论文部分内容阅读
摘 要：本文主要讨论了常见的几种无功补偿方式，简要分析的其应用范围。
关键词：无功补偿；功率因数；经济效益
电网中的电力负荷如电动机、变压器等，属于既有电阻又有电感的电感性负载。电感性负载的电压和电流的相量间存在着一个相位差，通常用相位角φ的余弦cosφ来表示。cosφ称为功率因数，。功率因数是反映电力用户用电设备合理使用状况、电能利用程度和用电管理水平的一项重要指标。三相功率因数的计算公式为：
式中cosφ——功率因数；
P——有功功率，kW；
Q——无功功率，kVar；
S——视在功率，kV。A；
U——用电设备的额定电压，V；
I——用电设备的运行电流，A。
功率因数分为自然功率因数、瞬时功率因数和加权平均功率因数。
（1）自然功率因数：是指用电设备没有安装无功补偿设备时的功率因数，或者说用电设备本身所具有的功率因数。自然功率因数的高低主要取决于用电设备的负荷性质，电阻性负荷（白炽灯、电阻炉）的功率因数较高，等于1，而电感性负荷（电动机、电焊机）的功率因数比较低，都小于1。
（2）瞬时功率因数：是指在某一瞬间由功率因数表读出的功率因数。瞬时功率因数是随着用电设备的类型、负荷的大小和电压的高低而时刻在变化。
（3）加权平均功率因数：是指在一定时间段内功率因数的平均值。
在正常情况下，用电设备不但要从电源取得有功功率，同时还需要从电源取得无功功率。如果电网中的无功功率供不应求，用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场，那么，这些用电设备就不能维持在额定情况下工作，用电设备的端电压就要下降，从而影响用电设备的正常运行。
在大型供配电企业中，由于大量的负荷感性负荷，因此企业的功率因数比较低，如不采用补偿，提高功率因数，将造成如下不良影响：
降低了发电机的输出功率，当发电机需要提高无功输出，低于额定功率运行时，将使发电机有功降低。
降低变电、输电的设施的供电能力。
使网络电力损耗增加（网络中的电能损失与功率因数值的平方成反比）
功率因数越低，线路的电压降越大，使得用电设备运行条件恶化。
一、国家标准对无功补偿的具体要求：
依据GB50052-2009供配电设计规范 第6部分 无功補偿
1、设计中应正确选择电动机、变压器的容量，降低线路感抗。当工艺条件允许时，宜采用同步电动机或选用带空载切除的间歇工作制设备等，提高用户自然功率因数。
2、当采用提高自然功率因数措施后，仍达不到电网合理运行要求时，应采用并联电力电容器作为无功补偿装置。当经过技术经济比较，确认采用同步电动机作为无功补偿装置合理时，可采用同步电动机。
3、采用电力电容器作为无功补偿装置时，宜就地平衡补偿，并符合下列要求：
二、提高用电设备的自然功率因数
一般工业企业消耗的无功功率中，异步电动机机约占70%，变压器占20%，线路占10%，所以设计中应正确选择电动机和变压器的容量，减少线路电抗，在功率条件适当时，采用同步电动机以及选用带空载切除的间隙工作设备，以提高用电单位自然功率因素，例如选择电动机电动机容量负荷不低于额定容量的40%，变压器负荷率宜在75%-85%，不低于60%。
三、功率因数及补偿容量的计算
1、用户自然平均功率因数为：
2.补偿容量的计算：
四、几种常用设备的补偿
（1）10kV配电线路的无功补偿：
10kV配电线路上安装1～2处高压无功自动补偿装置，补偿容量按线路配变总容量的10%掌握。假设公用配变容量为40500kVA，需补偿无功容量约为4000kvar，约需资金55万元。经计算，安装一处时，宜将无功自动补偿装置安装在距线路首端的2/3线路长度处。安装两处时，第一处安装在距线路首端的2/5线路长度处，另一处安装在距线路首端的4/5线路长度处，各处容量为线路总补偿容量的一半。具体安装时，还应考虑便于操作、维护和检修工作等。
