高 雪 華陸工程科技有限責(zé)任公司 西安 710065

化工企業(yè)的用電負(fù)荷中，存在大量的異步電動機負(fù)載，感性負(fù)載占很大比例。由于供電系統(tǒng)中有諸多感性負(fù)載的工作，使得供配電系統(tǒng)的功率因數(shù)滯后，通常為0.75~0.85。

電力系統(tǒng)中的變壓器、電動機等設(shè)備要正常運行必須從電力系統(tǒng)吸收無功功率，以建立交變的磁場[1]。若電力系統(tǒng)中無功功率消耗增加，會造成電壓損失增大、電網(wǎng)有功損耗增大等問題。因此，需要對供電系統(tǒng)負(fù)荷側(cè)進行無功功率補償，以維持無功電源和無功負(fù)荷的平衡，保證供配電系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

化工企業(yè)供配電系統(tǒng)的無功功率補償一般有以下幾種優(yōu)點：

（1）降低企業(yè)的電費[2]。降低配電系統(tǒng)的無功功率消耗，提高供配電系統(tǒng)的功率因數(shù)，在同等工況下，會使電能消耗更小，從而大幅節(jié)約電能，提高工廠的經(jīng)濟效益。

（2）減少電壓的損失。過大的無功功率消耗會造成電壓損失過大，影響廠內(nèi)其他用電設(shè)備的正常電壓供給和正常運轉(zhuǎn)。對無功功率進行補償，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，可以穩(wěn)定系統(tǒng)的電壓，使生產(chǎn)設(shè)備穩(wěn)定運行，從而提高生產(chǎn)效率。

（3）增加變壓器的可利用容量[3]。工廠供配電系統(tǒng)在進行無功功率補償之后，會在一定程度上減小用電負(fù)荷的視在功率，從而使變壓器能夠降低負(fù)荷率，相同的容量下可以承擔(dān)更多的負(fù)荷，對于整個工程來說有更好的經(jīng)濟性。

綜上所述，需要對全廠供配電系統(tǒng)的功率因數(shù)展開合理補償， 以保證供配電系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、正常的運轉(zhuǎn)。根據(jù)《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（GB 50052—2009），用戶端的功率因數(shù)值不宜低于0.9。

1 無功補償?shù)姆绞?/h2>

無功功率補償裝置通常有串聯(lián)補償裝置、同步調(diào)相機、并聯(lián)電容補償裝置和靜態(tài)補償裝置幾種類型。

串聯(lián)補償是一種將無功補償裝置通過串聯(lián)的方式接入線路進行無功補償?shù)募夹g(shù)。在實際工程中，通常由固定式和可控式兩類相互配合，共同構(gòu)建一套串聯(lián)補償系統(tǒng)。串聯(lián)補償技術(shù)可以補償線路的分布電感，以提高系統(tǒng)的靜、動態(tài)穩(wěn)定性，改善線路的電壓質(zhì)量、加長送電距離和增大輸送能力。

同步調(diào)相機是一種特殊運行狀態(tài)下的同步電機，在電網(wǎng)電壓下降時，能根據(jù)系統(tǒng)的需要，自動地增加無功輸出；在電網(wǎng)電壓上升時，能夠吸收無功功率，以維持電壓，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，改善系統(tǒng)供電質(zhì)量。由于同步調(diào)相機經(jīng)常運行在過勵狀態(tài)，勵磁電流較大，損耗也比較大，發(fā)熱比較嚴(yán)重，現(xiàn)已很少使用。

靜止式無功補償裝置，又稱SVC，由于具有可以平滑連續(xù)調(diào)節(jié)無功補償量的特點，在高壓輸電系統(tǒng)中獲得一定的應(yīng)用。

在化工廠的110 kV及以下的供配電系統(tǒng)中，主要的無功補償方式為裝設(shè)并聯(lián)電容補償裝置，即在高低壓母線上或變壓器低壓側(cè)裝設(shè)并聯(lián)電容器，以提高供配電系統(tǒng)的功率因數(shù)。

2 無功補償電容容量的計算

在實際的配電設(shè)計中，電容的補償容量通常有以下兩種計算方法：

2.1 按技術(shù)要求計算補償容量

2.1.1 按最大負(fù)荷計算補償容量[4]

補償容量為：

式中，Q為補償容量，kvar；Pc為最大負(fù)荷有功功率，kW；Qc為最大負(fù)荷無功功率，kvar；qc為無功功率補償率，kvar/ kW；tanφ1為最大負(fù)荷功率因數(shù)角正切值；tanφ2為要求達到的功率因數(shù)角正切值。

