【应用解读】低压无功补偿装置的实际应用

随着电能质量问题越来越受到各大企业的重视，无功补偿作为电能质量管理的重要组成部分，也成为了广大电友们研究的方向。国家对于无功功率不达标的企业更加是使用了铁腕政策，使得用电质量也成为了一些用电企业的负担。本文针对此种情况，对低压无功补偿装置的设计与选型进行了阐述与分析，并举例说明了低压无功功率装置在现场的运行与应用。

1 有功功率和无功功率

   在交流电路中，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。

   无功功率比较抽象，它用于电路内电场与磁场的交换，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。

   视在功率、有功功率、无功功率的关系可以从功率三角形上得出，公式如下所示：

   举个实例来说，电动机需要建立和维持旋转磁场，使转子转动，从而带动机械运动，电动机的转子磁场就是靠从电源取得无功功率建立的。变压器也同样需要无功功率，才能使变压器的一次线圈产生磁场，在二次线圈感应出电压。

   因此，无功功率不是无用功率，它在电力系统中占据了一个重要的位置。没有无功功率，电动机就不会转动，变压器也不能变压，交流接触器不会吸合。

2 低压无功补偿装置简介

   低压无功补偿装置，在电力供电系统中所承担的作用是提高电网的功率因数，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境。所以无功补偿装置在电力供电系统中处在一个不可缺少的位置。合理的选择低压无功补偿装置，可以减少网络的损耗，使用户用电质量提高。反之，不合理地选择或者使用方法不当，也有可能会造成供电系统电压波动、闪变、谐波放大等多种不可控的因素。

3 无功补偿装置的原理

   从功率三角形可以看出，用户的变压器容量（S）是固定的，如果用户的设备需要的无功功率（Q）过大，就会使有功功率（P）的出力减少。这不仅会使得使用电设备不能正常工作，还可能造成线路过载导致设备损坏，此时，就需要对电力系统进行无功补偿。

   如图1所示，在进行无功补偿前，负载的无功功率、有功功率均通过变压器来自于电网，就会导致电网的功率因数降低，电能质量下降，用电效率差。

   图2对设备进行了无功功率的补偿，此时设备的有功功率通过变压器来自于电网，而无功功率取自我们的无功补偿设备。假设设备的无功功率均从无功补偿设备提取，此时，从电网侧来看，无功功率（Q）为0，此时的视在功率（S）等于有功功率（P），功率因数为1。此时电网的供电效率是较高，此种情况虽然为理想状态，但在实际运营过程中，只要补偿得当，月平均功率因数达到0.95以上是没有问题的

图1无功补偿前图例

图2无功补偿后图例

4 无功补偿的重要性

   一般来说，使用无功补偿装置来提高功率因数的意义体现在两个方面：一是可以减少输电线路上的功率损失；二是可以充分发挥电力设备（如电机、变压器等）的潜力。因为用电电器总是在一定电压和一定有功功率下工作，如果功率因数较低，就要用较大的电流来保障用电器正常工作，输电电流变大，导致线路损耗增加。此外，任何电力设备工作时总是工作在一定的额定电压与额定电流内，超过额定电压值，会威胁设备的绝缘性能；工作电流超过额定值，会使内部温升过高，从而降低了设备的使用寿命。对于一些发电设备而言，功率因数的提高能大大增加效率，例如：一台发电机容量为1500kW，当电力系统的功率因数由0.6上升至0.8时，就可以使实际发电能力提高到3000kW。

5 无功补偿的经济效益

   无功补偿的经济效益主要体现在力率电费，力率电费=有功电量×电价×力率电费调整系数。力率电费调整系数根据功率因数的值查表获得。不同基准的力率电费调整系数表见表1和表2。

表1 以0.90为标准值得力率电费调整表

表2 以0.85为标准值得力率电费调整表

   国家对标准值也做出了规定，凡需变压器容量100kVA及以上10kV供电的用户应进行功率因数考核，具体标准如下：

  ♦ 100kVA以上160kVA（不含160kVA）以下的用户，功率因数需达到0.85；

  ♦ 160kVA以上的用户功率因数应达到0.90以上。

  ♦ 用户的功率因数大于标准的减少其当月电费，低于标准的增加其当月电费。

   举个例子：某变压器用户的变压器容量为160kVA，采用低压计量，某月改用户消耗有功电量为25000kWH，无功电量为27000kWH，假设电费为0.68元/度。通过调研资料，该变压器的有功变损为1036kWH，无功变损为3790kWH，所以该用户共消耗有功电量26036kWH，消耗无功电量为30790kWH，通过功率三角形或查表可知该用户的功率因数为0.65。通过查表可知该用户力率电费调整系数为+15%，共需收取实际消耗电费25000×0.68为17000元，需加收的力率电费为25000×0.68×0.15为2550元，总计为19550元。

