李涛李志强
摘要根据现有电气系统、电气设备的具体特点，因地制宜的选择适合的无功补偿方式，减少无功功率的消耗，提高负载的功率因数，改善电压质量，充分发挥电力系统供配电设备的浅能和工作效率。
关键词无功功率功率因数补偿
1前言
在交流电路中，由电源供给负载的电功率有两种；一种是有功功率，一种是无功功率,有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能转换为其他形式能量(如机械能、光能、热能)的电功率；无功功率比较抽象，它是用于电路内电场与磁场的交换，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。它不对外做功，而是转变为其他形式的能量.功率因数是指电力网中线路的视在功率供给有功功率的消耗所占百分数。在供配电系统中，希望是功率因数越大越好，即电路中的视在功率将大部分用来供给有功功率，以减少无功功率的消耗。负载功率因数的高低，对于电力系统供配电设备的充分利用，有着显著的影响。适当提高负载的功率因数，不但可以充分的发挥供配电设备的生产能力、减少线路损失、改善电压质量，进而可以提高供配电设备的工作效率和工业企业本身节电能力。
2车间状况及提高功率因数的主要方式
我车间是氧化铝烧结法主体车间，主要担负熟料溶出、粗液分离、脱硅以及沉降和赤泥外排工作，全车间共计主要变配电室8个，变压器20台，总容量25500KVA，主要包括6KV、355KW高压电动机4台，3KV、400KW同步电动机4台，210KW绕线式异步电动机6台，55KW-220KW笼式电动机180余台，各种电气设备种类繁多，结构功能各异。根据调查并对大中型工业企业用电情况的分析，企业无功功率的消耗的一般情况是：感应电动机约占65~70%，变压器（包括整流变压器、电炉变压器等）约占20~25%，其他（包括网络、电抗器、感应型电气及仪表等）约占10%。为降低无功功率损耗以提高功率因数，我车间根据本身供配电系统的特点及电气设备的类型，主要采用三种方法：
a、现有设备同步电动机补偿无功功率，提高功率因数；
b、提高自然功率因数；
c、人工补偿提高功率因数。
3提高功率因数的方法
3.1同步电动机补偿提高功率因数
由电机原理知道，同步电动机消耗的有功功率撒于电动机上所带机械负荷的大小，而无功撒于转子中的励磁电流大小，在欠励状态时，定子绕组向电网“吸取”无功；在过励状态时，定子绕组向电网“送出”无功。因此，只要调节电机的励磁电流，使其处于过励状态，就可以使同步电机向电网“送出”无功功率，减少电网输送给工业企业的无功功率，从而提高了工业企业的功率因数。同步电动机的补偿能力q%，习惯上用该电机输出的无功功率与其额定容量的比值来表示：
q%=(Qcd/Se)×100
式中Qcd：同步电动机的输出无功功率（kvar）;
Se:同步电动机的额定容量（kva）;
同步电动机的补偿能力(q%)与同步电动机的负载率（Bd）,激励电流（I1）及其额定功率因数等有关。
我车间4台溶出磨电机为上海东方电机厂生产的同步电动机，电机型号为：TZ215/3232，额定容量为400KW，当负载率Bd=0.7，在功率因数cosφ=0.9（超前）运行，每台同步机可输出无功功率231.1Kvar；若4台同时运行，可产生924.4Kvar无功功率。
当同步电动机空载运行专门用作补偿无功功率时，称为同步调相机，它可无级的调节无功功率的数值，但有功损耗大，需专人维护，因而使用不普及。
3.2提高自然功率因数
提高自然功率因数是在不添置任何补偿设备，采用降低各用电设备所需的无功功率，提高工矿企业功率因数的方法，它不需要增加投资，是最经济的提高功率因数的方法。下面就我车间对提高自然功率因数的措施作一些简要的介绍。
3.2.1合理选用电动机的型号、规格和容量，使其接近满载运行。
