无功功率计算及补偿装置选用

无功功率计算及补偿装置选用
摘要：石化企业电网中感性负载较多，例如异步电机、变压器等。

电动机作为旋转负荷，需要一部分电流建立励磁磁场，该电流称为励磁电流，这部分电流产生的功率为无功功率，从而导致功率因数较低。

因此电网中通常装有无功补偿装置改善电能质量、降低网络损耗。

无功补偿设备通过自身容性无功补偿系统感性无功，能够起到提高功率因数、加大电机出力、降低电网损耗等作用。

提高功率因数的作用包括减少线路中的总电流、减少设备投资、改善电能质量、增加系统裕度、增加负载容量、减少电费支出等。

本文介绍了无功补偿原理、无功补偿方式、补充容量计算方法，并以“供风变电所高压无功补偿”为例详述补偿量的计算方法。

关键词：无功补偿；电容器；功率因数；电抗器
引言石化企业主要用电设备为空压机、各类风机、泵类等感性负载，这些感性设备在生产运行时要吸收大量的无功功率。

而无功功率的增加会造成企业供配电系统功率因数降低，从而出现供配电系统电压下降、电机等设备效率降低、线路损耗增加以及供配电系统供电能力下降等情况。

因而进行无功功率补偿，提高供配电系统功率因数对化工企业节能降耗有着极其重要的意义。

1 无功补偿原理
造成功率因数低的主要原因是电网中的感性负荷，其无功电流相位滞后电压90度，由于容性负荷的无功电流相位超前电压90度，与感性无功电流的相位差180度。

因此可用容性无功电流抵消感性无功电流，缩小功率因数角。

一般情况下，可用电容器来补偿负荷产生的无功电流。

2 无功补偿方法
按照无功补偿装置安装地点进行分类，无功补偿方法包括“集中补偿”和“就地补偿”。

3 补偿量计算方法
在交流电网中，电压与电流向量之间的夹角Φ称为功率因数角，cosΦ则为功率因数。

功率因数的大小反映着电网中有功功率所占比例。

当功率因数大时，有功功率传输的多，无功功率传输的少。

所以在电力传输过程中应尽量提高功率因数，加大有功功率的比例，提高电能传输效率。

3.1无功补偿量
无
功补偿量按（1）式确定：
P-----负载有功功率（kW）
Qc------补偿电容值(kvar)
cosΦ1-----补偿前负载的功率因数
cosΦ2-----补偿后负载的功率因数
3.2 补偿容量的修正
由
于电容器的补偿容量与其额定电压的平方成正比,系统的运行电压比所选用的电容器额定电压会低，需按下式进行修正。

Qc1------（1）式计算补偿电容值(kvar)
Qc2------补偿容量修正值(kvar)
Un1------补偿电容器额定电压(kV)
Un2------系统额定电压(kV)
4 电抗器的选择
由于电容器组的容性负荷性质，很容易与系统中的感性负荷形成一个振荡回路，从而在电容器组投入时产生一个高倍的合闸涌流，对电容器组造成很大的冲击。

因此，在电容器组的设计中应考虑限制涌流和抑制谐波的问题，而合理地配置串联电抗器就能较好地解决这些问题。

4.1 限制涌流
涌
流的理论最大放大倍数为
串联电抗器的电抗值与电容器组的容抗值之比就是该电容器装置的电抗率。

因此，并联补偿电抗器组中串联一定的电抗器，就可以把涌流限制在一定的倍数内，而且只要串联较小电抗值的电抗器，补偿支路的合闸涌流就已经很有限了。

4.2 消除谐波
在讨论谐波与电容器的相互影响时，一方面要认识谐波对电容器组、电抗器的影响和电容器组、电抗器组承受谐波的能力；另一方面，也是更重要的方面要认识电容器组对谐波电流的放大作用。

因此，合理地配置电容器组合电抗器，避免电器参数匹配发生谐振，才能控制其谐波电流放大，保证电容器组和整个电网的安全稳定运行。

4.3 电抗率的计算
设In为谐波电源电流，相对于n次谐波，系统感抗、电抗器感抗、电容器阻抗分别为nXs、nXl、Xc/n,由此可得：
当nXl-Xc/n=0时，即nXl=Xc/n，电容器组支路的阻抗为0时，电容器组支路发生串联谐振，其支路为滤波回路。

当nXl-Xc/n>0时，即nXl>Xc/n，电容器组支路呈现感性时，不会和系统的感性负荷产生谐振而造成谐波放大。

当nXl-Xc/n<0时，即nXl，电容器组支路呈现容性时，将与系统的感性负荷互抵产生并联谐振而造成谐波放大。

令电容器组的电抗率a=Xc/Xl×100%, nXl-Xc/n=0时， =，则电抗
率a=1/。

当系统中谐波电流分量较高时，可能会引起设备过热、噪音增大、继电保护误动作等事件，此时需要在电容器端串联调谐电抗，改善谐波。

若系统中
存在5次谐波，则根据公式“电抗率a=1/”可得理论上理想所需电抗器的电抗率为4%。

在国家标准GB50227-2017《并联电容器装置设计规范》中明确，当谐
波为5次以上时，电抗率宜取4.5%-5%。

5 供风变电所无功补偿计算
5.1 设备容量
1#机2400kW，2#机3800kW机，3#机2000kW、4#机2000kW、循环水泵220kW。

5.2 运行方式
方式一：I段母线1#机+1台水泵（2620kW）、II段母线4#机+1台水泵（2220kW）。

方式二：I段母线3#机+1台水泵（2220kW）、II段母线2#机+1台水泵（4020kW）。

5.3 补偿无功功率
5.3.1 功率因数
补偿前起始功率因数为0.89，要求补偿后目标功率因数至少为0.93。

5.3.2 所需补偿无功
根据公式
代
入补偿前起始功率因数cosφ1=0.89和补偿后目标功率因数cosφ2=0.93，有功
功率最高4020W运行方式情况下，得理想情况下所需无功功率为470.70kVar；而
有功功率最低2220kW运行方式情况下，得理想情况下所需无功功率为
259.93kVar
5.4 实际补偿情况
5.4.1 补偿方案
建议采用输出300kVar+300kVar方案，两组300kVar电容器既可以单独投入，也可以共同投入。

既能满足全部工况运行，又能稳定设备投切带来的电压变化，
降低电压波动对下端设备的冲击。

同时，当系统非满负荷运行时，两路300kVar
可以互为备用，解决某路补偿因长期运行带来的容值衰减问题。

5.4.2补偿后功率因数
将各种运行方式下的有功功率P及电容器的补偿容量Qc代入下式
得
：方式一： I段母线（2620kW）功率因数0.930（投300 kVAR）、0.962（投600 kVAR）；
II段母线（2220kW）功率因数0.936（投300 kVAR）、0.972（投600 kVAR）。

方式二： I段母线（2220kW）功率因数0.936（投300 kVAR）、0.972（投600 kVAR）；
II段母线（4020kW）功率因数0.940（投600 kVAR）。

5.5 电抗器的选择
采用7%电抗率的电抗器，调谐频率为189Hz，可以保证补偿设备安全可以运行。

因现场不能测量，仅能确定含有五次谐波，不能确定是否含有四次谐波。

6%
电抗率，调谐频率为204Hz，四次谐波频率200 Hz，考虑电抗器、电容器容量偏
差问题，需考虑四次谐波谐振隐患。