【电气新手必读】浅谈“无功功率补偿”的节能效果

前言

在水泥厂最常用的无功功率补偿方法有：变电站补偿、随机补偿和随器补偿等。

(1)变电站补偿：补偿装置一般集中接在变电站10kV母线上，因此具有管理容易、维护方便等优点，缺点是这种补偿方式对10kV配电 网的降损不起作用。

(2)随机补偿：将电容器组与电动机并接，通过控制、保护装置与电动机同时投切的一种无功补偿方式。随机补偿的优点是用电设备运行时，无功补偿装置投入;用电设备停运时，补偿装置退出。更具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活、维护简单、事故率低的特点。适用于补偿电动机的无功消耗，以补励磁无功为主，可较好的限制配电网无功峰荷。年运行小时数在1000h以上的电动机采用随机补偿较其他补偿方式更经济。

(3)随器补偿：将低压电容器通过低压熔断器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。随器补偿的优点是接线简单，维护管理方便，能有效地补偿配电变压器空载无功，使该部分无功就地平衡，从而提高配电变压器利用率，降低无功网损，是目前无功补偿最有效的手段之一。缺点是由于配电变压器的数量多、安装地点分散，因此补偿工作的投资比较大，运行维护工作量大。

1“无功补偿”电容器容量计算举例

1.1 电容器的容量计算

电容器的补偿容量，需根据配变容量、负荷容量、负荷性质、三相电压平衡度、自然功率因数、目标功率因数等背景参数，经过计算确定。

(1)对于35～110kV变电所中电容器装置的总容量， 按照无功功率就近平衡的原则，可按主变压器容量的10%～30%考虑。并建议10kV侧电容器组分组容量确定为2000、3000、6000kvar。

(2)对于普通负荷的公用变的0.4kV低压补偿，可按配变容量的20%～30%进行补偿。

(3)当三相电压不平衡时(如单相负荷较多)，需考虑一定容量的分相补偿。

(4)对于企业专用变压器的0.4kV低压补偿，可按配变容量的30%～60%进行补偿。

(5)当补偿点处有谐波时，还要考虑串联一定比率的电抗器，以构成调谐支路，滤除线路上的高次谐波。

(6)当采用固定补偿方式时，补偿总容量应选小些，避免线路轻载时出现过补，产生无功倒送。

(7)当采用自动补偿方式时，补偿总容量应选大些，避免高峰负荷时出现欠补，造成力率过低。

(8)当电容器额定电压与系统标称电压不相等时，补偿容量≠安装容量，装机容量需进行修正。

1.2 随机补偿装置电容器容量QC的计算公式

(1)按电动机的空载电流选择

高压电动机随机装置电容器容量计算：

以从电动机样本中查取;

③经验方法，对于大容量电动机，约为额定电流的20%～35%。对于小容量电动机，约为额定电流的35%～50%(计算后，应该取最小值，带入计算)。

建议：两种计算方法取得的QC值的结果可能并不一致，应采用较小的数值。

高压电动机采用进相机实施无功补偿，也是近年来应用比较多的一种随机补偿设备。

与电机定子侧并联电容器的补偿方式有着本质的区别。电容补偿只是在电机之外的电网上对电机的无功进行补偿，无法改善电机本身的运行状况;而进相机装置是串接在电机转子回路中，不仅可显著提高功率因数，使电机定子电流约减少15%~20%左右，而且电机温升明显降低，电机的效率和过载能力有一定提高。

2 经济效果分析举例

(1)显著改善电压质量

从(3)式可以看出，越靠近线路末端装设无功补偿装置效果越好。

(2)降低电能损耗

如输送的有功P为定值，加装无功补偿设备后功率因数由cosΦ提高到cosΦ1，因为P=U×I×cosΦ，负荷电流I与cosΦ成反比，又由于P=I2R，线路的有功损失与电流I的平方成正比。当cosΦ升高，负荷电流I降低，即电流I降低，线路有功损耗就成倍降低。反之当负荷的功率因数从1降低到cosΦ时，电网元件中功率损耗将增加的百分数为ΔPL%，计算如下：

③安装无功补偿设备，可使发电机多发有功功率。系统采取无功补偿后，使无功负荷降低，发电机就可少发无功，多发有功，充分达到铭牌出力。

(4)减少用户电费支出

①可以避免因功率因数低于规定值而受罚。

②可以减少用户内部因传输和分配无功功率造成的有功功率损耗，因而相应可以减少电费的支出。

3 应用说明

对于远离配电中心、功率又比较大的低压电动机采用无功功率就地补偿，就是把电动机所需要的无功电流局限在电动机设备的终端，实现无功功率就地平衡，使得整个变配电网络的功率因数都比较高，有效地减少输配电线路的无功损耗。

同时，低压电动机采用无功就地补偿装置，还有利于降低电动机起动电流，延长电动机与控制设备的使用寿命。低压电动机起动频繁或经常正反转的场合，不宜采用就地补偿。

电容器对电压变化十分敏感,长时间过电压会使电容器严重发热,电容器的绝缘会加速老化,寿命缩短,甚至发生电击穿或热击穿;电网电压一般应低于电容器本身的额定电压,长期工频稳态过电压不得超过1.1倍额定电压。因此,并联电容器装置必须能在1.05倍额定电压下长期运行，并在一昼夜中，在最高不超过1.1倍额定电压下允许运行时间不超过6h;当周围空气温度24h平均最高值低于标准10℃时，电容器能在1.1倍额定电压下长期运行。根据调查，部分水泥企业的低压配电电压经常运行在420～430VAC之间，这对电容器的安全运行是十分不利的。同时，对电动机的节能经济运行也是十分不利的，建议加强这方面的管理工作。

