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【摘 要】为提高系统的供电效率和电压质量，减少线路损耗，降低配电线路的成本，节约电能，通常在低压供配电系统中装设电容器无功补偿装置。
【关键词】无功功率;无功补偿
0.引言
无功功率在交流配电线路中，由电源供给负载的电功率有两种；一种是有功功率，一种是无功功率。有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能转换为其他形式能量（机械能、光能、热能）的电功率。无功功率不对外作功，而是转变为其他形式的能量。对供、用电产生一定的不良影响，加重电网的负担，使电网损耗增加，因此需要对其进行就近和就地补偿。根据国家有关规定，高压用户功率因数应达到0.9以上，低压功率因数应达到0.85以上。
从电网无功功率消耗的基本状况可以看出，各级网络和输配电设备都要消耗一定数量的无功功率，尤其是以低压配电网所占比重最大。为了最大限度的减少无功功率的传输损耗，提高输配电设备的效率，无功补偿设备的配 置，应按照“分级补偿，就地平衡”的原则，合理布局。
1.低压配电网无功补偿的方法
随机补偿：随机补偿就是将低压电容器组与电动机并接，通过控制、保护装置与电机，同时投切。
随器补偿：随器补偿是指将低压电容器通过低压接在配电变压器二次侧，以补偿配电变压器空载无功的补偿方式。
跟踪补偿：跟踪补偿是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补偿在大用户0.4kv母线上的补偿方式。适用于100kVA以上的专用配变用户，可以替代随机、随器两种补偿方式，补偿效果好。
2.无功功率补偿容量的选择方法
无功补偿容量以提高功率因数为主要目的时，补偿容量的选择分两大类讨论，即单负荷就地补偿容量的选择（主要指电动机）和多负荷补偿容量的选择（指集中和局部分组补偿）。
2.1单负荷就地补偿容量的选择的几种方法
（1）美国：Qc=（1/3）Pe
（2）日本：Qc=（1/4～1/2）Pe
（3）瑞典：Qc≤√3UeIo×10-3(kvar)Io-空载电流=2Ie(1-COSφe)
若电动机带额定负载运行，即负载率β=1,则：Qo根据电机学知识可知，对于Io/Ie较低的电动机（少极、大功率电动机），在较高的负载率β时吸收的无功功率Qβ与激励容量Qo的比值较高，即两者相差较大，在考虑导线较长，无功当量较高的大功率电动机以较高的负载率运行方式下，此式来选取是合理的。
（4）按电动机额定数据计算：
Q=k(1-cos2φe )3UeIe×10-3(kvar)
K为与电动机极数有关的一个系数
极数：246810
K值：0.70.750.80.850.9
考虑负载率及极对数等因素，按式（4）选取的补偿容量，在任何负载情况下都不会出现过补偿，而且功率因数可以补偿到0.90以上。此法在节能技术上广泛应用，特别适用于Io/Ie比值较高的电动机和负载率较低的电动机。但是对于Io/Ie较低的电动机额定负载运行状态下，其补偿效果较差。
2.2多负荷补偿容量的选择
多负荷补偿容量的选择是根据补偿前后的功率因数来确定。
（1）对已生产企业欲提高功率因数，其补偿容量Qc按下式选择：
Qc=KmKj(tgφ1-tgφ2)/Tm
式中：Km为最大负荷月时有功功率消耗量，由有功电能表读得；Kj为补偿容量计算系数，可取0.8～0.9;Tm为企业的月工作小时数；tgφ1、tgφ2是指负载阻抗角的正切，tgφ1=Q1/P，tgφ2。
（2）对处于设计阶段的企业，无功补偿容量Qc按下式选择：
Qc=KnPn(tgφ1-tgφ2)
式中Kn为年平均有功负荷系数，一般取0.7～0.75;Pn为企业有功功率之和；tgφ1、tgφ2意义同前。tgφ1可根据企业负荷性质查手册近似取值，也可用加权平均功率因数求得cosφ1。
多负荷的集中补偿电容器安装简单，运行可靠、利用率较高。
3.无功补偿的效益
在现代用电企业中，在数量众多、容量大小不等的感性设备连接于系统中，以致电网传输功率除有功功率外，还需无功功率。如自然平均功率因数在0.70～0.85之间。企业消耗电网的无功功率约占消耗有功功率的60%～90%,如果把功率因数提高到0.95左右，则无功消耗只占有功消耗的30%左右。减少了电网无功功率的输入，会给用电企业带来效益。
