電網(wǎng)中的電力負(fù)荷如電動(dòng)機(jī)、變壓器等，大部分屬于感性負(fù)荷，在運(yùn)行過(guò)程中需向這些設(shè)備提供相應(yīng)的無(wú)功功率。在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器等無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備以后，可以提供感性電抗所消耗的無(wú)功功率，減少了電網(wǎng)電源向感性負(fù)荷提供、由線路輸送的無(wú)功功率，由于減少了無(wú)功功率在電網(wǎng)中的流動(dòng)，因此可以降低線路和變壓器因輸送無(wú)功功率造成的電能損耗，這就是無(wú)功補(bǔ)償。無(wú)功補(bǔ)償可以提高功率因數(shù)，是一項(xiàng)投資少，收效快的降損節(jié)能措施。
電網(wǎng)中常用的無(wú)功補(bǔ)償方式包括：①集中補(bǔ)償：在高低壓配電線路中安裝并聯(lián)電容器組；②分組補(bǔ)償：在配電變壓器低壓側(cè)和用戶車間配電屏安裝并聯(lián)補(bǔ)償電容器；③單臺(tái)電動(dòng)機(jī)就地補(bǔ)償：在單臺(tái)電動(dòng)機(jī)處安裝并聯(lián)電容器等。
加裝無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，不僅可使功率消耗減小，功率因數(shù)提高，還可以充分挖掘設(shè)備輸送功率的潛力。
確定無(wú)功補(bǔ)償容量時(shí)，應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：①在輕負(fù)荷時(shí)要避免過(guò)補(bǔ)償，倒送無(wú)功造成功率損耗增加，也是不經(jīng)濟(jì)的。②功率因數(shù)越高，每千乏補(bǔ)償容量減少損耗的作用將變小，通常情況下，將功率因數(shù)提高到0.95就是合理補(bǔ)償。
無(wú)功補(bǔ)償具有顯著優(yōu)點(diǎn)：
◎改善電能質(zhì)量
電網(wǎng)中無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的合理配置，與電網(wǎng)的供電電壓質(zhì)量關(guān)系十分密切。合理安裝補(bǔ)償設(shè)備可以改善電壓質(zhì)量。
負(fù)荷(P+JQ)電壓損失ΔU簡(jiǎn)化計(jì)算如下：
ΔU=(PR+QX)/U(1)
式中 U-線路額定電壓，kV
P-輸送的有功功率，kW
Q-輸送的無(wú)功功率，kvar
R-線路電阻，Ω
X-線路電抗，Ω
安裝補(bǔ)償設(shè)備容量Qc后，線路電壓降為ΔU1，計(jì)算如下：
ΔU1=[PR＋(Q－Qc)X]/U(2)
很明顯，ΔU1＜ΔU，即安裝補(bǔ)償電容后電壓損失減小了。由式(1)、(2)可得出接入無(wú)功補(bǔ)償容量Qc后電壓升高計(jì)算如下：
ΔU-ΔU1=QcX/U(3)
由于越靠近線路末端，線路的電抗X越大，因此從(3)式可以看出，越靠近線路末端裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置效果越好。
◎降低電能損耗
安裝無(wú)功補(bǔ)償主要是為了降損節(jié)能，如輸送的有功P為定值，加裝無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備后功率因數(shù)
由cosφ提高到cosφ1，因?yàn)镻＝UIcosφ，負(fù)荷電流I與cosφ成反比，又由于P＝I2R，線路的有功損失與電流I的平方成正比。當(dāng)cosφ升高，負(fù)荷電流I降低，即電流I降低，線路有功損耗就成倍降低。反之當(dāng)負(fù)荷的功率因數(shù)從1降低到cosφ時(shí)，電網(wǎng)元件中功率損耗將增加的百分?jǐn)?shù)為ΔPL%，計(jì)算如下：
ΔPL%＝(1/cos2φ-1)·100%(4) 功率因數(shù)降低與功率損耗增加的百分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系如表1。
1
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功率因數(shù)從1降低到左列數(shù)值 |
0.95 |
0.9 |
0.85 |
