配电系统无功补偿

    无功补偿是供配电系统设计中的一个重要问题。

1、 提高功率因数的意义

    在用电设备中按功率因数划分，可以有以下三类：电阻性负荷、电感性负荷、电容性负荷。在用电设备中绝大部分为感性负荷。使得用电单位功率因数小于1。功率因数降低以后，将带来以下不良后果：

    （1）使电力系统内电气设备的容量不能充分利用，因发电机和变压器额定电流是一定的，在正常情况下是不允许超过的，功率因数降低，则有功出力将降低，使设备容量不能得到充分利用。

    （2）由于功率因数降低，如若传输同样的有功功率，就要增大电流，而输电线路和变压器的功率损耗和电能损耗也随之增加。

    （3）功率因数过低，线路上电流增大，电压损耗也将增大，使用电设备的电压就要下降，影响异步电动机和其他用电设备的正常运行。

    为了保证供电质量和节能，充分利用电力系统中发变电设备的容量，减小供电线路的截面，节省有色金属，减小电网的功率损耗、电能损耗，减小线路的电压损失，必须提高用电单位的功率因数。按照《供电营业规则》规定：高压供电用户功率因数为0.9以上，低压供电用户功率因数在0.85以上。

    2、提高自然功率因数的措施

    供配电设计中应正确选择电动机、变压器的容量，降低线路感抗。当工艺条件适当时，宜采用同步电动机或选用带空载切除的间歇工作制设备等，提高用电单位自然功率因数的措施。

    用电单位中，70%~80%是异步电动机，异步电动机的功率因数和效率在70%负载率到满载时最高，在额定负载时cosφ约为0.85~0.9。而在空载和轻载时，功率因数和效率都要降低，空载时cosφ只有0.2~0.3。因此正确使用电动机，使其额定容量与负载相匹配，对改善自然功率因数意义重大。

    电力变压器的功率因数不仅与负荷的功率因数有关，而且与负荷率有关。若变压器满载运行，一次侧功率因数比二次侧降低了3%~5%左右，若变压器轻载运行，当负荷率小于0.6时，一次侧功率因数就显著下降，为了充分利用设备和提高功率因数，变压器不作轻载运行。

    另外，对间歇工作制的设备如电焊机，选用带内藏空载延时切除的装置。

    3、无功补偿装置的设置和容量

（1）无功补偿装置

当采用提高自然功率因数措施后，仍达不到电网合理运行要求时，应采用并联电力电容器作为无功补偿装置。当经过技术经济比较，确认采用同步电动机作为无功补偿装置合理时，可采用同步电动机。

（2）电力电容器补偿、控制及安装方式的原则

1）采用并联电力电容器作为人工无功补偿装置时。为了尽量减少线损和电压损失，宜就地平衡补偿，即低压部分的无功功率宜由低压电容器补偿，高压部分的无功功率宜由高压电容器补偿。对于容量较大，负荷平稳且经常使用的用电设备的无功功率，宜单独就地补偿。补偿基本无功功率的电容器组宜在配变电所内集中补偿，在环境正常的车间内低压电容器宜分散补偿；高压电容器组宜在配、变电所内集中装设。

2）补偿电容器组的投切方式分为手动和自动两种。对于补偿低压基本无功功率的电容器组以及常年稳定的无功功率和投切次数较少的高压电容器组，宜采用手动投切；为避免过补偿或在轻载时电压过高，造成某些用电设备损坏等，宜采用自动投切。在采用高、低压自动补偿装置效果相同时，宜采用低压自动补偿装置。

3）无功自动补偿的调节方式：以节能为主进行补偿者，采用无功功率参数调节；当三相负荷平衡，也可采用功率因数参数调节；为改善电压偏差为主进行补偿者，应按电压参数调节；无功功率随时间稳定变化时，按时间参数调节。

4）电容器分组时，应符合下列要求：

      ⑴ 分组电容器投切时，不应产生谐振；

 ⑵ 适当减少分组组数和加大分组容量；

 ⑶ 应与配套设备的技术参数相适应；

 ⑷ 应满足电压波动的允许条件。

5）高压电容器组宜串联适当参数的电抗器，低压电容器组宜加大投切容量或采用专用投切接触器，以减少合闸冲击电流。受用电设备谐波含量影响较大的，线路上装设电容器组时，电抗器宜串联。

