江苏安科瑞电器制造有限公司 江苏江阴 214405
摘要：随着中国经济的飞速发展，企业对供电的需求与电力设备的质量提出了更高的要求，电力系统运行的经济性与电能质量、无功功率有着密不可分的关系，本文就低压无功功率补偿装置的设计进行了阐述与研究，并介绍了无功功率补偿装置在现场的运用。
关键词：电能质量 无功功率 无功补偿 设计 应用
引言：近年来，随着经济飞速发展，电能质量管理的概念在各大企业中得到了广泛的关注，“用电、用电质量、用电经济”理念深入人心，无功功率补偿作为电能质量管理的重要组成部分，也成为了广大电力人研究的方向。对于无功功率不达标的企业更加是使用了铁腕政策，力率电费也成为了一些用电企业的负担。本文针对此种情况，对低压无功功率补偿装置的设计与选型进行了阐述与分析，并举例说明了低压无功功率装置在现场的运行与应用。
1 有功功率和无功功率
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（机械能、光能、热能）的电功率。
无功功率比较抽象，它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。
视在功率、有功功率、无功功率的关系可以从功率三角形上得出，公式如下所示：
举个实例来说，电动机需要建立和维持旋转磁场，使转子转动，从而带动机械运动，电动机的转子磁场就是靠从电源取得无功功率建立的。变压器也同样需要无功功率，才能使变压器的一次线圈产生磁场，在二次线圈感应出电压。
因此，无功功率不是无用功率，它在电力系统中占据了一个重要的位置。没有无功功率，电动机就不会转动，变压器也不能变压，交流接触器不会吸合。
2 低压无功功率补偿装置简介
低压无功功率补偿装置，在电力供电系统中所承担的作用是提高电网的功率因数，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，供电环境。所以无功功率补偿装置在电力供电系统中处在一个不可缺少的位置。合理的选择低压无功功率补偿装置，可以大限度的减少网络的损耗，使用户用电质量提高。反之，不合理地选择或者使用方法不当，也有可能会造成供电系统电压波动、闪变、谐波放大等多种不可控的因素。
3 无功补偿装置的原理
从功率三角形可以看出，用户的变压器容量（S）是固定的，如果用户的设备需要的无功功率（Q）过大，就会使有功功率（P）的出力减少。这不仅会使得使用电设备不能正常工作，还可能造成线路过载导致设备损坏，此时，就需要对电力系统进行无功功率补偿。
如图1所示，在进行无功功率补偿前，负载的无功功率、有功功率均通过变压器来自于电网，就会导致电网的功率因数降低，电能质量下降，用电效率差。
图2对设备进行了无功功率的补偿，此时设备的有功功率通过变压器来自于电网，而无功功率取自我们的无功补偿设备。假设设备的无功功率均从无功补偿设备提取，此时，从电网侧来看，无功功率（Q）为0，此时的视在功率（S）等于有功功率（P），功率因数为1。此时电网的供电效率是高的，此种情况虽然为理想状态，但在实际运营过程中，只要补偿得当，月平均功率因数达到0.95以上是没有问题的
图1无功补偿前图例 图2无功补偿后图例
4 无功补偿的重要性
一般来说，使用无功补偿装置来提高功率因数的意义体现在两个方面：一是可以减少输电线路上的功率损失；二是可以充分发挥电力设备（如电机、变压器等）的潜力。因为用电电器总是在一定电压和一定有功功率下工作，如果功率因数较低，就要用较大的电流来保障用电器正常工作，输电电流变大，导致线路损耗增加。此外，任何电力设备工作时总是工作在一定的额定电压与额定电流内，超过额定电压值，会威胁设备的绝缘性能；工作电流超过额定值，会使内部温升过高，从而降低了设备的使用寿命。对于一些发电设备而言，功率因数的提高能大大增加效率，例如：一台发电机容量为1500kW，当电力系统的功率因数由0.6上升至0.8时，就可以使实际发电能力提高到3000kW。
5 无功补偿的经济效益
无功补偿的经济效益主要体现在力率电费，力率电费=有功电量×电价×力率电费调整系数。力率电费调整系数根据功率因数的值查表获得。不同基准的力率电费调整系数表见表1和表2。
表1 以0.90为标准值得力率电费调整表
表2 以0.85为标准值得力率电费调整表
对标准值也做出了规定，凡需变压器容量100kVA及以上10kV供电的用户应进行功率因数考核，具体标准如下：
100kVA以上160kVA（不含160kVA）以下的用户，功率因数需达到0.85；