3.1节省企业电费开支
提高功率因数对企业的直接效益是明显的，因为国家电价制度中，从合理利用有限电能出发，对不同企业的功率因数规定了要求达到的不同数值，低于规定的数值，需要多收电费，高于规定数值，可相应地减少电费。使用无功补偿不但减少初次费用，而且减少了运行后的基本电费。
3.2降低系统的能耗
补偿前后线路传送的有功功率不变，P=IUCOSφ，由于COSφ提高，补偿后的电压U2稍大于补偿前电压U1,为分析问题方便，可认为U2≈U1从而导出I1COSφ1=I2COSφ2。即I1/I2=COSφ2/COSφ1,这样线损 P减少的百分数为：
ΔP%=(1-I2/I1)×100%=（1-COSφ1/COSφ2）×100%
当功率因数从0.70～0.85提高到0.95时，由上式可求得有功损耗将降低20%～45%。
3.3改善电压质量
以线路末端只有一个集中负荷为例，假设线路电阻和电抗为R、X,有功和无功为P、Q,则电压损失ΔU为：
△U=（PR+QX）/Ue×10-3(KV) 两部分损失：PR/Ue→输送有功负荷P产生的；QX/Ue→输送无功负荷Q产生的。
配电线路：X=（2～4）R，△U大部分为输送无功负荷Q产生的。
变压器：X=（5～10）R QX/Ue=(5～10) PR/Ue 变压器△U几乎全为输送无功负荷Q产生的。
可以看出，若减少无功功率Q,则有利于线路末端电压的稳定，有利于大电动机的起动。
3.4三相异步电动机通过就地补偿后，由于电流的下降，功率因数的提高，从而增加了变压器的容量，计算公式如下
△S=P/COSφ1×[（COSφ2/COSφ1）-1]
如一台额定功率为155KW水泵的电机，补前功率因数为0.857，补偿后功率因数为0.967，根据上面公式计算其增容量为：（155÷0.857）×[（0.967÷0.857）-1]=24KVA。
4.结束语
在配电网中进行无功补偿、提高功率因数和做好无功优化，是一项建设性的节能措施。本文简要分析了三种无功补偿的方法和两种无功功率补偿容量的选择方法以及无功补偿后的良性影响。在实际设计中，要具体问题具体分析，使无功补偿应用获得最大的效益。Q2/P；tgφ（UI）可由有功和无功电能表读数求得。
【关键词】无功功率;无功补偿
0.引言
无功功率在交流配电线路中，由电源供给负载的电功率有两种；一种是有功功率，一种是无功功率。有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能转换为其他形式能量（机械能、光能、热能）的电功率。无功功率不对外作功，而是转变为其他形式的能量。对供、用电产生一定的不良影响，加重电网的负担，使电网损耗增加，因此需要对其进行就近和就地补偿。根据国家有关规定，高压用户功率因数应达到0.9以上，低压功率因数应达到0.85以上。
从电网无功功率消耗的基本状况可以看出，各级网络和输配电设备都要消耗一定数量的无功功率，尤其是以低压配电网所占比重最大。为了最大限度的减少无功功率的传输损耗，提高输配电设备的效率，无功补偿设备的配 置，应按照“分级补偿，就地平衡”的原则，合理布局。
1.低压配电网无功补偿的方法
随机补偿：随机补偿就是将低压电容器组与电动机并接，通过控制、保护装置与电机，同时投切。
随器补偿：随器补偿是指将低压电容器通过低压接在配电变压器二次侧，以补偿配电变压器空载无功的补偿方式。
跟踪补偿：跟踪补偿是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补偿在大用户0.4kv母线上的补偿方式。适用于100kVA以上的专用配变用户，可以替代随机、随器两种补偿方式，补偿效果好。
2.无功功率补偿容量的选择方法
无功补偿容量以提高功率因数为主要目的时，补偿容量的选择分两大类讨论，即单负荷就地补偿容量的选择（主要指电动机）和多负荷补偿容量的选择（指集中和局部分组补偿）。
2.1单负荷就地补偿容量的选择的几种方法
（1）美国：Qc=（1/3）Pe
（2）日本：Qc=（1/4～1/2）Pe
（3）瑞典：Qc≤√3UeIo×10-3(kvar)Io-空载电流=2Ie(1-COSφe)