4、无功补偿容量计算

无功补偿容量宜按无功功率曲线或无功补偿计算方法确定。

工程上多数采用无功补偿计算方法确定补偿容量，计算公式如下：

Q_C=P_ca（tgφ₁-tgφ₂）               （4-13）

或  Q_C=p_caq_c                                                     （4-14）

式中  Q_C——人工补偿的无功功率，kvar；

       P_ca——有功计算负荷（kW）；

       tgφ₁——补偿前用电单位自然功率因数角正切；

       tgφ₂——补偿后用电单位功率因数角正切值；

       q_c——无功功率补偿率，kvar/kW。（见表4-3）

这里说明两点：功率因数是指用电单位与供电部门产权分界点的功率因数，对于高压供电的用电单位来讲，也就是高压侧的功率因数。因此，在计算补偿容量时，应考虑变压器的无功功率损耗。要求cosφ按不低于0.9考虑。功率因数是用电单位最大负荷时的功率因数。不需再考虑有功和无功功率的负荷系数。  

                      无功功率补偿率q_c   （单位：kvar/kW ）           表4-3

补偿前cosφ1	补 偿 后 cosφ2
	0.85	0.88	0.90	0.92	0.94	0.95	0.96	0.97
0.50 0.55 0.60 0.65 0.68 0.70 0.72 0.75 0.78 0.80 0.81 0.82 0.85	1.112 0.899 0.714 0.549 0.458 0.401 0.344 0.262 0.182 0.130 0.104 0.078 —	0.192 0.979 0.794 0.629 0.538 0.481 0.424 0.342 0.262 0.210 0.184 0.158 0.080	1.248 1.035 0.850 0.685 0.594 0.537 0.480 0.398 0.318 0.266 0.240 0.214 0.136	1.306 1.093 0.908 0.743 0.652 0.595 0.538 0.456 0.376 0.324 0.298 0.272 0.194	1.369 1.156 0.971 0.806 0.715 0.658 0.601 0.519 0.439 0.387 0.361 0.335 0.257	1.404 1.191 1.006 0.841 0.750 0.693 0.636 0.554 0.474 0.422 0.396 0.370 0.292	1.442 1.228 1.043 0.878 0.788 0.729 0.672 0.591 0.512 0.459 0.433 0.407 0.329	1.481 1.268 1.083 0.918 0.828 0.769 0.712 0.631 0.552 0.499 0.483 0.447 0.369

尖锋电流计算

    尖锋电流是指持续1s左右的最大负荷电流，一般取起动电流的周期分量。用来计算电压波动，选择熔断器和低压断路器，整定保护装置，检验电动机的起动条件。

   1．单台用电设备尖锋电流计算

 Ipk=Ist=Kst·IN                        （4-15）

式中  IN ——用电设备的额定电流，A；

      It——用电设备的起动电流，A；

      Ipk——用电设备的尖锋电流，A；

      Kst——用电设备的起动电流倍数。

   笼型电动机为5~7，绕线式电动机为2~3，直流电动机为1.7，电焊变压器为3或稍大。

   2．多台用电设备尖锋电流计算

               （4-16）

式中Ist.max——用电设备中起动电流最大的那台设备的起动电流，A；

——除起动电流最大的那台设备外，其他用电设备的额定电流之和，A；

   3．自起动电动机组尖锋电流计算

     对于自起动电动机组，其尖锋电流为所有参与自起动电动机的起动电流之和。

2-8 高压电动机功率损耗计算

    高压电动机的有功功率损耗、无功功率损耗可按下式计算：

                   （4-17）

式中  △Pm、△Qm——电动机的有功功率损耗，（kw），无功功率损耗，（kvar）；

      PN——电动机的额定功率，（kw）；

      η——电动机效率；

tgф——电动机额定功率角正切值。

年电能需要量计算

年电能需要量可按下式计算：

                         4-18）

式中  Wp、WQ——全年有功、无功电能需要量，（kWh、kvarh）；

      Pca——有功计算负荷，（kW）；

      Qca——补偿后的无功计算负荷，（kvar）；

      α、β——有功功率、无功功率负荷系数，α一般取0.7~0.75, β一般取0.76~0.82；

       tW——全年实际运行小时数。（一般一班制约2300小时，二班制约4600小时，二班制约6900小时）