低压无功补偿解决方案——FA62

1.无功补偿概述

无功补偿是借助于无功补偿设备提供必要的无功功率，以提高系统的功率因数，降低电能的损耗，改善电网电压质量。从电网无功功率消耗的基本状况可以看出，各级网络和输配电设备都要消耗一定数量的无功功率，尤其是以低压配电网所占比重最大。为了最大限度地减少无功功率的传输损耗，提高输配电设备的效率，无功补偿设备的配置，应按照“分级补偿，就地平衡”的原则，合理布局。

（1）低压配电网无功补偿的方法

1）随机补偿：随机补偿就是将低压电容器组与电动机并接，通过控制、保护装置与电机同时投切。

2）随器补偿：随器补偿是指将低压电容器通过低压接在配电变压器二次侧，以补偿配电变压器空载无功的补偿方式。

3）跟踪补偿：跟踪补偿是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补偿在大用户0.4kV母线上的补偿方式。适用于100kVA以上的专用配变用户，可以替代随机、随器两种补偿方式，补偿效果好。

（2）无功功率补偿容量的选择方法

无功补偿容量以提高功率因数为主要目的时，补偿容量的选择分两大类讨论，即单负荷就地补偿容量的选择（主要指电动机）和多负荷补偿容量的选择（指集中和局部分组补偿）。

1）单负荷就地补偿容量的选择的几种方法。

①美国：Q_c=（1/3）P_e。

②日本：Q_c=（1/4～1/2）P_e。

③瑞典：

若电动机带额定负荷运行，即负荷率β=1，则：Q_o根据电机学知识可知，对于I_o/I_e较低的电动机（少极、大功率电动机），在较高的负荷率β时吸收的无功功率Q_β与激励容量Q_o的比值较高，即两者相差较大，在考虑导线较长，无功当量较高的大功率电动机以较高的负荷率运行方式下，此式来选取是合理的。

按电动机额定数据计算：

Q=k（1-cos2_e）3U_eI_e×10^-3（kvar）式中，k为与电动机极数有关的一个系数（k值为0.7、0.75、0.8、0.85、0.9）；极数为2、4、6、8、10。

考虑负荷率及极对数等因素，按上式选取的补偿容量，在任何负荷情况下都不会出现过补偿，而且功率因数可以补偿到0.90以上。此法在节能技术上广泛应用，特别适用于I_o/I_e比值较高的电动机和负荷率较低的电动机。但是对于I_o/I_e较低的电动机额定负荷运行状态下，其补偿效果较差。

2）多负荷补偿容量的选择

多负荷补偿容量的选择是根据补偿前后的功率因数来确定。

对处于设计阶段的企业，无功补偿容量Q_c按下式选择：

Q_c=K_nP_n（tan₁-tan₂）式中，K_n为年平均有功负荷系数，一般取0.7～0.75；P_n为企业有功功率之和；tan₁、tan₂意义同前。tan₁可根据企业负荷性质查手册近似取值，也可用加权平均功率因数求得cos₁。多负荷的集中补偿电容器安装简单，运行可靠、利用率较高。

（3）无功功率补偿的效益

在现代用电企业中，在数量众多、容量大小不等的感性设备连接于系统中，以致电网传输功率除有功功率外，还需无功功率。如自然平均功率因数在0.70～0.85之间。企业消耗电网的无功功率约占消耗有功功率的60%～90%，如果把功率因数提高到0.95左右，则无功消耗只占有功消耗的30%左右。减少了电网无功功率的输入，会给用电企业带来效益。

1）节省企业电费开支：提高功率因数对企业的直接效益是明显的，因为国家电价制度中，从合理利用有限电能出发，对不同企业的功率因数规定了要求达到的不同数值，低于规定的数值，需要多收电费，高于规定数值，可相应地减少电费。使用无功补偿不但减少初次费用，而且减少了运行后的基本电费。

2）降低系统能耗：补偿前后线路传送的有功功率不变，P=IUcos，由于cos提高，补偿后的电压U₂稍大于补偿前电压U₁，为分析问题方便，可认为U₂≈U₁从而导出I₁ cos₁=I₂cos₂。即I₁/I₂=cos₂/cos₁，这样线损P减少的百分数为：ΔP%=（1-I₂/I₁）×100%=（1-cos₁/cos₂）×100%当功率因数从0.70～0.85提高到0.95时，由上式可求得有功损耗将降低20%～45%。

3）改善电压质量：以线路末端只有一个集中负荷为例，假设线路电阻和电抗为R、X，有功和无功为P、Q，则电压损失ΔU为：ΔU=（PR+QX）/U_e×10^-3（kV）。两部分损失：PR/U_e→输送有功负荷P产生的；QX/U_e→输送无功负荷Q产生的；配电线路：X=（2～4）R，ΔU大部分为输送无功负荷Q产生的；变压器：X=（5～10）RQX/U_e=（5～10）PR/U_e，变压器ΔU几乎全为输送无功负荷Q产生的。可以看出，若减少无功功率Q，则有利于线路末端电压的稳定，有利于大电动机的起动。