0.8 |
0.75 |
0.7 |
0.65 |
|
電網(wǎng)元件中有功損耗增加百分?jǐn)?shù)△PL% |
11 |
23 |
38 |
56 |
78 |
104 |
136 |
功率因數(shù)提高對(duì)降低有功功率損耗的影響見表2。
表2
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功率因數(shù)由右列數(shù)值提高到0.95 |
0.6 |
0.65 |
0.7 |
0.75 |
0.8 |
0.85 |
0.9 |
|
可變有功功率損耗降低的百分?jǐn)?shù) |
60 |
53 |
46 |
38 |
29 |
20 |
10 |
◎挖掘發(fā)供電設(shè)備潛力
(1) 在設(shè)備容量不變的條件下，由于提高了功率因數(shù)可以少送無(wú)功功率，因此可以多送有功功率。可多送的有功功率ΔP計(jì)算如下：
ΔP=P1-P=S(cosφ1-cosφ)(5)
(2) 如需要的有功不變，則由于需要的無(wú)功減少，因此所需要的配變?nèi)萘恳蚕鄳?yīng)地減少ΔS計(jì)算如下：
ΔS＝S-S1＝P(1/cosφ-1/cosφ1)(6)
可以減少供電設(shè)備容量占原容量的百分比為ΔS/S計(jì)算如下：
ΔS/S=(cosφ1-cosφ)/cosφ1=(1-cosφ/cosφ1) (7)
(3) 安裝無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，可使發(fā)電機(jī)多發(fā)有功功率。系統(tǒng)采取無(wú)功補(bǔ)償后，使無(wú)功負(fù)荷降低，發(fā)電機(jī)就可少發(fā)無(wú)功，多發(fā)有功，充分達(dá)到銘牌出力。
◎減少用戶電費(fèi)支出
(1) 可以避免因功率因數(shù)低于規(guī)定值而受罰。
(2) 可以減少用戶內(nèi)部因傳輸和分配無(wú)功功率造成的有功功率損耗，因而相應(yīng)可以減少電費(fèi)的支出。
就三種補(bǔ)償方式而言，無(wú)功就地補(bǔ)償克服了集中補(bǔ)償和分組補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn)，是一種較為完善的補(bǔ)償方式：
（1）因電容器與電動(dòng)機(jī)直接并聯(lián)，同時(shí)投入或停用，可使無(wú)功不倒流，保證用戶功率因數(shù)始終處于滯后狀態(tài)，既有利于用戶，也有利于電網(wǎng)。
（2）有利于降低電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流，減少接觸器的火花，提高控制電器工作的可靠性，延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)與控制 設(shè)備的使用壽命。
無(wú)功就地補(bǔ)償容量可以根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式確定：
Q≤ U I0
式中：Q——無(wú)功補(bǔ)償容量(kvar)
U——電動(dòng)機(jī)的額定電壓(V)
I0——電動(dòng)機(jī)空載電流(A)
但是無(wú)功就地補(bǔ)償也有其缺點(diǎn)：
(1)不能全面取代高壓集中補(bǔ)償和低壓分組補(bǔ)償：
眾所周知，無(wú)功補(bǔ)償按其安裝位置和接線方法可分為：高壓集中補(bǔ)償、低壓分組補(bǔ)償和低壓就地補(bǔ)償。其中就地補(bǔ)償區(qū)域最大，效果也好。但它總的電容器安裝容量比其它兩種方式要大，電容器利用率也低。高壓集中補(bǔ)償和低壓分組補(bǔ)償?shù)碾娙萜魅萘肯鄬?duì)較小，利用率也高，且能補(bǔ)償變壓器自身的無(wú)功損耗。為此，這三種補(bǔ)償方式各有應(yīng)用范圍，應(yīng)結(jié)合實(shí)際確定使用場(chǎng)合，各司其職。
(2)大容量電力電子裝置，就地補(bǔ)償不恰當(dāng)：
隨著大型電力電子裝置的廣泛應(yīng)用，尤其是采用大容量晶閘管電源供電后，致使電網(wǎng)波形畸變，諧波分量增大，功率因數(shù)降低。更由于此類負(fù)載經(jīng)常是快速變化，諧波次數(shù)增高，危及供電質(zhì)量，對(duì)通訊設(shè)備影響也很大，所以此類負(fù)載采用就地補(bǔ)償是不安全，不恰當(dāng)?shù)摹?
