摘要：交流異步電機廣泛用于工業(yè)與民用系統(tǒng)。但不少電機負荷率低，常處于輕載或空載狀態(tài)，無功功率消耗比有功功率大，電能浪費嚴重。因此采用無功補償，提高功率因數(shù)、節(jié)約電能、減少運行費用是很有效的措施。本文對無功補償?shù)姆N類、特點、作用、經濟效益等進行了論述。
關鍵詞：無功功率補償 的技術經濟 特點

交流異步電機在工業(yè)與民用建筑系統(tǒng)中應用廣泛。在民用范圍中運行機械多為連續(xù)運行，不調速，操作不頻繁的場合，如風機、水泵、冷凍機多為結構簡單，易維護的異步電動機。在工礦企業(yè)中，不少電動機負荷率低，經常處于輕載或空載狀態(tài)，功率因數(shù)普遍不高。負荷率低，則功率因數(shù)愈低，無功功率相對于有功功率的百分比更大，顯著地浪費電能。因此對異步電動機采用無功功率補償以提高功率因數(shù)，節(jié)約電能，減少運行費用，提高電能質量，符合我國節(jié)約能源的國策，同時亦給企業(yè)帶來經濟效益。
* T+ ` t) D% L7 I0 ?( L h6 A　　1　無功功率補償?shù)姆N類和特點
1.1　集中補償
* z/ J! u5 e: Q& {　　在高低壓配電所內設置若干組電容器，電容器接在配電母線上，補償供電范圍內的無功功率，如圖1所示。1.2　組合就地補償(分散就地補償)電容器接在高壓配電裝置或動力箱的母線上，對附近的電動機進行無功補償，如圖2所示。
D+ [; S8 e" Q　　1.3　單獨就地補償,
將電容器裝于箱內，放置在電動機附近，對其單獨補償。圖3為電容器直接接在電動機端子上或保護設備末端，一般不需要電容器用的操作保護設備，稱為直接單獨就地補償。圖3a為經常操作者，采用接觸器；為非經常操作者，采用空氣斷路器；為高壓電容器直接單獨就地補償，宜采用真空開關。圖4為不采用控制設備，由電動機控制開關操作，但電容器必須采用內裝熔絲或另裝熔斷器。如采用控制設備，如圖5所示，為控制式單獨就地補償，多用于降壓起動或有可逆運行等有特殊操作要求的電動機。
2 A- j$ }* M8 p2 {　　2　無功功率補償?shù)淖饔?br>% u1 |( P+ y4 C. y　　 2.1　改善功率因數(shù)及相應地減少電費
根據國家水電部，物價局頒布的“功率因數(shù)調整電費辦法”規(guī)定三種功率因數(shù)標準值，相應減少電費：
; S, [7 f" C) ^* k　　(1)高壓供電的用電單位，功率因數(shù)為0.9以上。
(2)低壓供電的用電單位，功率因數(shù)為0.85以上
(3)低壓供電的農業(yè)用戶，功率因數(shù)為0.8以上。
根據“辦法”，補償后的功率因數(shù)以分別不超出0.95、0.94、0.92為宜，因為超過此值，電費并沒有減少，相反初次設備增加，是不經濟的。
. k% {1 S X3 ?. a. d　　2.2　降低系統(tǒng)的能耗
功率因數(shù)的提高，能減少線路損耗及變壓器的銅耗。
設R為線路電阻，ΔP1為原線路損耗，ΔP2為功率因數(shù)提高后線路損耗，則線損減少
5 C, p5 C; N' G6 {! S/ v　　ΔP=ΔP1－ΔP2=3R(I12－I22)(1)　
比原來損失減少的百分數(shù)為
(ΔP/ΔP1)×100％=1－(I2/I1)2•100％(2)
式中，I1=P/( 3 U1cosφ1)，I2=P/( 3 U2cosφ2)補償后，由于功率因數(shù)提高，U2 >U1，為分析方便，可認為U2≈U1，則
5 D* g2 W/ ?* F% Y　　θ=[1－(cosφ1/cosφ2)2]•100％(3)
+ a W* f N( ?　　當功率因數(shù)從0.8提高至0.9時，通過上式計算，可求得有功損耗降低21％左右。
在輸送功率P= 3UIcosφ不變情況下，cosφ提高，I相對降低，設I1為補償前變壓器的電流，I2為補償后變壓器的電流，銅耗分別為ΔP1，ΔP2；銅耗與電流的平方成正比，即
7 e! d" r$ s$ i% n5 V0 O) L　　ΔP1/ΔP2=I22/I12
6 P, P# f1 U# u; x7 C　　由于P1=P2，認為U2≈U1時，即　　I2/I1=cosφ1/cosφ2. 8
