薛小亮，王繼武，葉祥宇，劉若晨

無錫中糧工程科技有限公司 (無錫 214035)

無功補償設(shè)計是配電系統(tǒng)設(shè)計中不可或缺的組成部分。生產(chǎn)車間設(shè)備的動力來源一般是電動機，通常為三相異步感應(yīng)電動機。三相異步感應(yīng)電動機為感性負載，負載電流滯后于電壓，會降低配電系統(tǒng)的功率因數(shù)，在視在功率不變的情況下降低電源的供電能力，同時增加輸電線路損耗。根據(jù)《全國供用電規(guī)則》及各地供電局的規(guī)定，新用電單位功率因數(shù)低于規(guī)定值，供電局可拒絕接電。用電單位功率因數(shù)長期低于規(guī)定值，可能面臨供電局的處罰。因此，無功功率補償是配電設(shè)計中不可或缺的組成部分。

目前無功功率補償設(shè)計通常根據(jù)負荷計算確定補償容量，再根據(jù)補償容量選擇補償器件即并聯(lián)電容器的規(guī)格型號。在設(shè)計過程中，有兩個冷門參數(shù)會影響無功功率的估算，影響配電系統(tǒng)的最終使用效果，但由于它們不是直接相關(guān)的參數(shù)，所以容易被忽視。這兩個參數(shù)分別是電機負載率和補償電容器的額定電壓。

1 電機負載率對無功補償容量的影響

隨著社會進步和產(chǎn)品需求量的不斷增加，同時也為了體現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)，使得生產(chǎn)設(shè)備的額定產(chǎn)量不斷變大，所配備的動力即電機功率也隨之不斷增大。一方面，電機功率放大一點對整個設(shè)備造價的影響不大，設(shè)備的產(chǎn)量關(guān)系到整條生產(chǎn)線的產(chǎn)量，因此設(shè)備廠家在配備電機時從不“吝嗇”；另一方面，設(shè)備產(chǎn)量也關(guān)系到設(shè)備的性能口碑，為了應(yīng)對偶爾過載裕量或者用戶的增產(chǎn)需求，設(shè)備廠家也有意識的增加設(shè)備電機的規(guī)格，如銘牌額定產(chǎn)量500 t/h的設(shè)備實際可以運行到550 t/h甚至600 t/h。這樣導(dǎo)致的結(jié)果是，電機的額定功率相對于實際負載需求增加較多，實際生產(chǎn)時電機的負載率較低。

電動機的負載率是電機的實際輸出功率占額定輸出功率的比值，輸出功率是指有功功率，就是電機實際將電能轉(zhuǎn)換為機械能的功率。三相異步感應(yīng)電動機正常工作，除了需要有功功率還需要無功功率，無功功率是為了建立旋轉(zhuǎn)磁場所必須的勵磁電流產(chǎn)生的功率，它的數(shù)值主要取決于電動機的設(shè)計參數(shù)，也受到電源電壓的影響，與負載大小無關(guān)。電動機在相同電壓下，空載運行和滿載運行的無功功率相同。因此，電機運行時負載率的高低與無功功率的大小沒有關(guān)系。

Qe是電動機在任何工作狀態(tài)下(無論輕載或者滿載)均需滿足的無功功率數(shù)值。在沒有無功補償?shù)淖匀磺闆r下，Qe全部由電源電網(wǎng)提供，但電網(wǎng)中無功功率過多將拉低電網(wǎng)的功率因數(shù)，影響電網(wǎng)電能質(zhì)量，因此供電局要求各用電單位接入電網(wǎng)的功率因數(shù)不能低于0.9。大部分用電單位，需在自己的配電系統(tǒng)中設(shè)置無功補償裝置進行無功補償，無功補償裝置為配電系統(tǒng)提供了一部分無功功率，從而減少了從外部電源電網(wǎng)獲取的無功功率，提升配電系統(tǒng)的整體功率因數(shù)。

“大馬拉小車”對于滿足生產(chǎn)要求沒有問題，但對配電系統(tǒng)的無功補償容量的要求卻提高了，由于無功補償與日常生產(chǎn)的關(guān)系，不像運行電流、電壓這類硬性指標(biāo)一樣直接相關(guān)，如電流超過設(shè)定值斷路器會直接跳閘使生產(chǎn)中斷，所以配電系統(tǒng)內(nèi)無功補償容量不足常常被忽略，只有功率因數(shù)不合格被供電局警告處罰、或者補償電容器長期使用壽命縮短明顯縮短，才會引起電工的注意。

