功功率消耗量，由有功電能表讀得;Kj為補償容量計算系數(shù)，一般取0.8～0.9;由有功和無功電能表讀數(shù)，可求得補償前的功率因數(shù)正切值tgφ1=0.62，補償后的功率因數(shù)正切值tgφ2=0.33;Tm為企業(yè)的月工作小時數(shù)。低配室一段電源的無功補償容量為:

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 串聯(lián)電抗器選擇

由于電網(wǎng)3次諧波突出，除限制涌流外，尚能濾除部分3次諧波，以便清潔電網(wǎng)。選擇的原則是，即使電容電抗接近諧振，但不能達到諧振。

對3次諧波而言，3XL=Xc/3，XL=Xc/9=0.111Xc

在選擇電抗器電抗率時，不但要接近諧振頻率，還要使回路成感性，故電抗器電抗率K選擇在12%～13%。至于電抗器的容量，它等于所串電容器容量乘以電抗率，即QL=KQC。一般說來，只要給出所接電容器容量、電網(wǎng)額定電壓及要求的電抗器電抗率。

2.3 串入電抗器后，電容器端電壓及補償容量的變化

2.3.1 串入電抗器后，電容器端電壓的變化

由于系統(tǒng)電壓不變，而電抗器壓降又與電容器上壓降剛好相位相反，這樣必然造成電容器端電壓升高。由于電抗率是電抗器電抗值與電容器容抗值之比的百分數(shù)，電抗器上的壓降必然為電容器上的壓降乘以電抗率。

即 Uc－UL=UN(Uc、UL、UN分別為電容器、電抗器及系統(tǒng)電壓)

Uc－kUc=UN

Uc(1－k)=UN

Uc=UN/(1－k)

由此可見，串電抗后，電容器電壓升高非(1+k)倍，而是1/(1－k)，這樣，串入電抗后，電容器端電壓升高，其升高倍數(shù)如表2所示。

表2 串入電抗后，電容器端電壓升高值

2.3.2 串入電抗器后，補償容量的變化

由于電抗器吸收電容器所產(chǎn)生的無功補償功率，造成電容器向電網(wǎng)無功補償能力減弱。由于串電抗造成電容器端電壓升高，必須采用適合此電壓的電容器，即選用較高電壓等級的電容器。這樣組合下來，實際電壓又不一定正巧與所選電容器額定電壓一致，一般都小于電容器額定電壓。由于電容器在小于額定電壓下運行，實際補償容量又低于電容器銘牌所標容量［2］。

系統(tǒng)電壓UN=380 v，每回路補償電容器為30 kvar，串入電抗率k=12%，則:

a)電容器實際承受電壓Uc=UN/(1－k)=380/(1－12%)≈432 v

選擇電容器額定電壓為480 v，電抗器實際壓降為UL=430v－400v=30 v，或 UL=kUc=7% ×430=30 v

b)額定電壓480 v電容器，實際承受電壓為430 v，實際生產(chǎn)的無功功率為額定無功的(432/480)2=0.81。自身發(fā)出的無功 Q=30 ×0.81=24.3 kvar

c)電容器實際向電網(wǎng)發(fā)出額定功率的0.81×(1－12%)=0.712 8倍，即 30×0.7128=21.384 kvar

d)電容器串入電抗器后實際電流

以30 kvar電容器為例，額定電壓480 v，額定電流為 IN=30/(1.732 ×0.48)=36.1 A，實際運行時，承受電壓為430 v。

實際電流為I=IN×(432/480)=36.1×(432/480)=32.49 A

這樣，選擇回路導體及投切元件只能按32.3 A選擇，不能按系統(tǒng)電壓380 V、電容器30 kvar求得。

3 提高功率因數(shù)的實際意義

a)提高用電質(zhì)量，改善設(shè)備運行條件，充分發(fā)揮企業(yè)的設(shè)備潛力

功率因數(shù)的表達式為:cosφ=P/S=P/1.732UI

可見，在一定的電流和電壓下，提高cosφ，其輸出的有功功率越大。因此，改善功率因數(shù)是充分發(fā)揮設(shè)備潛力、提高設(shè)備利用率的有效方法。

b)可節(jié)約電能，降低生產(chǎn)成本，減少企業(yè)的電費開支［3］

假定:1)系統(tǒng)沒有諧波;2)無功補償設(shè)備為純電容;3)負載及無功補償設(shè)備三相對稱。

以B段運行參數(shù)為例，此時已知運行電流I=620 A，補償前功率因數(shù) cosφ1=0.85。補償后功率因數(shù)為0.95，總電流可以下降到550 A，下降的全是無功電流。

c)可減少線路的功率損失，提高電網(wǎng)輸電效率

因發(fā)電機的發(fā)電容量的限定，故提高cosφ也就使發(fā)電機能多出有功功率。

電力網(wǎng)的電壓損失可用下式求出線路電壓降為［4］:

式(2)中，P為線路的有功負荷，Q為線路的無功負荷，R和X分別是線路的阻抗和電抗，U是線路的供電電壓。如果采用容抗為XC的電容來補償，則電壓損失為:

所以，采用補償電容提高功率因數(shù)后，電壓損失△U減小，改善了電壓質(zhì)量。從式(1)和式(2)知，無功負荷越小，則線路電壓降就越小。

4 結(jié)語

筆者對無功補償?shù)淖饔?、無功補償?shù)姆绞竭x擇和無功補償容量的確定作了探討。在實際應用中，特別是在運行中的生產(chǎn)線，要根據(jù)當?shù)仉娋W(wǎng)的情況及用戶的需要，最好是滿負荷時進行現(xiàn)場測量，可使無功補償獲得良好的經(jīng)濟效益。

［1］勒龍章，丁毓山.電網(wǎng)無功補償實用技術(shù)［M］.北京:中國水利出版社，1997:55－56.

［2］郭枝新，張都存.抑制諧波電抗器參數(shù)計算［M］.建筑電氣技術(shù)文集，2001:48－50.

［3］戴曉亮.無功補償技術(shù)在配電網(wǎng)中的應［J］.電網(wǎng)技術(shù)，1999，12 －13.

［4］劉介才.工廠供電［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2003，62－65.