4 无功补偿装置常用的投切方式

(1)延时投切方式，又称作“静态”补偿方式。这种投切方式依靠于专用的接触器的动作，具有抑制电容的涌流作用。延时投切的目的在于防止接触器过于频繁的动作，造成电容器损坏，而更重要的是防备电容不停的投切导致供电系统振荡，这是很危险的。

(2)瞬时投切方式，又称作“动态”补偿方式，实际就是一套“快速随动系统”，控制器一般能在半个周波至1个周波内完成采样、计算，在2个周期到来时，控制器已经发出控制信号了。通过脉冲信号使晶闸管导通，投切电容器组大约20~30毫秒内就完成一个全部动作，这种控制方式是机械动作的接触器类无法实现的。动态补偿方式作为新一代的补偿装置有着广泛的应用前景。

(3)混合投切方式，实际上就是将“静态”与“动态”补偿的混合，一部分电容器组使用接触器投切，而另一部分电容器组使用电力半导体器件。这种方式在一定程度上可做到优势互补，比单一的投切方式拓宽了应用范围，节能效果更好。补偿装置选择非等容电容器组，这种方式补偿效果更加细致，更为理想。还可采用分相补偿方式，可以解决由于线路三相不平衡造成的损失。

5 无功自动补偿的调节方式

以节能为主者，采用无功功率参数调节;当三相平衡时，也可采用功率因数参数调节;为改善电压偏差为主者，应按电压参数调节;无功功率随时间变化稳定者，可按时间参数调节。

(1)功率因数型控制器：功率因数用cosΦ表示，它表示有功功率在线路中所占的比例。当cosΦ=1时，线路中没有无功损耗。提高功率因数以减少无功损耗是这类控制器的最终目标。这种控制方式是比较传统的方式，采样、控制也都较容易实现。

(2)无功功率(无功电流)型控制器：较完善的解决了功率因数型的缺陷。智能化的设计，有很强的适应能力，能兼顾线路的稳定性及检测补偿效果，并能对补偿装置进行完善的保护及检测。由于是无功型的控制器，也就将补偿装置的效果发挥得淋漓尽致。如线路在重负荷时，哪怕cosΦ已达到0.99(滞后)，只要再投一组电容器不发生过补，也还会再投入一组电容器，使补偿效果达到最佳的状态。

(3)用于动态补偿的控制器：对于这种控制器要求就更高了，一般是与触发脉冲形成电路一并考虑的，要求控制器抗干扰能力强，运算速度快，更重要的是有很好的完成动态补偿功能。由于这类控制器也都基于无功型，所以它具备静态无功型的特点。该类产品的稳定性还处于逐步完善中。

6 滤波补偿系统

电容器对高次谐波最敏感，因为高次谐波电压叠加在基波电压上不仅使电容器的运行电压有效值增大而且使其峰值电压增加更多，致使电容器因过负荷而发热，并可能发生局部放电损坏，高次谐波电流叠加在电容器基波电流上使电容器电流增大，增加了电容器的温升，导致电容器过热损坏。

电容器对电网高次谐波电流的放大作用十分严重，一般可将5～7次谐波放大2～5倍，当系统参数接近谐波谐振频率时，高次谐波电流的放大可达10～20倍。因此，不仅需考虑谐波对电容器的影响，还需考虑被电容器放大的谐波损坏电网设备，影响电网安全运行。最好的解决方法就是在电容器组串接电抗器来组成谐波滤波器。滤波器的设计要使在工频情况下呈现容性，以对线路进行无功补偿，对于谐波则为感性负载，以吸收部分谐波电流，改善线路的畸变率。增加电抗器后，要考虑电容端电压升高的问题。

滤波补偿装置既补偿了无功损耗又改善了线路质量，虽然成本提高较多，但对于谐波成分较大的线路还是应尽量考虑采用，不能认为装置一时不出问题就认为没有问题存在。很多情况下，采用五次、七次、十一次或高通滤波器可以在补偿无功功率的同时，对系统中的谐波进行消除。

7 电抗器电抗率的选择原则

(1)系统中3次谐波含量已超过或接近于标准限值时，宜选用串联l2%～13%的电抗器。

(2)系统中5次谐波含量已超过或接近于标准限值时，宜选用串联4.5%～6%的电抗器。

(3)系统中以3次、5次谐波成分为主，且两者含量均较大时，宜采用电抗率为12%～13%与电抗率为4.5%～6%的电抗器混装方式或采用串联3%左右的电抗器。

(4)系统中以3次、5次谐波为主，且含量较小时，可不串接电抗器;也可选用0.1%～1%的电抗器。

(5)当电网中含有多种谐波成分，且都具有较大含量时，串联电抗器的选用，应使电容器支路对于在较大含量的各次谐波中的最低次谐波总阻抗呈感性，此时该电容支路对于较大含量的各次谐波均不会产生放大作用。

(6)当电网的背景谐波未知的情况下，电容装置选用阻尼式限流器，限流器中串联电抗器的额定电流按电容器组的最终容量考虑选择。谐波的防止应在谐波源就地治理。

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