现通过无功补偿为该用户将功率因数从0.65提高到0.95，通过查表可知该用户力率电费调整系数为-0.75%，共需收取实际消耗电费25000×0.68为17000元，需加收的力率电费为25000×0.68×（-0.0075）为-127.5元，总计为16872.5元。

从例子中我们可以看出，通过无功补偿能为企业产生很大的经济效益，一般10个月到一年即可收回装备成本，为企业创造收入。

6 无功补偿的选型

6.1容量选型

   6.1容量选型

  6.1.1新建项目

   新建项目由于现场参数无法确定，为了方便进行快速选型，首先将行业进行分类，各行业所属类别如下表（，是指无功补偿容量，是指变压器容量，是指无功补偿行业系数）：

  Ⅰ：系数约为0.3，适用于写字楼、住宅等谐波、无功需求相对较小的场合；

   Ⅱ：系数约为0.4，适用于商业、轨道交通等谐波、无功需求相对中等的场合；

   Ⅲ：系数约为0.55，适用于重工业、制造业等谐波、无功需求相对较大的场合；

6.1.2改造项目

   改造项目一般都需要去现场进行实地测量，根据现场的实际情况，配置相应的无功补偿方案，需测量的要点包括：有功功率、无功功率、视在功率、实际功率因数、目标功率因数、负载状况、电网背景等。其无功补偿装置的容量可通过实际测量后计算获得，以上面那个例子来说，假设补偿前用户变压器为满载状态，该用户变压器容量为160kVA，功率因数为0.65，目标功率因数为0.95，计算如下：

   补偿前视在功率为,功率因数，补偿前有功功率为,补偿前无功功率为。

补偿前与补偿后有功功率不变为，目标功率因数，补偿后视在功率为,补偿后无功功率为。

所以，需要补偿的无功功率为。

6.2型号说明

6.3技术参数

7 无功补偿模块式方案

现在，市面上的低压无功补偿装置基本上都采取整柜的方式，基本上都属于“一锤子买卖”虽然能够满足用户现场的补偿要求，但在补偿后的维护、容量拓展等方面十分的不便，在用户需要进行改造时需要更换整柜，十分困难。图3为一种无功补偿模块，将一套无功补偿回路，包含：电容、电抗、晶闸管投切开关、熔断器、二次回路整合在一个模块中，在实际使用中，模块与模块之间相互独立，互不干扰，在维护使用中可以按

可以按模块进行容量增减与维护。

图3 CPT非调谐补偿滤波装置

8 CPT非调谐补偿滤波单元在某公司项目的应用案例

8.1项目简介

  **公司项目共采购了我司2台无功补偿柜和1台有源滤波柜。针对无功补偿，测量了1#变压器出线侧，测量结果见图4，目标功率因数0.98，现场配电系统谐波源主要是变频器和开关电源，谐波频次为3次、5次、7次、11次是典型的6n±1次特性谐波，通过EcoWave有源滤波器进行治理，保护电容器。测量示意如图5：（黑圈为测量点）。

图4 无功补偿现场测量结果

图5 现场测量示意图

8.2 无功补偿容量计算

   补偿前视在功率为,功率因数，补偿前有功功率为,补偿前无功功率为。

   补偿前与补偿后有功功率不变为，目标功率因数，补偿后视在功率为,补偿后无功功率为。

   所以，需要补偿的无功功率为。

   由于考虑到实际补偿容量与标称补偿容量的区别，考虑到现场只能安放深度为800mm的柜子，所以选择配置一台350kvar主柜和一台350kvar辅柜，共700kvar。

8.3 现场使用情况

图5 现场安装图

图6 现场竣工图

9 结束语

   本文从低压无功补偿装置的基本知识、选型参数、经济效益、实例设计等方面对低压无功补偿装置的设计与选型进行了阐述。提出了模块式低压无功补偿装置的新思路。合理地配置低压无功补偿装置不仅能为降低线损、提高设备寿命与运行效率，更能够为企业减少力率罚款，获得电费奖励，直观的创造经济效益。