在选择电动机时，既要注意它们的机械性能，又要考虑它们的电气指标（功率因数、效率、防护等级等）。异步电动机所耗用的无功功率是由其空载时的无功功率和一定负载下无功功率增加值两部分所组成。所以要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率.若电动机长期处于低负载下运行，既增大功率损耗，又使功率因数和效率都显著恶化。故从节约电能和提高功率因数的观点出发，必须正确的合理的选择电动机的容量。我车间近年逐步淘汰一批性能差、空载能耗高的J0、JO2系列交流电动机、使用相应功率Y系列交流电动机替代绕线式电动机、对负载率低于40~50%的电动机予以更换等措施对功率因数的提高产生积极的作用。
3.2.2提高异步电动机的检修质量
严格按照电动机规定的技术指标和额定参数进行检修，必须保持原有的性能数据及装配精度，特别是异步电动机定子绕组匝数变动和电动机定、转子间的气隙变动时对异步电动机无功功率的大小有很大的影响。
3.2.3合理选择变压器容量，改善变压器的运行方式
变压器的空载无功功率占无功功率的80%左右，变压器消耗无功的主要成份是它的空载无功功率，因而，为了改善电力系统和企业的功率因数，变压器不应空载运行或长其处于低负载运行状态.实际上往往由于变压器容量和台数选择不当，导致工业企业功率因数的下降。目前我国生产的电力变压器，其最经济的负载率B一般在0.35~0.65的范围内，对负载率小于30%的变压器，在考虑供电安全的前提下，我车间一般采取“撤、换、并、停”等方法，使其负载率提高到最佳值；同时通过设备改造淘汰老型号如SJ7系列变压器，现有变压器逐步由S7、S9、S11系列变压器取代，特别是S11—M.R型三相油浸卷铁芯电力变压器，是一低噪声、环保型、高效节能的电力变压器，与传统叠片型变压器比较，S11卷铁芯变压器无需消耗接缝的磁化容量，磁路中无气隙，大大减少了激磁电流，提高了功率因数，降低电网损耗，改善了电网的供电品质。环型铁芯充分利用了硅钢片的取向性，铁芯磁路由硅钢片的晶粒取向完全—致，消除了因磁路与硅钢片取向不一致所增加的损牦，可使损耗降低。S11型与S9型电力变压器相比，空载电流平均下降60％一80％，空载损耗平均下降20％～35％。
3.2.4电磁开关无电压运行
工业企业低压系统使用着大量各类电磁开关，如接触器、继电器等作为控制电动机及其他用电设备，该电磁开关的控制线圈为感性负载，既消耗电能又产生滞后的无功电流，影响企业功率因数的改善。我车间对容量在100A以上的接触器全部改为CJK5或CJK11系列真空接触器，其启动和保持线圈分开；在经济允许的情况下可考虑采用如YDC1永磁式接触器、继电器，其具有高可靠性、长寿命，节电（传统用电的5%）、无噪声、无温升，抗电网电压波动能力强等特点，节约电能又减少无功电流的产生。
3.2.5调整和改革生产工艺流程
调整和改革生产工艺流程，使生产环节密切协调配合，改善电气设备的运行方式，消除或限制感应式电动机的空载运行。
3.3人工补偿提高功率因数
功率因数是电力系统一项重要技术经济指标。当工业企业仅仅依靠提高自然功率因数的办法已经不能满足其对功率因数的要求时，工业企业自身需装设补偿装置，对功率因数进行人工补偿。人工无功补偿应采韧地平衡的原则，使电网任一时刻无功总出力(含无功补偿)与无功总负荷(含无功总损耗)保持平衡。
3.3.1、静态电容器补偿
当企业感性负载比较多时，它们从供电系统吸取的无功是滞后（负值）功率，如果用一组电容器和感性负载并联，电容需要的无功功率是引前（正值）功率，如果电容C选得合适，令QC+QL=0，这时企业已不需向供电系统吸取无功功率，功率因数为1。由于并联电容器具有价格较便宜，有功损耗小，安装及运行维护方便，故障范围小等优点，因此在工业企业10KV以下供电系统中被广泛的使用，它的不足之处只能进行有级调节而不能随着企业感性无功功率的变化进行无功调节。
3.3.2动态无功功率补偿
动态无功功率补偿一般应用于用电容量大、生产过程其负载急剧变化且具有重复冲击性的大型钢铁企业。这种波动频繁、急剧、幅值很大的动态无功功率，采用调相机或固定电容器进行补偿已远远满足不了要求，目前一般采用的新型动态无功功率补偿设备是静止无功补偿器。它具有稳定系统电压、改善电网运行性能、动态补偿反应迅速、调节性能优越等优点。但最明显的缺点是投资大、设备体积大、占地面积大.