由于每年用戶最大負(fù)荷出現(xiàn)的時間較短，按這種方法計算的補償容量通常會偏大。

2.1.2 按提高電壓要求計算補償容量

式中，Q為補償容量，kvar；ΔU為補償后變電站母線電壓升高值，kV；Ub為補償前變電站母線電壓，kV；XL為該變電站送電線路的感抗值，Ω。

2.2 按經(jīng)濟要求計算電容器容量

2.2.1 按平均負(fù)荷計算的補償容量

式中，Q為補償容量，kvar；Pc為最大負(fù)荷有功功率，kW；Qc為最大負(fù)荷無功功率，kvar；qc為無功功率補償率，kvar/ kW；αav為年平均有功負(fù)荷系數(shù)；βav為年平均無功功率系數(shù)；tanφ1為平均功率因數(shù)角正切值；tanφ2為要求達到的功率因數(shù)角正切值。

2.2.2 確定按經(jīng)濟要求達到的功率因數(shù)

由于涉及諸多因素，計算困難，可以根據(jù)降壓次數(shù)和發(fā)電成本取值。

3 電纜電容對電動機自然功率因數(shù)的影響

通常，在實際的負(fù)荷計算中，無功功率補償容量的計算僅考慮了電動機的功率，并未考慮電纜線路的功率，由此計算出的補償容量通常與實際投入的補償容量有一定偏差。

下方是計及電纜電容后的補償計算，以對比電纜線路電容對功率因數(shù)的影響。計算過程如下：

電纜的感抗為：

電纜的容抗為：

電纜消耗的無功功率為：

電機系統(tǒng)的功率因數(shù)為：

式中，XL為電纜的感抗（三相電纜），Ω；XC為電纜的容抗（三相電纜），Ω；ω為交流電的角頻率，rad/s；f為交流電的頻率，Hz，這里取f= 50Hz；L為電纜的電感，H；C為電纜的電容，F(xiàn)；Q為電纜的無功功率，kvar；I為線路的額定電流，A；cosφ為功率因數(shù)；Pe為負(fù)荷的額定有功功率，kW；Qe為負(fù)荷的額定無功功率，kvar。（其中，L和C的值參考電纜樣本。）

以下為考慮電纜電容后，單臺10kV電動機功率因數(shù)變化的計算。

選取實際項目中常見的幾種電動機功率、電纜型號及規(guī)格。電纜型號選取為“ZA-YJV-8.7/10kV-”，供電距離選取1 km和1.5 km兩組進行對比，電動機的功率因數(shù)取0.8。在計算時，考慮電纜無功功率的影響后，功率因數(shù)計算結(jié)果見表1、表2。

表2 供電距離為1.5km時電纜電容對電動機功率因數(shù)的影響

由表1、表2計算結(jié)果可以看出，考慮電纜無功功率的影響后，電動機系統(tǒng)計算出的功率因數(shù)會提高。具體影響如下：

（1）電動機功率越大，電纜截面越大，功率因數(shù)提高越多。

（2）供電距離一定時，對于相同截面規(guī)格的電纜，電動機功率越大，功率因數(shù)提高越多。

（3）對于相同功率的電動機，供電距離越長，無論電纜截面是否放大，功率因數(shù)提高都會變小。

在考慮電纜電容的情況下，對無功功率補償容量的計算結(jié)果會有一定的影響。具體計算結(jié)果見表3。

表3 考慮電纜電容的情況下，無功功率補償容量的計算結(jié)果比較

在實際工程項目中，電動機功率因數(shù)和需要補償?shù)墓β室驍?shù)要求會有所不同，分析計算的結(jié)果也會有所不同，但電纜電容對補償計算的影響是存在的。

4 結(jié)語

根據(jù)以上計算和分析的結(jié)果，在計算系統(tǒng)的補償容量時，若考慮電纜電容的影響，計算結(jié)果會有一定的差別。由于電纜電容的補償效果，系統(tǒng)的功率因數(shù)值會變大，且功率因數(shù)值的變化也會受到電纜截面和供電距離的影響。

綜上所述，在大型化工裝置中，經(jīng)常會有大量的高壓電機，有時總?cè)萘繒袛?shù)萬千瓦，在電容補償?shù)脑O(shè)計計算中，若考慮電纜電容對系統(tǒng)的影響，可提高計算的功率因數(shù)，減少所需要的無功補償容量，節(jié)約相關(guān)設(shè)備投資。由于在化工企業(yè)的配電設(shè)計中，計算負(fù)荷通常會高于實際負(fù)荷，無功補償?shù)挠嬎阒低ǔ６紩?。因此，更精確的無功補償計算在實際應(yīng)用中確有必要。