摘要：在工礦企業中,絕大多數的用電設備屬于感性負荷,這些設備在運行中要吸收大量的無功功率，所以，改善工礦企業用電的功率因數是提高用電效率、節約電能的重要手段。本文通過對無功補償原理和補償方式的分析，并結合渤海石油礦區電網的無功補償現狀，利用國內比較先進的動態無功補償技術，提出了改造方案，并就改造后的效益進行了分析。

　　主題詞：動態,無功補償,功率因數,電網,效益

　　一、前言

　　隨著我國電力工業的迅猛壯大，電網逐步擴張，電力負荷增長很快，電網的經濟運行日益受到重視。降低網損，提高電力系統輸電效率和電力系統運行的經濟性是電力系統運行部門面臨的實際問題，也是電力系統研究的主要方向之一。特別是針對始建于1966年的渤海石油礦區，隨著用電量的日益增長和用電結構的變化，使得礦區電網的無功損耗和諧波問題日益突出，為了降低電網損耗，提高功率因數，減小高次諧波對供電系統的影響，延長用電設備的使用壽命，提高系統的供電質量和供電能力，推行動態無功補償是降損節能和保證電能質量的行之有效的方法。

　　二、無功補償的介紹

　　(一)無功補償的原理

　　電感和電容是兩種性質相反的元件，供電系統中的用電設備大多是感性負載，用電容器補償感性負載所需的無功功率，提高系統功率因數，稱之為電容補償，這也是無功補償的原理。

　　(二)無功補償的意義

　　1、補償無功功率，可以增加電網中有功功率的比例常數。

　　2、減少發、供電設備的設計容量，減少投資，例如當功率因數cosΦ=0.8增加到cosΦ=0.95時，裝1Kvar電容器可節省設備容量0.52KW;反之，增加0.52KW對原有設備而言，相當于增大了發、供電設備容量。因此，對新建、改建工程，應充分考慮無功補償，便可以減少設計容量，從而減少投資。

　　3、降低線損，由公式ΔP%=(1-cosф1/cosф2)×100%得出(其中cosф1為補償前的功率因數，cosф2為補償后的功率因數)：

　　補償后，cosф2>cosф1，降低線損率，減少設計容量、減少投資，增加電網中有功功率的輸送比例，都直接決定和影響著供電企業的經濟效益。所以，功率因數是考核經濟效益的重要指標，規劃、實施無功補償勢在必行。

　　(三)電網中常用的幾種無功補償方式

　　1、高壓集中補償

　　高壓集中補償是將高壓電容器組集中裝設在工廠變電所的6-10KV母線上。這種補償方式只能補償6-10KV母線前側線路上的無功功率，母線后側廠內線路的無功功率得不到補償。因此變壓器的視在負荷及變壓器的損耗并沒有少。所以這種補償方式的經濟效果比較差，但這種補償方式的初期投資比較低，且便于集中運行維護，而且能對變電站高壓側的無功功率進行有效的補償，以滿足濱海供電公司對變電站總功率的基本要求。

　　2、分組補償：

　　分組補償是將低壓電容器組集中裝設在工廠變配電所的380V低壓母線上。這種補償方式能夠補償變電所、箱站低壓母線前的變壓器，高壓配電線路及電力系統的無功功率。由于這種補償能使變電所、箱站主變以前的視在功率減小，從而可使主變壓容器容量選的較小，減少變壓器運行的臺數，經濟效益較好。目前我們系統中的終端變電所、室外箱站都采用了這種補償方式。

　　3、低壓就地補償：

　　低壓就地補償，就是將并聯補償電容器組裝設在需要進行補償的用電設備組旁邊。這種補償方式能夠補償安裝位置以前的所有高低壓線路和電力變壓器的無功功率，其補償范圍大，補償效果好，經濟效益佳。相比較而言，這種補償方式投資較前兩種大，但電容器組在補償的用電設備組停機時也將一并被解除。

