低壓無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)與運(yùn)用

徐霜

安科瑞電氣股份有限公司

摘要：隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，企業(yè)對(duì)供電的需求與電力設(shè)備的質(zhì)量提出了更高的要求，電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與電能質(zhì)量、無(wú)功功率有著密不可分的關(guān)系，本文就低壓無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述與研究，并介紹了無(wú)功功率補(bǔ)償裝置在現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)用。

關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量 無(wú)功功率 無(wú)功補(bǔ)償 設(shè)計(jì) 應(yīng)用  

0 引言

    近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，電能質(zhì)量管理的概念在各大企業(yè)中得到了廣泛的關(guān)注，“用電安全、用電質(zhì)量、用電經(jīng)濟(jì)”理念深入人心，無(wú)功功率補(bǔ)償作為電能質(zhì)量管理的重要組成部分，也成為了廣大電力人研究的方向。國(guó)家對(duì)于無(wú)功功率不達(dá)標(biāo)的企業(yè)更加是使用了鐵腕政策，力率電費(fèi)也成為了一些用電企業(yè)的負(fù)擔(dān)。本文針對(duì)此種情況，對(duì)低壓無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)與選型進(jìn)行了闡述與分析，并舉例說(shuō)明了低壓無(wú)功功率裝置在現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行與應(yīng)用。

1 有功功率和無(wú)功功率

    在交流電路中，由電源供給負(fù)載的電功率有兩種；一種是有功功率，一種是無(wú)功功率。     

    有功功率是保持用電設(shè)備正常運(yùn)行所需的電功率，也就是將電能轉(zhuǎn)換為其他形式能量（機(jī)械能、光能、熱能）的電功率。

    無(wú)功功率比較抽象，它用于電路內(nèi)電場(chǎng)與磁場(chǎng)的交換，并用來(lái)在電氣設(shè)備中建立和維持磁場(chǎng)的電功率。

    視在功率、有功功率、無(wú)功功率的關(guān)系可以從功率三角形上得出，公式如下所示：

    舉個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)，電動(dòng)機(jī)需要建立和維持旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)就是靠從電源取得無(wú)功功率建立的。變壓器也同樣需要無(wú)功功率，才能使變壓器的一次線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，在二次線圈感應(yīng)出電壓。

    因此，無(wú)功功率不是無(wú)用功率，它在電力系統(tǒng)中占據(jù)了一個(gè)重要的位置。沒(méi)有無(wú)功功率，電動(dòng)機(jī)就不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，變壓器也不能變壓，交流接觸器不會(huì)吸合。

2 低壓無(wú)功功率補(bǔ)償裝置簡(jiǎn)介

    低壓無(wú)功功率補(bǔ)償裝置，在電力供電系統(tǒng)中所承擔(dān)的作用是提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，降低供電變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，供電環(huán)境。所以無(wú)功功率補(bǔ)償裝置在電力供電系統(tǒng)中處在一個(gè)*的位置。合理的選擇低壓無(wú)功功率補(bǔ)償裝置，可以zui大限度的減少網(wǎng)絡(luò)的損耗，使用戶用電質(zhì)量提高。反之，不合理地選擇或者使用方法不當(dāng)，也有可能會(huì)造成供電系統(tǒng)電壓波動(dòng)、閃變、諧波放大等多種不可控的因素。

3 無(wú)功補(bǔ)償裝置的原理

    從功率三角形可以看出，用戶的變壓器容量（S）是固定的，如果用戶的設(shè)備需要的無(wú)功功率（Q）過(guò)大，就會(huì)使有功功率（P）的出力減少。這不僅會(huì)使得使用電設(shè)備不能正常工作，還可能造成線路過(guò)載導(dǎo)致設(shè)備損壞，此時(shí)，就需要對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償。

    如圖1所示，在進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償前，負(fù)載的無(wú)功功率、有功功率均通過(guò)變壓器來(lái)自于電網(wǎng)，就會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)的功率因數(shù)降低，電能質(zhì)量下降，用電效率差。