可知，功率因數(shù)從0.8提高至0.9時，銅耗相當于原來的80％。
2 T% U! M+ g. C* L3 [8 T　　2.3　減少了線路的壓降
) c/ ]/ L) W' O5 x　　由于線路傳送電流小了，系統(tǒng)的線路電壓損失相應減小，有利于系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定(輕載時要防止超前電流使電壓上升過高)，有利于大電機起動。
# }' h9 P6 X Z; \$ W6 Z　　2.4　增加了供電功率，減少了用電貼費
: f5 T( l7 g- t# {$ J# ~+ o　　對于原有供電設備來講，同樣的有功功率下，cosφ提高，負荷電流減小，因此向負荷傳輸功率所經過的變壓器、開關、導線等配電設備都增加了功率儲備，發(fā)揮了設備的潛力。對于新建項目來說，降低了變壓器容量，減少了投資費用，同時也減少了運行后的基本電費。
- ?% e+ J) p* c' T( Q6 H. \　　3　就地補償與集中補償?shù)募夹g經濟分析
/ U" h5 N# f x- a$ c1 g　　 3.1　電容補償在技術上應注意的問題
(1)防止產生自勵。
4 Z% ^2 m9 T: s* f3 _9 f　　采用電容器就地補償電動機，切斷電源后，電動機在慣性作用下繼續(xù)運行，此時電容器的放電電流成為勵磁電流，如果電容過補償，就可使電動機的磁場得到自勵而產生電壓，如圖6所示。因此，為防止產生自勵，可按下式選用電容
QC=0.9 3UI0
# k/ r6 j7 Z2 ^- U y* F* {　　(2)防止過電壓。
7 O; v: H3 R- r0 z4 g　　當電容器補償容量過大，會引起電網電壓升高并會導致電容器損壞。我國并聯(lián)電容器國標規(guī)定：“工頻長期過電壓值最多不超過1.1倍額定電壓。”因此必須符合QC< 0.1Ss的條件。
(3)防止產生諧振。
9 V$ B) n6 ^" E% j# K- y; {# C　　(4)防止受到系統(tǒng)諧波影響。
對于有諧波源的供電線路，應增設電抗器等措施，使諧波影響不致造成電容器損壞。
! f1 B- A! J5 K( x　　3.2　兩者比較7
就地補償較集中補償，更具節(jié)能效果。
5 _8 M* M) O& O( c8 O; V　　4　電容補償控制及安裝方式的選擇
8 C8 ]. p8 M2 F& \　　 4.1　就地補償與集中補償?shù)挠嘘P規(guī)定
# I/ K9 u9 ~, V( a) B　　(1)GB12497—90《三相異步電動機經濟運行》第7.6條規(guī)定：50kW以上的電動機應進行功率因數(shù)就地補償。
(2)GB3485—83《評估企業(yè)合理用電技術導則》第2.9條規(guī)定：100kW以上的電動機就地補償無功功率。
(3)GB50052—95《供配電設計規(guī)范》第5.03及5.0.10規(guī)定。,
(4)國外用電委員會法規(guī)與專業(yè)學報均有類似規(guī)定與刊載。
4.2　電容補償方式的選擇
1 I8 x: m( e) H　　采用并聯(lián)電容器作為人工無功補償，為了盡量減少線損和電壓損失，宜就地平衡，即低壓部分的無功宜由低壓電容器補償，高壓部分的無功宜由高壓電容器補償。對于容量較大，負荷平穩(wěn)且經常使用的用電設備的無功功率，宜就地補償。補償基本無功的電容器組宜在配變電所內集中補償，在有工業(yè)生產機械化自動化>程度高的流水線、大容量機組的場所，宜分散補償。
" U- X7 K2 k% P4 L* P! ?- ^　　4.3　電容器組投切方式的選擇
電容器組投切方式分手動和自動兩種。
對于補償?shù)蛪夯緹o功及常年穩(wěn)定和投切次數(shù)少的高壓電容器組，宜采用手動投切；為避免過補償或輕載時電壓過高，易造成設備損壞的，宜采用自動投切。高、低壓補償效果相同時，宜采用低壓自動補償裝置。
4.4　無功自動補償?shù)恼{節(jié)方式
7 E- V/ n% R9 y' v. J　　以節(jié)能為主者，采用無功功率參數(shù)調節(jié)；當三相平衡時，也可采用功率因數(shù)參數(shù)調節(jié)；為改善電壓偏差為主者，應按電壓參數(shù)調節(jié)；無功功率隨時間穩(wěn)定變化者，按時間參數(shù)調節(jié)。