（2）配电变压器的无功补偿：
城网大部分配电变压器昼夜负荷变化较大，用电多为居民生活用电，白天及后半夜多数变压器处于轻载或空载状态。我们知道变压器的损耗包括有功损耗和无功损耗，无功损耗包括空载励磁损耗及漏磁无功损耗。从配电网线损理论计算可知，配电变压器的无功损耗约占配电网总损耗的60%左右。为有效补偿配电变压器本身的无功功率，避免轻载时功率因数超前，电压升高及节约资金，对容量在200kVA以下的配电变压器按配变容量的5%左右掌握实行静态无功补偿。将补偿装置装设在配变低压出口处，随配变同时投切。对200kVA及以上的配变安装自动跟踪补偿装置。
（3）电动机的无功补偿：
7.5kW及以上投运率高的电动机最好进行无功补偿，为防止出现因过补而产生的谐振过电压，烧毁电动机，应将电动机空载时的功率因数补偿到接近1。因为电动机空载时的无功负荷最小，补偿后满载的电动机功率因数仍为滞后，这样就避免过补偿现象的发生。将低压电容器同设备一起投切，直接补偿设备本身的无功损耗。
①机械负荷惯性较小的电动机（如风机等）：
Qc≈0.9Qo （1）
式中Qc--补偿容量，kvar
Qo--电动机空载无功功率，kvar
电动机空载电流可由厂家提供，如无，可参照（2）式确定：
Io=2Ie（1-cosφ）A （2）
式中Io——电动机空载电流（A）
Ie——电动机额定电流（A） cosφ——电动机额定负荷时功率因数
②机械负荷惯性较大的电动机（如水泵等）：
Qc=（1.3～1.5）Qo （3）
③车间、工厂集中补偿容量可按（4）式确定：
Qc=Pm（tgφ1-tgφ2） （4）
式中 Pm--最高负荷时平均有功功率
tgφ1--补偿前功率因数角的正切值
tgφ2--补偿后功率因数角的正切值
电动机的无功补偿，由于受益方主要是客户本身，因此投资应由客户自己承担。
四、无功补偿经济效益分析
（1）配电变压器无功补偿经济效益分析： 电网实现无功补偿后，不仅降低配变用电设备的损耗，而且使高低压配电电流减少，导致线损率的降低，同时主变铜损及上一级输电线路的导线损失降低。全部考虑将使计算复杂。为简化计算程序，可以采用无功补偿经济当量来计算无功补偿后的经济效益。它的物理意义是每安装1kvar的补偿电容器，相当于有功损耗降低多少千瓦。补偿装置于配电变压器低压母线侧，无功经济当量值查有关手册可取0.15。为使计算更具科学性，根据望奎县实际情况，计算时取0.1。望奎县供电区需安装无功补偿容量为2500kvar，经计算，每年可减少电量损失170万kW·h，每kW·h购电单价按0.3元计算，每年可有50万元的收益。
（2）10kV配电线路无功补偿经济效益分析：
10kV配电线路共需无功补偿容量约为4000kvar，无功经济当量查有关手册可取0.06，补偿设备每天投运按6小时左右，经计算，每年可减少电量损失节约50万kW·h，每kW·h按0.3元购电单价计算，每年可有15万元的收益。
（3）无功补偿设备本身的经济效益分析：
安装无功补偿设备后，设备本身损耗的电量可按下式计算：
A=Qc·tgφ （5）
式中 Qc——投运电容器容量，kvar
tgφ——电容器介质损失角的正切值
T——電容器投运时间
经计算，无功补偿设备年消耗电量为16万kW·h，每年有5万元的负收益。
通过以上分析表明，无功补偿总投资约为100万元，设备投运后每年可有60万元的收益，两年即可收回全部投资。
五、结论
进行合理的无功补偿的确是一条投资小、见效快、收益高、切实可行的、能较大幅度降低线损，提高电能质量的有效途径。
参考文献
1、《工业与民用配电设计手册》第三版 中国电力出版社
2、《供配电系统设计规范》 GB50052-2009 中国计划出版社
作者简介：
白戈亮（1979-），大学本科，工程师，现工作单位：国电电力大同湖东发电项目筹建处。现主要负责电厂项目管理。