    圖2對(duì)設(shè)備進(jìn)行了無(wú)功功率的補(bǔ)償，此時(shí)設(shè)備的有功功率通過(guò)變壓器來(lái)自于電網(wǎng)，而無(wú)功功率取自我們的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。假設(shè)設(shè)備的無(wú)功功率均從無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備提取，此時(shí)，從電網(wǎng)側(cè)來(lái)看，無(wú)功功率（Q）為0，此時(shí)的視在功率（S）等于有功功率（P），功率因數(shù)為1。此時(shí)電網(wǎng)的供電效率是zui高的，此種情況雖然為理想狀態(tài)，但在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，只要補(bǔ)償?shù)卯?dāng)，月平均功率因數(shù)達(dá)到0.95以上是沒(méi)有問(wèn)題的

      圖1無(wú)功補(bǔ)償前圖例                           圖2無(wú)功補(bǔ)償后圖例

4 無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹匾?/strong>

    一般來(lái)說(shuō)，使用無(wú)功補(bǔ)償裝置來(lái)提高功率因數(shù)的意義體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是可以減少輸電線路上的功率損失；二是可以充分發(fā)揮電力設(shè)備（如電機(jī)、變壓器等）的潛力。因?yàn)橛秒婋娖骺偸窃谝欢妷汉鸵欢ㄓ泄β氏鹿ぷ鳎绻β室驍?shù)較低，就要用較大的電流來(lái)保障用電器正常工作，輸電電流變大，導(dǎo)致線路損耗增加。此外，任何電力設(shè)備工作時(shí)總是工作在一定的額定電壓與額定電流內(nèi)，超過(guò)額定電壓值，會(huì)威脅設(shè)備的絕緣性能；工作電流超過(guò)額定值，會(huì)使內(nèi)部溫升過(guò)高，從而降低了設(shè)備的使用壽命。對(duì)于一些發(fā)電設(shè)備而言，功率因數(shù)的提高能大大增加效率，例如：一臺(tái)發(fā)電機(jī)容量為1500kW，當(dāng)電力系統(tǒng)的功率因數(shù)由0.6上升至0.8時(shí)，就可以使實(shí)際發(fā)電能力提高到3000kW。

5 無(wú)功補(bǔ)償?shù)慕?jīng)濟(jì)效益

    無(wú)功補(bǔ)償?shù)慕?jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在力率電費(fèi)，力率電費(fèi)=有功電量×電價(jià)×力率電費(fèi)調(diào)整系數(shù)。力率電費(fèi)調(diào)整系數(shù)根據(jù)功率因數(shù)的值查表獲得。不同基準(zhǔn)的力率電費(fèi)調(diào)整系數(shù)表見(jiàn)表1和表2。

表1 以0.90為標(biāo)準(zhǔn)值得力率電費(fèi)調(diào)整表

表2 以0.85為標(biāo)準(zhǔn)值得力率電費(fèi)調(diào)整表

    國(guó)家對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值也做出了規(guī)定，凡需變壓器容量100kVA及以上10kV供電的用戶應(yīng)進(jìn)行功率因數(shù)考核，具體標(biāo)準(zhǔn)如下：

    ♦ 100kVA以上160kVA（不含160kVA）以下的用戶，功率因數(shù)需達(dá)到0.85；

    ♦ 160kVA以上的用戶功率因數(shù)應(yīng)達(dá)到0.90以上。

    ♦ 用戶的功率因數(shù)大于標(biāo)準(zhǔn)的減少其當(dāng)月電費(fèi)，低于標(biāo)準(zhǔn)的增加其當(dāng)月電費(fèi)。