5　電容補償容量的選定
5.1　集中補償容量確定
先進行負荷計算，確定有功功率P30和無功功率Q30，補償前自然功率因數(shù)為cosφ1，要補償?shù)降墓β室驍?shù)為cosφ2。則) M1 m6 Z5 Q) w7 Z$ h& Q
QC=αP30(tgφ1－tgφ2)
9 p6 f5 @7 ~6 @" U' J　α為平均負荷因數(shù)。
! a6 k0 k4 |1 F: ]7 N& V　　5.2　電動機就地補償電容器容量確定
2 L& H# i1 E. p$ o　　就地補償電容器容量選擇的主要參數(shù)是勵磁電流，因為不使電容器造成自勵是選用電容器容量的必要條件。負載率越低，功率因數(shù)越低；極數(shù)愈多，功率因數(shù)越低；容量愈小，功率因數(shù)越低。但由于無功功率主要消耗在勵磁電流上，隨負載率變化不大，因此應主要考慮電動機容量和極數(shù)這兩個參數(shù)，才能得到最佳補償效果?？捎檬?4)計算。
# ]$ G: u, _4 _" w$ i1 g2 J　　6　結合工程實例談電容補償?shù)膽?font style="FONT-SIZE: 0px; COLOR: #fff">;
以某大型項目中能源中心為例，該項目設備裝機容量約為21000多千瓦，其中高壓電動機設備容量為5400多千瓦，其他低壓設備容量為5000多千瓦。供電電源的電壓等級為10kV。本著“節(jié)能、高效”的方針，初次嘗試了采用燃汽輪機發(fā)電機組自發(fā)電，冷、熱、電三聯(lián)供，做到汽電共生，實現(xiàn)能源綜合利用。經過經濟分析，采用10kV作為高壓電動機的供電電壓等級，投資較省，同時亦減少變電環(huán)節(jié)，也就減少了故障點。根據負荷計算，共采用六路10kV電源，分別對高壓電動機直配。
+ X' g4 D8 d. j- Z4 y　　在這個項目中，高壓電動機主要用于空調系統(tǒng)中的中央空調機組，以及主機的外部設備——冷凍水循環(huán)泵和冷卻水循環(huán)泵多臺設備。這些設備單機容量很大，離心機組單機最大達2810kW(共5臺)，小的870kW(共4臺)，冷凍水循環(huán)泵單機560kW(共9臺)，冷凍水循環(huán)泵單機亦有380kW(共3臺)，自然功率因數(shù)在0.8左右。如果在10kV配電室集中補償電容，不采用高壓無功自動補償?shù)脑?，如此大容量的電動機起、停會使10kV側功率因數(shù)不穩(wěn)定，有可能造成過補償，引起系統(tǒng)電壓升高。同時，從配電室至冷凍機房高壓電動機的線路最近50m，最遠140m，線路損耗相當可觀，綜合考慮到高壓自動補償元件、技術、價格均要求高，因此采用高壓電容器就地補償，與電動機同時投切。高壓電容器組放置在電動機附近。這些電動機采用自耦降壓起動方式，高壓就地補償裝置以并聯(lián)電容器為主體，采用熔斷器做保護，裝設避雷器用于過電壓保護，串聯(lián)電抗器抑制涌流和諧波。這樣做，不僅提高了電動機的功率因數(shù)，降低了線路損耗，同時釋放了系統(tǒng)容量，縮小了饋電電纜的截面，節(jié)約了投資。
2 A7 h+ @; I, i! v8 H4 r　　對于低壓設備，由二臺1000kVA及二臺1600kVA變壓器配出，低壓電機布置較分散，因此，在變電所變壓器低壓側采用電容器組集中自動補償。雖然一些低壓電動機的容量也不小，就地補償?shù)慕洕б嬉嘤?，但這些設備主要用于鍋爐房和給排水設備，鍋爐房的設備不如冷凍機房集中，環(huán)境較差，管理不便，因此，在低壓配電室采用按功率因數(shù)大小自補償是較合適的。
$ O+ W: f+ L' U% u. F3 g- n　　7　總結
對無功功率進行補償?shù)墓?jié)能效果是有目共睹的，在應用的過程中，還應該在技術經濟上綜合考慮，根據具體情況進行分析，來決定是采用集中補償還是就地補償，還是兩者綜合采用，從而達到使電氣設備經濟運行的目的。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　來源：中國電力網