安科瑞 崔庭宇
江蘇安科瑞電器製造有限公司
摘 要：無功功率補償裝置在電力供電系統中處在一個不可缺少的重要位置，在供電系統中起到提高電網功率因數的作用，提高供電效率，改善供電環境。我司動態無功補償裝置適用於頻率50Hz電壓0.4kV電網的無功功率自動補償;它採用了國內一系列領先的技術和最新的元器件，集無功補償、電網監測於一體，不但可以通過投切電容器組來補償電網中的無功損耗，提高功率因數，降低線損，從而提高電網的負載能力和供電質量;同時還能夠實時監測電網的三相電壓、電流、功率因數等運行數據。
關鍵詞： 低壓無功補償;電容器組;功率因數
引 言： 本文從電網無功的產生、功率因數偏低危害，以及無功補償的原理、方式等相關概念出發，結合某廠實際情況淺談安科瑞無功功率補償裝置在0.4kV低壓配電系統中的重要性及應用。
1 無功功率的產生
在交流電路中，由於感性和容性負載的存在，建立電感的磁場和電容的電場都需要電源提供一部分不做機械功的功率，稱之為無功功率。它將電能轉換成另一種形式的能量，不直接消耗電能，這也是各種電氣設備能夠做功的必要條件，並且使這種能量在電網中進行週期性的轉換。電流在容性元件中做功時，電流超前電壓90°，在同一並聯電路中，電容電流與電感電流的方向相反，相位差為180°。
2 功率因數偏低的危害
在供電系統中，由於感性電力負荷的存在，使得系統的自然功率因數較低，如不採用人工補償，以提高系統功率因數，將造成如下不良影響：
(1)降低了發電機的輸出功率，當發電機需提高無功輸出，低於額定功率因數運行時，將使發電機有功輸出降低。
(2)降低了變電、輸電設施的供電能力。
(3)設備及線路損耗增加。設線路電阻為R，則線路損耗為：
這部分損耗就是由無功功率引起的，所以功率因數偏低，導致無功功率增加，自然就增加了線路損耗。如果用戶的功率因數從0.7提高到0.95，功率損失可減少46%，如果功率因數從0.7提高到0.90，則功率損失可減少40%，效果是很明顯的，因此，提高用戶功率因數是節約電能的重大措施。
(4)功率因數愈低，還會使線路及變壓器的電壓降增大。如果是衝擊性無功負載，還會使電網產生劇烈波動，使得用電設備的運行條件惡化，以及供電質量嚴重降低。
可見，提高功率因數不僅對電力系統，而且對企業的經濟運行有著重大意義。工業企業在考慮提高功率因數時，應採用人工無功補償裝置，以提高電力系統的功率因數，改善供電質量。
3 無功補償的原理
3.1 並聯電容器補償
在實際電力系統中，大部分的負載為異步電動機。包括異步電動機在內的絕大部分電氣設備的等效電路可看作電阻R和電感L的串聯電路。
其功率因數為：
給R、L電路並聯接入C之後，電路圖如圖3-1所示，電路的電流方程為：
由圖3-2的相量圖可知，併入電容後，電壓U和電流I的相位差減小了，即供電迴路的功率因數得到了提高。
若併入電容C的容量過大，使得供電電流I的相位超前電壓的相位，這種情況稱之為過補償，其相量圖如圖3-3所示。通常不希望出線過補償的情況，因為這會引起變壓器二次電壓的升高，而且容性無功在電力線路上傳輸同樣會增加電能損耗。還有如果供電線路電壓因此升高，會增大電容器本身的功率損耗，溫升增大，影響電容器的使用壽命。
3.2 諧波對並聯電容器影響以及串抗的必要性
(1)諧波對並聯電容器的直接影響
諧波電流疊加在電容器的基波電流上，使電容器電流的有效值增大，溫升增大，甚至引起過熱而降低電容器的使用壽命或使電容器直接損壞。
諧波電壓疊加在電容器的基波電壓上，不僅使電容器電壓有效值增大，並可能使電壓峰值大大增大，這往往是使電容器損壞的一個主要原因。
(2)並聯電容器對諧波的放大
電容器將諧波電流放大，不僅危害電容器本身，而且會危及電網中的電氣設備，嚴重時會造成損壞，甚至會破壞電網的正常運行。
(3)並聯電容器串入諧波抑制電抗器的必要性
無功補償裝置在存在諧波的情況下做無功補償時，並聯電容器可以串聯諧波抑制電抗器，使其在基波頻率下做無功補償時，在諧波頻率下表現感性，偏移諧振點，避免發生諧振，防止諧波放大。
4 並聯電容器補償無功功率的方式
4.1 高壓集中補償
電容器組集中裝設在企業或地方總壓降變電所的6~10kV母線上， 用來提高整個變電所的功率因數，使該變電所的供電範圍內無功功率基本平衡，可減少高壓線的無功損耗，而且能夠提高本變電所的供電電壓質量。
4.2 分組補償
將電容器組分別裝設在功率因數較低的車間或廠區等終端變配電所高壓或低壓母線上。這種補償方式具有集中補償相同的優點，僅無功補償的容量和範圍相對小些，但是分組補償的效果相對明顯，採用的也較為普遍。