    舉個(gè)例子：某變壓器用戶的變壓器容量為160kVA，采用低壓計(jì)量，某月改用戶消耗有功電量為25000kWH，無(wú)功電量為27000kWH，假設(shè)電費(fèi)為0.68元/度。通過(guò)調(diào)研資料，該變壓器的有功變損為1036kWH，無(wú)功變損為3790kWH，所以該用戶共消耗有功電量26036kWH，消耗無(wú)功電量為30790kWH，通過(guò)功率三角形或查表可知該用戶的功率因數(shù)為0.65。通過(guò)查表可知該用戶力率電費(fèi)調(diào)整系數(shù)為+15%，共需收取實(shí)際消耗電費(fèi)25000×0.68為17000元，需加收的力率電費(fèi)為25000×0.68×0.15為2550元，總計(jì)為19550元。

現(xiàn)通過(guò)無(wú)功功率補(bǔ)償為該用戶將功率因數(shù)從0.65提高到0.95，通過(guò)查表可知該用戶力率電費(fèi)調(diào)整系數(shù)為-0.75%，共需收取實(shí)際消耗電費(fèi)25000×0.68為17000元，需加收的力率電費(fèi)為25000×0.68×（-0.0075）為-127.5元，總計(jì)為16872.5元。

從例子中我們可以看出，通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償能為企業(yè)產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)效益，一般10個(gè)月到一年即可收回裝備成本，為企業(yè)創(chuàng)造收入。

6 無(wú)功補(bǔ)償?shù)倪x型

6.1容量選型

    6.1容量選型

    6.1.1新建項(xiàng)目

    新建項(xiàng)目由于現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)無(wú)法確定，為了方便進(jìn)行快速選型，首先將行業(yè)進(jìn)行分類(lèi)，各行業(yè)所屬類(lèi)別如下表（，是指無(wú)功補(bǔ)償容量，是指變壓器容量，是指無(wú)功補(bǔ)償行業(yè)系數(shù)）：

   Ⅰ：系數(shù)約為0.3，適用于寫(xiě)字樓、住宅等諧波、無(wú)功需求相對(duì)較小的場(chǎng)合；

    Ⅱ：系數(shù)約為0.4，適用于商業(yè)、軌道交通等諧波、無(wú)功需求相對(duì)中等的場(chǎng)合；

    Ⅲ：系數(shù)約為0.55，適用于重工業(yè)、制造業(yè)等諧波、無(wú)功需求相對(duì)較大的場(chǎng)合；

6.1.2改造項(xiàng)目

    改造項(xiàng)目一般都需要去現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，配置相應(yīng)的無(wú)功補(bǔ)償方案，需測(cè)量的要點(diǎn)包括：有功功率、無(wú)功功率、視在功率、實(shí)際功率因數(shù)、目標(biāo)功率因數(shù)、負(fù)載狀況、電網(wǎng)背景等。其無(wú)功補(bǔ)償裝置的容量可通過(guò)實(shí)際測(cè)量后計(jì)算獲得，以上面那個(gè)例子來(lái)說(shuō)，假設(shè)補(bǔ)償前用戶變壓器為滿載狀態(tài)，該用戶變壓器容量為160kVA，功率因數(shù)為0.65，目標(biāo)功率因數(shù)為0.95，計(jì)算如下：

    補(bǔ)償前視在功率為,功率因數(shù)，補(bǔ)償前有功功率為,補(bǔ)償前無(wú)功功率為。

補(bǔ)償前與補(bǔ)償后有功功率不變?yōu)椋繕?biāo)功率因數(shù)，補(bǔ)償后視在功率為,補(bǔ)償后無(wú)功功率為。

所以，需要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率為。

6.2型號(hào)說(shuō)明

6.3技術(shù)參數(shù)