筆者在一次對客戶的回訪時，溝通中得知車間生產(chǎn)基本正常，就是最近兩三年無功補償柜電容器使用壽命較短，更換比較頻繁，而且功率因數(shù)時常比較低，電容器已經(jīng)全部投切仍然無法將功率因數(shù)提高到合格數(shù)值。該車間生產(chǎn)多種產(chǎn)品，不同產(chǎn)品對主機設(shè)備的動力要求不一樣，個別產(chǎn)品的動力需求較大，其他產(chǎn)品動力需求略小，所以綜合考慮，將部分主機設(shè)備加大了電動機功率。日常生產(chǎn)時，出現(xiàn)這樣的情況：生產(chǎn)動力需求大的產(chǎn)品時，各主機設(shè)備電動機的負載率較高；生產(chǎn)動力需求小的產(chǎn)品時，各主機設(shè)備電動機的負載率較低。電動機在負載率較低的情況下工作時，為了使配電系統(tǒng)功率因數(shù)滿足指標(biāo)要求，所需的無功補償容量更大，無功補償電容器長時間投入工作，不能正常輪換休息，電容器的使用壽命就縮短了。

2 補償電容器額定電壓對無功補償容量的影響

無功補償容量相同的電容器，額定電壓越高，實際工作時輸出的無功補償容量反而越小。因為電容器銘牌標(biāo)稱的額定無功補償容量是其在額定電壓下的補償容量，而電容器的額定電壓通常高于正常工作電壓，因此電容器正常工作時的補償容量通常小于額定補償容量，而且額定電壓與實際工作電壓差值越大，電容器補償容量就“縮水”越明顯。

電容器無功補償容量的計算公式為：

Q=2πfCU2

式中：Q表示電容器的功率，var；f為系統(tǒng)頻率，50 Hz/60 Hz；C為電容器容量，F(xiàn)；U表示系統(tǒng)電壓，V。由公式可知，同樣電容容量的電容器，工作電壓越高，能提供的無功補償容量越高。無功補償電容器銘牌上的額定無功補償容量Q，是指在標(biāo)稱額定電壓下的無功補償容量。假設(shè)一個電容器銘牌標(biāo)識額定補償容量為50 kvAR，額定電壓為525 V，則當(dāng)該電容器工作在400 V電力系統(tǒng)時，實際輸出的補償容量只有。可見補償電容器，在相同的額定補償容量(或成為裝機容量)下，額定電壓越高，在400 V的電力系統(tǒng)中，實際輸出的無功補償容量(或稱為輸出容量)越小。無功補償電容器常見的額定電壓有400 V、450 V、480 V和525 V等，通常額定電壓越高的電容器價格更貴，給人一種性能指標(biāo)數(shù)值越高的產(chǎn)品性能越好的慣性錯覺。因此，在選用無功補償電容器時，我們不能想當(dāng)然或者被供貨商“忽悠”，一味選用性能指標(biāo)數(shù)值高、價格高的產(chǎn)品，而是應(yīng)該根據(jù)需要選用性能合適的產(chǎn)品。一般普通的場合，額定電壓480 V的無功補償電容器已經(jīng)能滿足使用需要。如果確實對產(chǎn)品耐壓有更高要求，需要選用額定電壓更高的電容器，就需要復(fù)核好電容器在實際工作電壓下的實際輸出無功容量，以免出現(xiàn)補償容量不夠的情況。

3 結(jié)語

本文所討論的兩個參數(shù)對無功補償容量影響的內(nèi)容，在《工業(yè)與民用供配電設(shè)計手冊》中有提及，但僅說明了結(jié)論，沒有詳細分析和計算推導(dǎo)過程，特別是負載率對無功補償?shù)挠绊?。無功補償是配電設(shè)計中重要的一部分，關(guān)系到配電系統(tǒng)規(guī)范安全可靠的運行。隨著生產(chǎn)力發(fā)展，電力應(yīng)用規(guī)模在不斷的迅速的擴大，安全用電的要求將會越來越嚴(yán)格，希望電氣技術(shù)人員和用戶能更加重視安全用電。