因?yàn)椋孩匐娏﹄娮友b置會(huì)產(chǎn)生高次諧波，在負(fù)載電感上有部分被抑制。但當(dāng)負(fù)載并聯(lián)電容器后，高次諧波可順利通過(guò)電容器，這就等效地增加了供電網(wǎng)絡(luò)中的諧波成分。②由于諧波電流的存在，會(huì)增加電容器的負(fù)擔(dān)，容易造成電容器的過(guò)流、過(guò)熱，甚至損壞。③電力電子裝置供電的負(fù)載如電弧爐、軋鋼機(jī)等具有沖擊性無(wú)功負(fù)載，這要求無(wú)功補(bǔ)償?shù)捻憫?yīng)速度要快，但并聯(lián)電容器的補(bǔ)償方法是難以奏效。
(3)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)頻繁或經(jīng)常正反轉(zhuǎn)的場(chǎng)合，不宜采用就地補(bǔ)償：
異步電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流約為額定電流的4～7倍，即使采用降壓起動(dòng)措施，其起動(dòng)電流也是額定電流的2～3倍。因此在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間，與電動(dòng)機(jī)并聯(lián)的電容器勢(shì)必流過(guò)浪涌沖擊電流，這對(duì)頻繁起動(dòng)的場(chǎng)合，不僅增加線損，而且引起電容器過(guò)熱，降低使用壽命。
此外，對(duì)具有正反轉(zhuǎn)起動(dòng)的場(chǎng)合，應(yīng)把補(bǔ)償電容器接到接觸器觸頭電源進(jìn)線側(cè)，這雖能使電容隨電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行而投入。但當(dāng)接觸器剛斷開時(shí)，電容器會(huì)向電動(dòng)機(jī)繞組放電，引起電動(dòng)機(jī)自激產(chǎn)生高電壓，這也有不妥之處。若將補(bǔ)償電容器接于電源側(cè)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)停運(yùn)時(shí)，電網(wǎng)仍向電容器供給電流，造成電容器負(fù)擔(dān)加重，產(chǎn)生不必要的損耗。
為此，對(duì)無(wú)功補(bǔ)償功率較大的電容器，如需接在電源進(jìn)線側(cè)，則應(yīng)對(duì)電容器另加控制開關(guān)，在電動(dòng)機(jī)停運(yùn)時(shí)予以切除。
(4)就地補(bǔ)償?shù)碾娙萜鞑灰瞬捎闷胀娏﹄娙萜鳎?
推廣就地補(bǔ)償技術(shù)時(shí)，不宜直接使用普通油浸紙質(zhì)電力電容器，因?yàn)槠渥杂δ芎懿睿褂弥锌赡墚a(chǎn)生永久性擊穿，甚至引起爆炸，危及人身安全。
電動(dòng)機(jī)并聯(lián)電容器的就地補(bǔ)償，當(dāng)電動(dòng)機(jī)停運(yùn)時(shí)，電容器會(huì)向繞組放電，放電電流會(huì)引起電動(dòng)機(jī)自激產(chǎn)生高電壓。為保證電動(dòng)機(jī)停運(yùn)時(shí)，電容器能可靠放電，應(yīng)設(shè)有放電電路，而普通電力電容器不具備放電電路。同時(shí)其體積大，重量重，安裝使用不方便，所以不宜采用。
為此，就地補(bǔ)償應(yīng)使用金屬化聚丙烯干式電力電容器，或?qū)Ｓ镁偷匮a(bǔ)償裝置。
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