无功功率补偿的技术经济探讨

1、无功功率补偿的技术经济探讨 摘要：交流异步电机广泛用于工业与民用系统。但不少电机负荷率低，常处于轻载或空载状态，无功功率消耗比有功功率大，电能浪费严重。因此采用无功补偿，提高功率因数、节约电能、减少运行费用是很有效的措施。本文对无功补偿的种类、特点、作用、经济效益等进行了论述。 关键词：无功功率补偿 的技术经济 特点 交流异步电机在工业与民用建筑系统中应用广泛。在民用范围中运行机械多为连续运行，不调速，操作不频繁的场合，如风机、水泵、冷冻机多为结构简单，易维护的异步电动机。在工矿企业中，不少电动机负荷率低，经常处于轻载或空载状态，功率因数普遍不高。负荷率低，则功率因数愈低，无功功率相对于有功功率的百分比更大，显著地浪费电能。因此对异步电动机采用无功功率补偿以提高功率因数，节约电能，减少运行费用，提高电能质量，符合我国节约能源的国策，同时亦给企业带来经济效益。1无功功率补偿的种类和特点 1.1集中补偿在高低压配电所内设置若干组电容器，电容器接在配电母线上，补偿供电范围内的无功功率，如图1所示。1.2组合就地补偿(分散就地补偿)电容器接在高压配电装置或动力箱的母线上，对附近的电动机进行无功

2、补偿，如图2所示。1.3单独就地补偿将电容器装于箱内，放置在电动机附近，对其单独补偿。图3为电容器直接接在电动机端子上或保护设备末端，一般不需要电容器用的操作保护设备，称为直接单独就地补偿。图3a为经常操作者，采用接触器；为非经常操作者，采用空气断路器；为高压电容器直接单独就地补偿，宜采用真空开关。图4为不采用控制设备，由电动机控制开关操作，但电容器必须采用内装熔丝或另装熔断器。如采用控制设备，如图5所示，为控制式单独就地补偿，多用于降压起动或有可逆运行等有特殊操作要求的电动机。2无功功率补偿的作用 2.1改善功率因数及相应地减少电费根据国家水电部，物价局颁布的“功率因数调整电费办法”规定三种功率因数标准值，相应减少电费： (1)高压供电的用电单位，功率因数为0.9以上。(2)低压供电的用电单位，功率因数为0.85以上。(3)低压供电的农业用户，功率因数为0.8以上。根据“办法”，补偿后的功率因数以分别不超出0.95、0.94、0.92为宜，因为超过此值，电费并没有减少，相反初次设备增加，是不经济的。2.2降低系统的能耗功率因数的提高，能减少线路损耗及变压器的铜耗。设R为线路电阻，P1

3、为原线路损耗，P2为功率因数提高后线路损耗，则线损减少P=P1P2=3R(I12I22)(1)比原来损失减少的百分数为(P/P1)100=1(I2/I1)2100(2)式中，I1=P/( 3 U1cos1)，I2=P/( 3 U2cos2)补偿后，由于功率因数提高，U2 U1，为分析方便，可认为U2U1，则=1(cos1/cos2)2100(3)当功率因数从0.8提高至0.9时，通过上式计算，可求得有功损耗降低21左右。在输送功率P= 3UIcos不变情况下，cos提高，I相对降低，设I1为补偿前变压器的电流，I2为补偿后变压器的电流，铜耗分别为P1，P2；铜耗与电流的平方成正比，即P1/P2=I22/I12由于P1=P2，认为U2U1时，即I2/I1=cos1/cos2可知，功率因数从0.8提高至0.9时，铜耗相当于原来的80。2.3减少了线路的压降由于线路传送电流小了，系统的线路电压损失相应减小，有利于系统电压的稳定(轻载时要防止超前电流使电压上升过高)，有利于大电机起动。2.4增加了供电功率，减少了用电贴费对于原有供电设备来讲，同样的有功功率下，cos提高，负荷电流减小，因此向负

4、荷传输功率所经过的变压器、开关、导线等配电设备都增加了功率储备，发挥了设备的潜力。对于新建项目来说，降低了变压器容量，减少了投资费用，同时也减少了运行后的基本电费。3就地补偿与集中补偿的技术经济分析 3.1电容补偿在技术上应注意的问题(1)防止产生自励。采用电容器就地补偿电动机，切断电源后，电动机在惯性作用下继续运行，此时电容器的放电电流成为励磁电流，如果电容过补偿，就可使电动机的磁场得到自励而产生电压，如图6所示。因此，为防止产生自励，可按下式选用电容QC=0.9 3UI0(2)防止过电压。当电容器补偿容量过大，会引起电网电压升高并会导致电容器损坏。我国并联电容器国标规定：“工频长期过电压值最多不超过1.1倍额定电压。”因此必须符合QC 0.1Ss的条件。(3)防止产生谐振。(4)防止受到系统谐波影响。对于有谐波源的供电线路，应增设电抗器等措施，使谐波影响不致造成电容器损坏。3.2两者比较就地补偿较集中补偿，更具节能效果。4电容补偿控制及安装方式的选择 4.1就地补偿与集中补偿的有关规定(1)GB1249790三相异步电动机经济运行第7.6条规定：50kW以上的电动机应进行功率因数就