　　三、動態無功補償裝置改造

　　(一)渤海石油礦區電網現狀及存在的問題

　　渤海石油礦區電網是指港區、濱海、東沽三大片區所轄的供用電系統，包括2座35KV變電站，3座6KV開閉站，14座6KV變電所，其中所屬水電服務公司的9座，其他單位的5座，69座室外箱站(變臺)，其中所屬水電服務公司的42座，其他單位的27座。在建設初期，基本安裝了靜態無功補償裝置，但隨著海洋事業的不斷發展，渤海石油礦區生產型單位業務的不斷擴大，大量的電力電子設備被投入到電網中廣泛使用，使得礦區電網存在以下問題。

　　1、運行年限久，設備老化

　　目前，渤海石油礦區部分室外箱站始建于90年代，原無功補償裝置運行年限長、設施老化、技術性能落后、安全存在隱患，電容容量無法滿足使用要求，補償方式傳統單一。

　　2、部分負荷功率因數很低

　　如海工、涂敷等大用電客戶的負載性質特點，無功補償不到位，造成其功率因數很低，電能損耗大，其負荷的突變性也很大，引起電網電壓波動和閃變，加之產生的諧波造成電網的嚴重污染，致使電網質量下降。

　　3、大量電力電子設備的增加

　　大功率的整流器、變頻器、電焊機以及我們日常應用的變頻空調等設備產生的高次諧波對渤海的電網質量影響較大，無法滿足需要高質量用電單位的使用需求，降低系統的供電能力，影響設備的運行及使用壽命。

　　4、無功補償裝置的投運現狀

　　由于設備老化、損壞、功能缺失、專業管理不到位等原因，部分無功補償裝置已不具備投運條件，不能實現無功補償功能，以港區為例，特別是重要的生產型用電大戶(如：海油工程、涂敷公司等)，無功補償裝置的使用情況較差。

　　《供電營業規則》中規定：100KVA及以上高壓供電的用戶功率因數為0.90以上。據電力部門統計：用戶功率因數在0.7-0.8之間，供電單位向用戶提供每千瓦有功負荷的同時，還必須由電網向用戶提供0.9-0.75KVAR無功，才能維持電網正常運行;電網的無功功率，消耗在輸、配電線路、升、降壓變壓器等供電設備上的占35%，消耗在用戶感性負載上的占65%。

　　以下是我們運行中的一組數據：

　　表1 港區用電大戶運行數據表

　　以上數據顯示，一些配出回路的功率因數均在0.90以下。

　　(二)改造方案

　　鑒于以上原因，我們根據渤海石油礦區電網的無功漏洞及變壓器的容量，來確定所需補償的無功功率的容量，對電網內的部分箱站系統進行無功補償裝置的改造。

　　為了保證整個系統的安全運行，提高系統的功率因數，我們選用TSVC系列低壓動態無功補償裝置，采用差容優化投切：通過不斷測量無功的變化，總是投入功率盡可能大的電容器組。如3×40、3×30、3×20、3×10kvar的電容柜中，在ABC三相中無功至少需40kvar時會立即投入3×40kvar組其中的某相而不是通過10+30來累加，由此減少投切次數，補償精度一步到位。具有很高的投切精度，可以使整個系統(三相中的每一相)在補償后的功率因數達到0.96以上。

　　(三)TSVC系列低壓動態無功補償裝置的技術性能及原理

　　1、技術性能

　　①控制方式采用微型計算機原理、人機對話界面，中英文菜單;

　　②各種顯示功能完美(過壓、欠壓、缺相、功率因素、有功電度、有功功率、無功功率、溫度、頻率、電流、電壓等);

　　③運行保護、兩相失電時，不影響數據的采集、存儲、通訊。對過壓、欠壓、缺相、零序、溫度超限進行及時報警并做出相應動作;

　　④數據通訊：配有RS585和RS232接口，現場采集也可遠程采集;

　　⑤主回路采用電力半導體模塊，實現全無觸點化，控制回路采用CLN脈沖過零觸發，過電流投入，過電流切除;

　　⑥觸發采用光電觸發方式，實現一次系統和二次系統隔離，解決諧波干擾問題;

　　⑦投切電容實現無電流沖擊，無振蕩，無補償呆區;

　　⑧快速動態響應，20ms內實現動態跟蹤補償，補償后的功率因數要求達到0.95以上;