关键词：无功补偿；功率因数；经济效益
电网中的电力负荷如电动机、变压器等，属于既有电阻又有电感的电感性负载。电感性负载的电压和电流的相量间存在着一个相位差，通常用相位角φ的余弦cosφ来表示。cosφ称为功率因数，。功率因数是反映电力用户用电设备合理使用状况、电能利用程度和用电管理水平的一项重要指标。三相功率因数的计算公式为：
式中cosφ——功率因数；
P——有功功率，kW；
Q——无功功率，kVar；
S——视在功率，kV。A；
U——用电设备的额定电压，V；
I——用电设备的运行电流，A。
功率因数分为自然功率因数、瞬时功率因数和加权平均功率因数。
（1）自然功率因数：是指用电设备没有安装无功补偿设备时的功率因数，或者说用电设备本身所具有的功率因数。自然功率因数的高低主要取决于用电设备的负荷性质，电阻性负荷（白炽灯、电阻炉）的功率因数较高，等于1，而电感性负荷（电动机、电焊机）的功率因数比较低，都小于1。
（2）瞬时功率因数：是指在某一瞬间由功率因数表读出的功率因数。瞬时功率因数是随着用电设备的类型、负荷的大小和电压的高低而时刻在变化。
（3）加权平均功率因数：是指在一定时间段内功率因数的平均值。
在正常情况下，用电设备不但要从电源取得有功功率，同时还需要从电源取得无功功率。如果电网中的无功功率供不应求，用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场，那么，这些用电设备就不能维持在额定情况下工作，用电设备的端电压就要下降，从而影响用电设备的正常运行。
在大型供配电企业中，由于大量的负荷感性负荷，因此企业的功率因数比较低，如不采用补偿，提高功率因数，将造成如下不良影响：
降低了发电机的输出功率，当发电机需要提高无功输出，低于额定功率运行时，将使发电机有功降低。
降低变电、输电的设施的供电能力。
使网络电力损耗增加（网络中的电能损失与功率因数值的平方成反比）
功率因数越低，线路的电压降越大，使得用电设备运行条件恶化。
一、国家标准对无功补偿的具体要求：
依据GB50052-2009供配电设计规范 第6部分 无功補偿
1、设计中应正确选择电动机、变压器的容量，降低线路感抗。当工艺条件允许时，宜采用同步电动机或选用带空载切除的间歇工作制设备等，提高用户自然功率因数。
2、当采用提高自然功率因数措施后，仍达不到电网合理运行要求时，应采用并联电力电容器作为无功补偿装置。当经过技术经济比较，确认采用同步电动机作为无功补偿装置合理时，可采用同步电动机。
3、采用电力电容器作为无功补偿装置时，宜就地平衡补偿，并符合下列要求：
二、提高用电设备的自然功率因数
一般工业企业消耗的无功功率中，异步电动机机约占70%，变压器占20%，线路占10%，所以设计中应正确选择电动机和变压器的容量，减少线路电抗，在功率条件适当时，采用同步电动机以及选用带空载切除的间隙工作设备，以提高用电单位自然功率因素，例如选择电动机电动机容量负荷不低于额定容量的40%，变压器负荷率宜在75%-85%，不低于60%。
三、功率因数及补偿容量的计算
1、用户自然平均功率因数为：
2.补偿容量的计算：
四、几种常用设备的补偿
（1）10kV配电线路的无功补偿：
10kV配电线路上安装1～2处高压无功自动补偿装置，补偿容量按线路配变总容量的10%掌握。假设公用配变容量为40500kVA，需补偿无功容量约为4000kvar，约需资金55万元。经计算，安装一处时，宜将无功自动补偿装置安装在距线路首端的2/3线路长度处。安装两处时，第一处安装在距线路首端的2/5线路长度处，另一处安装在距线路首端的4/5线路长度处，各处容量为线路总补偿容量的一半。具体安装时，还应考虑便于操作、维护和检修工作等。
（2）配电变压器的无功补偿：