7 無(wú)功補(bǔ)償模塊式方案

    現(xiàn)在，市面上的低壓無(wú)功功率補(bǔ)償裝置基本上都采取整柜的方式，基本上都屬于“一錘子買(mǎi)賣(mài)”雖然能夠滿足用戶現(xiàn)場(chǎng)的補(bǔ)償要求，但在補(bǔ)償后的維護(hù)、容量拓展等方面十分的不便，在用戶需要進(jìn)行改造時(shí)需要更換整柜，十分困難。圖3為一種無(wú)功補(bǔ)償模塊，將一套無(wú)功補(bǔ)償回路，包含：電容、電抗、晶閘管投切開(kāi)關(guān)、熔斷器、二次回路整合在一個(gè)模塊中，在實(shí)際使用中，模塊與模塊之間相互獨(dú)立，互不干擾，在維護(hù)使用中可以按模塊進(jìn)行容量增減與維護(hù)。                                                                                                                                                                                                                                                              圖3無(wú)功補(bǔ)償模塊

8 ANSVC在江蘇紅柳床單有限公司項(xiàng)目的應(yīng)用案例

8.1項(xiàng)目簡(jiǎn)介

    工程地址：江蘇紅柳床單有限公司項(xiàng)目地址位于美麗富饒的江蘇省無(wú)錫市江陰市，北枕長(zhǎng)江，南近太湖，東接常熟、張家港，西連常州，地處蘇錫常“金三角”幾何中心，交通樞紐便利。平均海拔6米左右，全年溫度條件較好，四季分明。江蘇紅柳床單有限公司占地面積15萬(wàn)平方米，建筑面積12萬(wàn)平方米，該項(xiàng)目共采購(gòu)了我司2臺(tái)無(wú)功補(bǔ)償柜和1臺(tái)有源濾波柜。針對(duì)無(wú)功補(bǔ)償，測(cè)量了1#變壓器出線側(cè)，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖4，目標(biāo)功率因數(shù)0.98，現(xiàn)場(chǎng)配電系統(tǒng)諧波源主要是變頻器和開(kāi)關(guān)電源，諧波頻次為3次、5次、7次、11次是典型的6n±1次特性諧波，通過(guò)ANAPF有源濾波器進(jìn)行治理，保護(hù)電容器。測(cè)量示意如圖5：（黑圈為測(cè)量點(diǎn)）。

圖4 無(wú)功補(bǔ)償現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果

圖5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量示意圖

8.2 無(wú)功補(bǔ)償容量計(jì)算

    補(bǔ)償前視在功率為,功率因數(shù)，補(bǔ)償前有功功率為,補(bǔ)償前無(wú)功功率為。

    補(bǔ)償前與補(bǔ)償后有功功率不變?yōu)?，目?biāo)功率因數(shù)，補(bǔ)償后視在功率為,補(bǔ)償后無(wú)功功率為。

    所以，需要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率為。

    由于考慮到實(shí)際補(bǔ)償容量與標(biāo)稱(chēng)補(bǔ)償容量的區(qū)別，考慮到現(xiàn)場(chǎng)只能安放深度為800mm的柜子，所以選擇配置一臺(tái)350kvar主柜和一臺(tái)350kvar輔柜，共700kvar。

8.3 現(xiàn)場(chǎng)使用情況

圖5 現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

 圖6 現(xiàn)場(chǎng)竣工圖

9 結(jié)束語(yǔ)

    本文從低壓無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的基本知識(shí)、選型參數(shù)、經(jīng)濟(jì)效益、實(shí)例設(shè)計(jì)等方面對(duì)低壓無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)與選型進(jìn)行了闡述。提出了模塊式低壓無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的新思路。合理地配置低壓無(wú)功功率補(bǔ)償裝置不僅能為降低線損、提高設(shè)備壽命與運(yùn)行效率，更能夠?yàn)槠髽I(yè)減少力率罰款，獲得電費(fèi)獎(jiǎng)勵(lì)，直觀的創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。

【參考文獻(xiàn)】

• • GB15576-2008-T    低壓成套無(wú)功功率補(bǔ)償裝置
  • 安科瑞電氣股份有限公司產(chǎn)品手冊(cè).2013.01.版