5、地补偿。(2)GB348583评估企业合理用电技术导则第2.9条规定：100kW以上的电动机就地补偿无功功率。(3)GB5005295供配电设计规范第5.03及5.0.10规定。(4)国外用电委员会法规与专业学报均有类似规定与刊载。4.2电容补偿方式的选择采用并联电容器作为人工无功补偿，为了尽量减少线损和电压损失，宜就地平衡，即低压部分的无功宜由低压电容器补偿，高压部分的无功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，宜就地补偿。补偿基本无功的电容器组宜在配变电所内集中补偿，在有工业生产机械化自动化程度高的流水线、大容量机组的场所，宜分散补偿。4.3电容器组投切方式的选择电容器组投切方式分手动和自动两种。对于补偿低压基本无功及常年稳定和投切次数少的高压电容器组，宜采用手动投切；为避免过补偿或轻载时电压过高，易造成设备损坏的，宜采用自动投切。高、低压补偿效果相同时，宜采用低压自动补偿装置。 4.4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；无功功率随时间稳定变化者，

6、按时间参数调节。 5电容补偿容量的选定5.1集中补偿容量确定先进行负荷计算，确定有功功率P30和无功功率Q30，补偿前自然功率因数为cos1，要补偿到的功率因数为cos2。则QC=P30(tg1tg2)为平均负荷因数。5.2电动机就地补偿电容器容量确定就地补偿电容器容量选择的主要参数是励磁电流，因为不使电容器造成自励是选用电容器容量的必要条件。负载率越低，功率因数越低；极数愈多，功率因数越低；容量愈小，功率因数越低。但由于无功功率主要消耗在励磁电流上，随负载率变化不大，因此应主要考虑电动机容量和极数这两个参数，才能得到最佳补偿效果。可用式(4)计算。6结合工程实例谈电容补偿的应用以某大型项目中能源中心为例，该项目设备装机容量约为21000多千瓦，其中高压电动机设备容量为5400多千瓦，其他低压设备容量为5000多千瓦。供电电源的电压等级为10kV。本着“节能、高效”的方针，初次尝试了采用燃汽轮机发电机组自发电，冷、热、电三联供，做到汽电共生，实现能源综合利用。经过经济分析，采用10kV作为高压电动机的供电电压等级，投资较省，同时亦减少变电环节，也就减少了故障点。根据负荷计算，共采用六路

7、10kV电源，分别对高压电动机直配。在这个项目中，高压电动机主要用于空调系统中的中央空调机组，以及主机的外部设备冷冻水循环泵和冷却水循环泵多台设备。这些设备单机容量很大，离心机组单机最大达2810kW(共5台)，小的870kW(共4台)，冷冻水循环泵单机560kW(共9台)，冷冻水循环泵单机亦有380kW(共3台)，自然功率因数在0.8左右。如果在10kV配电室集中补偿电容，不采用高压无功自动补偿的话，如此大容量的电动机起、停会使10kV侧功率因数不稳定，有可能造成过补偿，引起系统电压升高。同时，从配电室至冷冻机房高压电动机的线路最近50m，最远140m，线路损耗相当可观，综合考虑到高压自动补偿元件、技术、价格均要求高，因此采用高压电容器就地补偿，与电动机同时投切。高压电容器组放置在电动机附近。这些电动机采用自耦降压起动方式，高压就地补偿装置以并联电容器为主体，采用熔断器做保护，装设避雷器用于过电压保护，串联电抗器抑制涌流和谐波。这样做，不仅提高了电动机的功率因数，降低了线路损耗，同时释放了系统容量，缩小了馈电电缆的截面，节约了投资。对于低压设备，由二台1000kVA及二台1600kVA变压器配出，低压电机布置较分散，因此，在变电所变压器低压侧采用电容器组集中自动补偿。虽然一些低压电动机的容量也不小，就地补偿的经济效益亦有，但这些设备主要用于锅炉房和给排水设备，锅炉房的设备不如冷冻机房集中，环境较差，管理不便，因此，在低压配电室采用按功率因数大小自补偿是较合适的。7总结对无功功率进行补偿的节能效果是有目共睹的，在应用的过程中，还应该在技术经济上综合考虑，根据具体情况进行分析，来决定是采用集中补偿还是就地补偿，还是两者综合采用，从而达到使电气设备经济运行的目的。 11

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