若电动机带额定负载运行，即负载率β=1,则：Qo根据电机学知识可知，对于Io/Ie较低的电动机（少极、大功率电动机），在较高的负载率β时吸收的无功功率Qβ与激励容量Qo的比值较高，即两者相差较大，在考虑导线较长，无功当量较高的大功率电动机以较高的负载率运行方式下，此式来选取是合理的。
（4）按电动机额定数据计算：
Q=k(1-cos2φe )3UeIe×10-3(kvar)
K为与电动机极数有关的一个系数
极数：246810
K值：0.70.750.80.850.9
考虑负载率及极对数等因素，按式（4）选取的补偿容量，在任何负载情况下都不会出现过补偿，而且功率因数可以补偿到0.90以上。此法在节能技术上广泛应用，特别适用于Io/Ie比值较高的电动机和负载率较低的电动机。但是对于Io/Ie较低的电动机额定负载运行状态下，其补偿效果较差。
2.2多负荷补偿容量的选择
多负荷补偿容量的选择是根据补偿前后的功率因数来确定。
（1）对已生产企业欲提高功率因数，其补偿容量Qc按下式选择：
Qc=KmKj(tgφ1-tgφ2)/Tm
式中：Km为最大负荷月时有功功率消耗量，由有功电能表读得；Kj为补偿容量计算系数，可取0.8～0.9;Tm为企业的月工作小时数；tgφ1、tgφ2是指负载阻抗角的正切，tgφ1=Q1/P，tgφ2。
（2）对处于设计阶段的企业，无功补偿容量Qc按下式选择：
Qc=KnPn(tgφ1-tgφ2)
式中Kn为年平均有功负荷系数，一般取0.7～0.75;Pn为企业有功功率之和；tgφ1、tgφ2意义同前。tgφ1可根据企业负荷性质查手册近似取值，也可用加权平均功率因数求得cosφ1。
多负荷的集中补偿电容器安装简单，运行可靠、利用率较高。
3.无功补偿的效益
在现代用电企业中，在数量众多、容量大小不等的感性设备连接于系统中，以致电网传输功率除有功功率外，还需无功功率。如自然平均功率因数在0.70～0.85之间。企业消耗电网的无功功率约占消耗有功功率的60%～90%,如果把功率因数提高到0.95左右，则无功消耗只占有功消耗的30%左右。减少了电网无功功率的输入，会给用电企业带来效益。
3.1节省企业电费开支
提高功率因数对企业的直接效益是明显的，因为国家电价制度中，从合理利用有限电能出发，对不同企业的功率因数规定了要求达到的不同数值，低于规定的数值，需要多收电费，高于规定数值，可相应地减少电费。使用无功补偿不但减少初次费用，而且减少了运行后的基本电费。
3.2降低系统的能耗
补偿前后线路传送的有功功率不变，P=IUCOSφ，由于COSφ提高，补偿后的电压U2稍大于补偿前电压U1,为分析问题方便，可认为U2≈U1从而导出I1COSφ1=I2COSφ2。即I1/I2=COSφ2/COSφ1,这样线损 P减少的百分数为：
ΔP%=(1-I2/I1)×100%=（1-COSφ1/COSφ2）×100%
当功率因数从0.70～0.85提高到0.95时，由上式可求得有功损耗将降低20%～45%。
3.3改善电压质量
以线路末端只有一个集中负荷为例，假设线路电阻和电抗为R、X,有功和无功为P、Q,则电压损失ΔU为：
△U=（PR+QX）/Ue×10-3(KV) 两部分损失：PR/Ue→输送有功负荷P产生的；QX/Ue→输送无功负荷Q产生的。
配电线路：X=（2～4）R，△U大部分为输送无功负荷Q产生的。
变压器：X=（5～10）R QX/Ue=(5～10) PR/Ue 变压器△U几乎全为输送无功负荷Q产生的。
可以看出，若减少无功功率Q,则有利于线路末端电压的稳定，有利于大电动机的起动。
3.4三相异步电动机通过就地补偿后，由于电流的下降，功率因数的提高，从而增加了变压器的容量，计算公式如下
△S=P/COSφ1×[（COSφ2/COSφ1）-1]
如一台额定功率为155KW水泵的电机，补前功率因数为0.857，补偿后功率因数为0.967，根据上面公式计算其增容量为：（155÷0.857）×[（0.967÷0.857）-1]=24KVA。
4.结束语
在配电网中进行无功补偿、提高功率因数和做好无功优化，是一项建设性的节能措施。本文简要分析了三种无功补偿的方法和两种无功功率补偿容量的选择方法以及无功补偿后的良性影响。在实际设计中，要具体问题具体分析，使无功补偿应用获得最大的效益。Q2/P；tgφ（UI）可由有功和无功电能表读数求得。