　　⑨無功補償輸出采用△+Y接法，集共補(補償三相)與分補(補償單相)于一體，或是純單相分補，既適用于三相平衡負載，又適用于三相不平衡負載。

　　2、工作原理

　　TSVC系列低壓動態無功補償裝置采用反饋式監測(三相平衡負荷、采集單相信號;三相不平衡負荷、采集三相信號)，以負載的實時無功電流為投切物理量，應用瞬時無功控制理論及網壓支持算法，在10ms內完成信號數據采集、計算及控制輸出;投切可控硅接到投切指令后，在小于10ms內完成零電流投入，投切無涌流，對電網無沖擊，并在主電路和開關中采取措施，對于主回路電容器有預充電的作用，避免了對投切電容器的沖擊，使運行更加穩定、安全、可靠。為保證實時跟蹤投切，整個系統響應時間小于20ms，可滿足快變化負載的需要，實現快速補償。裝置裝有6%鐵芯濾波電抗器，對5次以上諧波系統能按標準抑制和治理又不會發生諧波放大。

　　圖1 TSVC系列動態無功補償裝置原理方框圖

　　圖2 TSVC系列動態無功補償裝置主回路原理圖

　　四、效益分析

　　(一)經濟效益

　　1、降損節能

　　利用無功補償提高功率因數可以降低線路損耗，達到節能的目的。目前，渤海石油礦區電網改造所需補償的容量約為4340kvar，反應在6KV母線上可節省無功電流417A(4340/1.732/6)，按有效利用率60%計算，可節省無功電流約250A。

　　按照無功電流的通過所引起的三相線路有功損耗公式：

　　△P=△P1-△P2=3I12R×10-3-3I22R×10-3=3△I2R×10-3

　　計算，可得：△P=3×2502×R×10-3

　　改造部分影響6KV架空線路總長度約為4000米，截面積為120 mm2，鋁的電阻率p=0.0294Ωmm2/m，按照R=p L/S公式計算，得出：R=0.98

　　△P=3×2502×R×10-3=3×2502×0.98×10-3=183KW

　　即可節省有功功率：183KW

　　一年可節省電量：183×8×260=380640KWh

　　按平均電費1元/KWh計算，每年可節省電費約38萬元。

　　2、節約電費開支

　　根據《功率因數調整電費辦法》中規定，功率因數越高供電線路的功率損耗就越小，功率因數高于0.9以上的就減收電費，減收的百分比最高為1.25%，低于0.9的就加收電費，0.7—0.9之間的每少0.01就加收0.5%的電費，在0.65—0.7之間的每少0.01就加收1%的電費，0.64及以下每降低0.01就加收2%的電費。若功率因數達到0.95以上，將獎勵基本電費與當月用電費用合計的0.75%，此次改造后，功率因數均能保證在0.95以上，以每年用電量7000萬KWh為例，兩座35KV變電站變壓器容量合計為23300KVA，年外購電費為4780萬元，濱海供電公司的補償獎勵金額約為30萬元。

　　3、提高設備供電能力

　　根據表1中681回路的一組數據分析，如果該回路功率因數提高到供電局0.9的要求，那么變壓器的平均負荷電流將減少15%，相當于變壓器提高了15%的供電能力;如果功率因數提高到0.95，那么變壓器的平均負荷電流將減少19%，相當于變壓器提高了19%的供電能力，增大了變壓器的出力，使設備容量不變的條件下，可以少送無功功率，多送有功功率。這樣就能合理配置變壓器容量，避免“大馬拉小車”情況，減少因變壓器配置容量過大而產生的相應變壓器損耗，并可以延緩增容周期，從而減少企業費用支出，使供電部門及用電企業均受益。以35KV變電站增容5000KVA為例，若延緩一年增容，將節省基本電費102萬元。

　　(二)社會效益

　　無功功率的減少，不僅節約企業自身的電費開支，還減少了電網的線損和對上一級變壓器容量的占用，產生的實際經濟效益顯著。而諧波污染的減少，不僅降低了對通訊、自動控制裝置、電能計量和繼電器保護的干擾，而且提高了電網的安全性能和供電質量，保證設備正常工作，有利于安全生產。

　　五、結論

　　經過以上分析，動態無功補償的應用很好地解決了電網質量問題，提高了功率因數，降低了運行成本，適用于工礦企業不斷增長的用電現狀，值得在工礦企業中推廣應用。

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