3.3.3人工补偿的方式很多，按电容器安装的地点主要有集中补偿、分组补偿、单独补偿等。具体分析如下：
a、集中补偿方式
集中补偿指电容器组直接装设在企业总降压变电站610KV侧母线上，主要用于减少甚至抵消上级电网向本级电网的无功传输，通常采取调节运行方式，无功控制器将功率因数的实际值与给定值进行比较，然后发出指令，控制电容器支路的投切。其优点是覆盖范围大，可以保证整个系统的功率因数值，但是这种方式也有缺点，主要表现在无功功率需要较长距离的传输，另外高压接触器需满足频繁操作的要求。
b、分组补偿方式
分组补偿指电容器组分设在功率因数较低的车间变电站的高压侧母线上，用以减少车间以上配电系统内无功功率引起的损耗。
c、单独补偿方式
单独补偿指针对个别功率因数特别不好的大容量感应电动机进行单独补偿。
3.3.4我车间人工补偿的具体应用。
a、目前工业企业较普遍采用的一种无功补偿方式是在配电变压器380V侧进行集中补偿，通常采用微机控制的低压并联电容器柜，容量在几十至几百千乏不等，根据用户负荷水平的波动投入相应数量的电容器进行跟踪补偿。我车间于2001年11月，在55配安装了长沙博迪电气有限公司生产的智能型低压无功补偿装置（南北段各安装一台），本装置是根据55配南北两段的负荷、功率因数等要求设计的；主要包括无功补偿电力电容器、温度传感器、工业智能控制器、接触器、可控硅无触点开关、等部分。主要特点是在硬件设计上，采用工业级16位微处理器和宽温型低功耗集成电路、液晶屏、串行E2PROM等，降低了系统功耗，保证了重要数据可靠存储；增设了双重“看门狗”结构，避免出现“死机”情况；设计有数据通信接口，可根据软件中不同的协议满足不同的远程通信要求。在软件设计上，采用三段补偿法对变送器的非线性进行软件补偿，以提高测量精度，同时用软件实现电容器具投切的循环控制，以保证电容器具有相同的平无使用率，有效地延长了电容器的使用寿命。本装置安装至今使用良好，在功率因数补偿前后，55配南北两段电流变化较大，数据如下：
自动补偿装置通常是根据功率因数来进行电容器的自动投切的，也有为了保证用户电压水平而以电压为判据进行控制的。这种方案虽然有助于保证用户的电能质量，但对电力系统并不可取。因为虽然线路电压的波动主要由无功量变化引起，但线路的电压水平是由系统情况决定的。当线路电压基准偏高或偏低时，无功的投切量可能与实际需求相去甚远，出现无功过补偿或欠补偿。
b、《供电系统设计规范》（GB50052-1995）指出，容量较大，负荷平稳且经常使用的用电设备无功负荷宜单独就地补偿。故对于企业和厂矿中的电动机，特别是7.5kW及以上投运率高的电动机最好进行无功补偿，自2003年11月份，68配现场电动机无功就地补偿选用ＸＢＱ型补偿器，其特点为损耗低、温升低（产品内部元件采用金属化聚丙烯膜为电介质，自身能量损耗极小，在额定条件下使用时，其损耗仅为0.2瓦/千乏，其箱壳温度仅比环境温度高出35℃）、有自愈功能，且自愈能力强，提高了产品的使用可靠性和寿命；自放电特性，断开电源后3分钟，剩余电压降为50V以下；体积小，重量轻，安装方便，维护简单，投资少。补偿器共计14台，其中：泥浆泵110KW投用6台，洗液泵132KW投用8台，至今全部运行良好；其运行情况如下：
为防止出现因过补而产生的谐振过电压，烧毁电动机，应将电动机空载时的功率因数补偿到接近1。因为电动机空载时的无功负荷最小，补偿后满载的电动机功率因数仍为滞后，这样就避免过补偿现象的发生。从安全角度考虑，补偿功率不应超过电机空载无功功率的90%。将无功就地补偿器同设备一起投切，直接补偿设备本身的无功损耗，功率因数提高至0.97以上，降低无功电流，可以节约有功电量8%～15%,节约无功功率50%～80%，减少电费开支改善供电质量，提高电气设备的正常出力，降低线路损耗。
电动机无功功率就地补偿装置主要的应用范围为单向旋转的负载，如水泵、风机、压风机、球磨机等，不适用于双向旋转的设备，也不适用于频繁点动的设备。
大型高压异步电动机的应用越多越广泛，它们的功率因数一般在0.8-0.85之间，有的甚至在0.7以下，使输配电系统送电能力下降，线路损耗增大，浪费电能。高压电动机无功就地补偿装置如TBBXl型和TBBX2型，与高压异步电动机并联连接，向高压电动机提供励磁所用的无功电流，以改善功率因数，减轻配电变压器的负荷，降低线路和变压器的损耗，提高变配电设备的效能，有明显的节能、改善电机起动、运行性能的功效，经济效益十分显著。
c、人工补偿应用注意事项：
（1）总体平衡与局部平衡相结合，以局部为主。
（2）供电系统补偿与受电设备相结合。
（3）分散补偿与集中补偿相结合，以分散为主。
（4）降损与调压相结合，以降损为主。利用并联电容器进行无功补偿，其主要目的是为了达到无功电力就地平衡，减小网络中的无功损耗，以降低线损。与此同时，也可以利用电容器的分组投切，对电压进行适当的调整。
（5）谐波干扰的问题。电容器本身具备一定的抗谐波能力，但同时也有放大谐波的副作用。谐波含量过大时，会对电容器的寿命产生影响，甚至造成电容器的过早损坏，由于电容器对谐波的放大作用，将使系统的谐波干扰更严重；另外，动态无功补偿柜的控制环节容易受谐波干扰影响，造成控制失灵，因而做无功补偿时必须考虑谐波治理，在有较大谐波干扰，又需要补偿无功功率的地点，应考虑增加滤波装置。
（6）无功功率倒送的问题。无功功率倒送是电力系统所不允许的现象，因为它会增加线路和变压器的损耗，加重线路的负担。
（7）电容器的及时检测及故障处理。
4.结束语
文中集中分析了功率因数对广大工业企业的影响以及提高功率因数的必要性，介绍了影响功率因数的主要因素和提高功率因数的常见方法，根据电气系统的具体情况，适当、合理、可靠的采取无功补偿的方式，确保电气系统及设备的正常运行。
参考文献
工业企业供电，冶金工业出版社，1985年