城网大部分配电变压器昼夜负荷变化较大，用电多为居民生活用电，白天及后半夜多数变压器处于轻载或空载状态。我们知道变压器的损耗包括有功损耗和无功损耗，无功损耗包括空载励磁损耗及漏磁无功损耗。从配电网线损理论计算可知，配电变压器的无功损耗约占配电网总损耗的60%左右。为有效补偿配电变压器本身的无功功率，避免轻载时功率因数超前，电压升高及节约资金，对容量在200kVA以下的配电变压器按配变容量的5%左右掌握实行静态无功补偿。将补偿装置装设在配变低压出口处，随配变同时投切。对200kVA及以上的配变安装自动跟踪补偿装置。
（3）电动机的无功补偿：
7.5kW及以上投运率高的电动机最好进行无功补偿，为防止出现因过补而产生的谐振过电压，烧毁电动机，应将电动机空载时的功率因数补偿到接近1。因为电动机空载时的无功负荷最小，补偿后满载的电动机功率因数仍为滞后，这样就避免过补偿现象的发生。将低压电容器同设备一起投切，直接补偿设备本身的无功损耗。
①机械负荷惯性较小的电动机（如风机等）：
Qc≈0.9Qo （1）
式中Qc--补偿容量，kvar
Qo--电动机空载无功功率，kvar
电动机空载电流可由厂家提供，如无，可参照（2）式确定：
Io=2Ie（1-cosφ）A （2）
式中Io——电动机空载电流（A）
Ie——电动机额定电流（A） cosφ——电动机额定负荷时功率因数
②机械负荷惯性较大的电动机（如水泵等）：
Qc=（1.3～1.5）Qo （3）
③车间、工厂集中补偿容量可按（4）式确定：
Qc=Pm（tgφ1-tgφ2） （4）
式中 Pm--最高负荷时平均有功功率
tgφ1--补偿前功率因数角的正切值
tgφ2--补偿后功率因数角的正切值
电动机的无功补偿，由于受益方主要是客户本身，因此投资应由客户自己承担。
四、无功补偿经济效益分析
（1）配电变压器无功补偿经济效益分析： 电网实现无功补偿后，不仅降低配变用电设备的损耗，而且使高低压配电电流减少，导致线损率的降低，同时主变铜损及上一级输电线路的导线损失降低。全部考虑将使计算复杂。为简化计算程序，可以采用无功补偿经济当量来计算无功补偿后的经济效益。它的物理意义是每安装1kvar的补偿电容器，相当于有功损耗降低多少千瓦。补偿装置于配电变压器低压母线侧，无功经济当量值查有关手册可取0.15。为使计算更具科学性，根据望奎县实际情况，计算时取0.1。望奎县供电区需安装无功补偿容量为2500kvar，经计算，每年可减少电量损失170万kW·h，每kW·h购电单价按0.3元计算，每年可有50万元的收益。
（2）10kV配电线路无功补偿经济效益分析：
10kV配电线路共需无功补偿容量约为4000kvar，无功经济当量查有关手册可取0.06，补偿设备每天投运按6小时左右，经计算，每年可减少电量损失节约50万kW·h，每kW·h按0.3元购电单价计算，每年可有15万元的收益。
（3）无功补偿设备本身的经济效益分析：
安装无功补偿设备后，设备本身损耗的电量可按下式计算：
A=Qc·tgφ （5）
式中 Qc——投运电容器容量，kvar
tgφ——电容器介质损失角的正切值
T——電容器投运时间
经计算，无功补偿设备年消耗电量为16万kW·h，每年有5万元的负收益。
通过以上分析表明，无功补偿总投资约为100万元，设备投运后每年可有60万元的收益，两年即可收回全部投资。
五、结论
进行合理的无功补偿的确是一条投资小、见效快、收益高、切实可行的、能较大幅度降低线损，提高电能质量的有效途径。
参考文献
1、《工业与民用配电设计手册》第三版 中国电力出版社
2、《供配电系统设计规范》 GB50052-2009 中国计划出版社
作者简介：
白戈亮（1979-），大学本科，工程师，现工作单位：国电电力大同湖东发电项目筹建处。现主要负责电厂项目管理。