4.3 就地補償
將電容器或電容器組設在異步電動機或電感性用電設備附近，就地進行無功補償，也稱單獨補償。這種方式既能提高用電設備的功率因數，又能改善用電設備的電壓質量，對中、小型設備十分適用。
5 安科瑞無功功率補償裝置方案
5.1 分立元件方案
圖5-1 安科瑞無功補償裝置分立元件方案
圖5-2 分立元件模塊
該方案結構設計緊湊，模塊化設計，不嫌整齊大方，維護方便，整潔美觀，耐老化，抗腐蝕，高壽命。
具有多種補償方式：三相共補、三相分補、共補+分補三種形式。可根據電網的實際情況，兼顧補償效果和成本，選擇合理的補償形式。
此外還具有數據採集和標準通訊接口，實現遠程實時監控和計算機聯網管理。
5.2 智能電容方案
圖5-3 安科瑞無功補償裝置智能電容方案
圖5-4 AZC和AZCL智能電容模塊
AZC和AZCL系列智能電容器是0.4KV、50Hz 低壓配電系統中用於節能、降低線損、提高功率因數和電能質量的新一代無功補償設備。它由智能測控單元、投切開關、線路保護單元、低壓電力電容器等構成。改變了傳統無功補償裝置體積龐大和笨重的結構模式。具有補償效果更好，體積更小，功耗更低，價格更廉，節約成本更多，使用更加靈活，維護更方便，使用壽命更長，可靠性更高等特點，適應了現代電網對無功補償的更高要求。
該系列智能電容器採用LCD液晶顯示器，可實時顯示三相母線電壓、三相母線電流、三相功率因數、頻率、電容器路數及投切狀態、有功功率、無功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等電參量。
6 典型案例的應用
興化市某鑄鋼有限公司，生產現場負載主要是中頻爐和生產電機，配電室有1#、2#、3#變壓器，容量均為1250kVA。從現場工作人員瞭解到：無功需求主要由電機產生，1#、2#、3#變其下電機負載基本相同，之前電容櫃(補償形式均為共補)投切過，發生過補償電容被擊穿燒燬的事故，中頻爐處於保溫狀態使，系統的功率因數偏低，已經被供電局罰了很多款項。
圖6-1 現場測量示意圖
後經我司工作人員在現場正常工況下，對其電能質量進行測量，然後結合現場和對測得數據進行分析，得出主要原因有兩個方面：
第一，原電容櫃其下補償電容未串抗。系統中主要諧波為5、7、11、13次諧波。現場電容櫃未串聯電抗器，純電容型無功補償裝置相對諧波電流為低阻抗通道，因此補償裝置極易放大諧波電流，嚴重時甚至可能與系統產生諧振，造成設備損毀，現場補償電容被燒燬的原因就在於此。
第二，1#變數據中，中頻爐剛開啟時諧波電流182A，到保溫狀態，諧波電流250A，約1.3倍;3#變測量數據，兩臺中頻爐啟動時諧波電流應該在400A左右，而到保溫狀態會超過500A，綜合考慮治理效果和成本，建議1#變選用300A有源濾波器，3#變選用500A有源濾波器進行諧波治理，減小電網諧波，這樣電網諧波對電容櫃的衝擊也會大大降低。
現考慮電容補償這部分的整治，由於該系統5次及以上諧波含量較大，建議對電容櫃進線改造，串聯7%電抗率的電抗(能抑制5次及以上諧波流入電容櫃)。
以3#變測量數據為例，在正常工況下(此時負載以全部開啟，電容櫃未投入)，負載有功總功率P約為680kW，功率因數為
，若要達到目標功率因數
，則需要補償的無功容量為：
由於無功的實際輸出和加在電容兩端的電壓平方成正比：
，串抗之後還有一個與電抗率有關的衰減，這樣要保證360kvar的實際輸出，裝機容量則需：
考慮到電容櫃工作時，電容器組能夠循環工作，避免所有電容器組滿負荷投切，故留有一定裕量，建議變壓器低壓側電容櫃的裝機容量為600kvar。
(1)分立元件方案
配置方案：共補600kvar = 共補50kvar * 12
櫃體尺寸：1000(W)*2200(H)*1000(D)
(2)智能電容方案
配置方案：共補600kvar = 共補50kvar * 12
櫃體尺寸：1200(W)*2200(H)*800(D)
7 結束語
綜上所述，電網無功補償是一項建設性的技術措施，對電網安全、優質、經濟運行有重要作用。電網和負載的特點選擇合理的補償方式是有效補償的關鍵。針對目前電網諧波汙染嚴重的現狀，在做無功補償時一定要選擇合適的裝置，避免諧振和諧波放大的現象,保證電容電抗的壽命和無功補償裝置的補償效果，為客戶創造價值。
【參考文獻】
[1] 安科瑞電氣股份有限公司產品手冊.2013.01.版
[2] 諧波抑制和無功補償.王兆安.機械工業出版社
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