160kVA以上的用户功率因数应达到0.90以上。
用户的功率因数大于标准的减少其当月电费，低于标准的增加其当月电费。
举个例子：某变压器用户的变压器容量为160kVA，采用低压计量，某月改用户消耗有功电量为25000kWH，无功电量为27000kWH，假设电费为0.68元/度。通过调研资料，该变压器的有功变损为1036kWH，无功变损为3790kWH，所以该用户共消耗有功电量26036kWH，消耗无功电量为30790kWH，通过功率三角形或查表可知该用户的功率因数为0.65。通过查表可知该用户力率电费调整系数为+15%，共需收取实际消耗电费25000×0.68为17000元，需加收的力率电费为25000×0.68×0.15为2550元，总计为19550元。
现通过无功功率补偿为该用户将功率因数从0.65提高到0.95，通过查表可知该用户力率电费调整系数为-0.75%，共需收取实际消耗电费25000×0.68为17000元，需加收的力率电费为25000×0.68×（-0.0075）为-127.5元，总计为16872.5元。
从例子中我们可以看出，通过无功补偿能为企业产生很大的经济效益，一般10个月到一年即可收回装备成本，为企业创造收入。
6 无功补偿的选型
6.1容量选型
6.1.1新建项目
新建项目由于现场参数无法确定，为了方便进行快速选型，首先将行业进行分类，各行业所属类别如下表（，是指无功补偿容量，是指变压器容量，是指无功补偿行业系数）：
Ⅰ：系数约为0.3，适用于写字楼、住宅等谐波、无功需求相对较小的场合；
Ⅱ：系数约为0.4，适用于商业、轨道交通等谐波、无功需求相对中等的场合；
Ⅲ：系数约为0.55，适用于重工业、制造业等谐波、无功需求相对较大的场合；
6.1.2改造项目
改造项目一般都需要去现场进行实地测量，根据现场的实际情况，配置相应的无功补偿方案，需测量的要点包括：有功功率、无功功率、视在功率、实际功率因数、目标功率因数、负载状况、电网背景等。其无功补偿装置的容量可通过实际测量后计算获得，以上面那个例子来说，假设补偿前用户变压器为满载状态，该用户变压器容量为160kVA，功率因数为0.65，目标功率因数为0.95，计算如下：
补偿前视在功率为,功率因数，补偿前有功功率为,补偿前无功功率为。
补偿前与补偿后有功功率不变为，目标功率因数，补偿后视在功率为,补偿后无功功率为。
所以，需要补偿的无功功率为。
6.2型号说明
6.3技术参数
7 无功补偿模块式方案
现在，市面上的低压无功功率补偿装置基本上都采取整柜的方式，基本上都属于“一锤子买卖”虽然能够满足用户现场的补偿要求，但在补偿后的维护、容量拓展等方面十分的不便，在用户需要进行改造时需要更换整柜，十分困难。图3为一种无功补偿模块，将一套无功补偿回路，包含：电容、电抗、晶闸管投切开关、熔断器、二次回路整合在一个模块中，在实际使用中，模块与模块之间相互独立，互不干扰，在维护使用中可以按模块进行容量增减与维护。
图3无功补偿模块
8 ANSVC在江苏红柳床单有限公司项目的应用案例
8.1项目简介
工程地址：江苏红柳床单有限公司项目地址位于美丽富饶的江苏省无锡市江阴市，北枕长江，南近太湖，东接常熟、张家港，西连常州，地处苏锡常“金三角”几何中心，交通枢纽便利。平均海拔6米左右，全年温度条件较好，四季分明。江苏红柳床单有限公司占地面积15万平方米，建筑面积12万平方米，该项目共采购了我司2台无功补偿柜和1台有源滤波柜。针对无功补偿，测量了1#变压器出线侧，测量结果见图4，目标功率因数0.98，现场配电系统谐波源主要是变频器和开关电源，谐波频次为3次、5次、7次、11次是典型的6n±1次特性谐波，通过ANAPF有源滤波器进行治理，保护电容器。测量示意如图5：（黑圈为测量点）。
图4 无功补偿现场测量结果
图5 现场测量示意图
8.2 无功补偿容量计算
补偿前视在功率为,功率因数，补偿前有功功率为,补偿前无功功率为。
补偿前与补偿后有功功率不变为，目标功率因数，补偿后视在功率为,补偿后无功功率为。
所以，需要补偿的无功功率为。
由于考虑到实际补偿容量与标称补偿容量的区别，考虑到现场只能安放深度为800mm的柜子，所以选择配置一台350kvar主柜和一台350kvar辅柜，共700kvar。
8.3 现场使用情况
图5 现场安装图
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