無功功率補償技術的經濟分析

1.無功功率補償的種類和特點

1.1集中補償

   在高低壓配電所內設置若乾組電容器，電容器接在配電母線上，補償供電範圍內的無功功率。

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。

1.3單獨就地補償

    將電容器裝於箱內，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為不采用控製設備，由電動機控製開關操作，但電容器必須采用內裝熔絲或另裝熔斷器。如采用控製設備，如圖5所示，為控製式單獨就地補償，多用於降壓起動或有可逆運行等有特殊操作要求的電動機。

2.無功功率補償的作用

2.1改善功率因數及相應地減少電費

    根據國家水電部，物價局頒布的“功率因數調整電費辦法”規定三種功率因數標準值，相應減少電費：

　　(1)高壓供電的用電單位，功率因數為0.9以上。

　　(2)低壓供電的用電單位，功率因數為0.85以上。

　　(3)低壓供電的農業用戶，功率因數為0.8以上。

    根據“辦法”，補償後的功率因數以分彆不超出0.95、0.94、0.92為宜，因為超過此值，電費並冇有減少，相反初次設備增加，是不經濟的。

2.2降低係統的能耗

    功率因數的提高，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為功率因數提高後線路損耗，則線損減少

　　ΔP=ΔP1－ΔP2=3R(I12－I22)(1)　

　　比原來損失減少的百分數為

　　(ΔP/ΔP1)×100％=1－(I2/I1)2•100％(2)　

    式中，I1=P/( 3U1cosφ1)，I2=P/( 3U2cosφ2)補償後，由於功率因數提高，U2 >U1，為分析方便，可認為U2≈U1，則

　　θ=[1－(cosφ1/cosφ2)2]•100％(3)　

    當功率因數從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為補償後變壓器的電流，銅耗分彆為ΔP1，ΔP2；銅耗與電流的平方成正比，即

　  ΔP1/ΔP2=I22/I12

　　由於P1=P2，認為U2≈U1時，即I2/I1=cosφ1/cosφ2

可知，功率因數從0.8提高至0.9時，銅耗相當於原來的80％。

2.3減少了線路的壓降

    由於線路傳送電流小了，係統的線路電壓損失相應減小，有利於係統電壓的穩定(輕載時要防止超前電流使電壓上升過高)，有利於大電機起動。

2.4　增加了供電功率，減少了用電貼費

    對於原有供電設備來講，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，發揮了設備的潛力。對於新建項目來說，降低了變壓器容量，減少了投資費用，同時也減少了運行後的基本電費。

3.就地補償與集中補償的技術經濟分析

3.1　電容補償在技術上應注意的問題

    (1)防止產生自勵。

    采用電容器就地補償電動機，切斷電源後，電動機在慣性作用下繼續運行，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=0.93UI0　　　　　　　　　　

　　(2)防止過電壓。

    當電容器補償容量過大，會引起電網電壓升高並會導致電容器損壞。我國並聯電容器國標規定：“工頻長期過電壓值*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。

　　(4)防止受到係統諧波影響。

    對於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。

3.2兩者比較

    就地補償較集中補償，更具節能效果。

4電容補償控製及安裝方式的選擇

4.1就地補償與集中補償的有關規定

　　(1)GB12497—90《三相異步電動機經濟運行》第7.6條規定：50kW以上的電動機應進行功率因數就地補償。

　　(2)GB3485—83《評估企業合理用電技術導則》第2.9條規定：100kW以上的電動機就地補償無功功率。

　　(3)GB50052—95《供配電設計規範》第5.03及5.0.10規定。

　　(4)國外用電委員會法規與專業學報均有類似規定與刊載。

4.2電容補償方式的選擇

   采用並聯電容器作為人工無功補償，為了儘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。對於容量較大，負荷平穩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。

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。

    對於補償低壓基本無功及常年穩定和投切次數少的高壓電容器組，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無功自動補償的調節方式

    以節能為主者，采用無功功率參數調節；當三相平衡時，也可采用功率因數參數調節；為改善電壓偏差為主者，應按電壓參數調節；無功功率隨時間穩定變化者，按時間參數調節。

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為cosφ1，要補償到的功率因數為cosφ2。則

　QC=αP30(tgφ1－tgφ2)

　α為平均負荷因數。

5.2電動機就地補償電容器容量確定

    就地補償電容器容量選擇的主要參數是勵磁電流，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，功率因數越低；極數愈多，功率因數越低；容量愈小，功率因數越低。但由於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這兩個參數，才能得到*佳補償效果。可用式(4)計算。

6　結合工程實例談電容補償的應用

    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“節能、高效”的方針，初次嘗試了采用燃汽輪機發電機組自發電，冷、熱、電三聯供，做到汽電共生，實現能源綜合利用。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，同時亦減少變電環節，也就減少了故障點。根據負荷計算，共采用六路10kV電源，分彆對高壓電動機直配。

    在這個項目中，高壓電動機主要用於空調係統中的中央空調機組，以及主機的外部設備——冷凍水循環泵和冷卻水循環泵多台設備。這些設備單機容量很大，離心機組單機*大達2810kW(共5台)，小的870kW(共4台)，冷凍水循環泵單機560kW(共9台)，冷凍水循環泵單機亦有380kW(共3台)，自然功率因數在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的話，如此大容量的電動機起。