2.ABB无功补偿方案

（1）方案介绍及基本概念

图1 ABB抑制谐波型无功补偿柜

图1所示为ABB无功补偿方案，包括功率因数控制器RVC/RVT，隔离开关熔断器组OS，熔断器式隔离开关XLP，接触器UA及复合开关，电容器CLMD和电抗器R。根据实际客户及应用场合不同，有不同方案可供选择（见表1）。

表1 ABB无功补偿方案客户选型表

（2）串联电抗器的使用

随着电力电子技术的广泛应用与发展，供电系统中增加了大量的非线性负荷，如变频器、UPS、计算机、电弧炉、大型轧钢机、电力机车等，由于它们均以开关方式工作的，会引起电网电流、电压波形发生畸变，从而引起电网的谐波“污染”。如系统中有谐波的存在，在电容器上增加负荷反映为对电流更高的损耗，更高的电流损耗意味着热过载，致使电容的寿命缩短。在并联电容器的回路中串联调谐电抗器是非常有效和可行的方法。串联调谐电抗器的主要作用是抑制谐波和限制合闸涌流，防止谐波对电容器造成危害，避免电容器装置的接入对电网谐波的过度放大和谐振发生。

一般情况下，系统中非线性负荷的容量达到或超过变压器容量的25%时，建议在补偿电容回路中串联电抗器；非线性负荷低于15%，常规的补偿电容即可；当非线性负荷大于60%的情况下，就有必要使用有源滤波器抑制谐波了。(www.xing528.com)

电抗系数P是用来表征LC回路中电容器和电抗器的阻抗关系的参数，即P=XL/XC用百分数表示（常用的电抗系数有7%和14%）。

7%电抗器：主要用于抑制非线性负荷产生的5次及5次以上谐波，这些谐波主要来自三相非线性负荷（如变频器、三相UPS等）。所对应的非调谐频率为189Hz，此频率介于3次与5次谐波频率之间避免系统发生谐振。

14%电抗器：主要用于抑制3次及3次以上谐波，这些谐波主要产生于单相非线性负荷（如计算机、节能灯具等）。对应的非调谐频率为134Hz，调整系统谐振频率到3次以下，避免系统发生谐振。

通过图2可发现，相对于6%、5.67%、5%等电抗器，7%的电抗器离谐振点更远，对谐波电流的抑制能力更强，电容器更不容易过负荷，电容柜也更安全。故从保护电容、保证无功补偿装置安全运行而言，7%的电抗器性能更优于6%、5.67%和5%等电抗器。而且，14%电抗器性能优于12.5%的电抗器。当然，在相对应的目标谐波背景下，电抗系数越小吸收谐波效果越好，但电抗器在这些场合的主要任务还是为了保护电容、保证无功补偿安全运行，解决谐波问题应当由专用滤波器来完成。谐波吸收和电容保护，对于电抗器是相互矛盾的。

图2 电抗-谐波频率曲线

（3）方案优势

1）提供整体方案：主要元件均为ABB公司制造。

2）优质的电容器：三重保护：金属外壳，蛭石，防护等级高。

可自由定制220～1000V，2.5～125kvar的任何电压等级和容量的电容器。

3）功率因数控制器：全中文触摸屏界面，对谐波不敏感。

3.工程应用实例

1）游轮案例（见图3）

图3 游轮案例

使用ABB无功补偿方案后，技术问题得到解决，客户供电系统的成本下降，节约了约10%的燃料。

2）工业挤压生产线案例（见图4）

使用ABB无功补偿方案后，平均功率因数从0.84上升到0.92，通过在线监测电网能量消耗装置可以看出安装滤波器后有功消耗下降了10%～15%。

图4 工业挤压生产线案例

3）体育场馆照明案例（见图5）

图5 体育场馆照明案例

使用ABB无功补偿方案后，线损降低33%，发电机问题得到解决。

4.项目案例-某烟草薄片建设项目

基于对未来发展的战略考虑，在国家烟草专卖局的支持下，该用户决定新建一条造纸法再造烟叶生产线。项目建设主要内容为，购置项目建设用地13万多平方米（200亩），新建各类用房7.47万m²，配置一条2000kg/h的造纸法再造烟叶生产线和一条50kg/h的试验线，配置公用工程及其他设施。项目建设规划如图6所示。

该项目中，用户对电能质量提出非常严格的要求。从降低技术故障，增加生产效率和节能环保三个方面对产品进行考量。在无功补偿柜中要求分相补偿电容器和电抗器。

基于ABB全新的单相电抗器，ABB已能提供完整的混合无功补偿方案（见图7、图8），以保证用户供电系统的功率因数能够满足供电部门的相应要求，同时ABB的PQF有源滤波器通过高效的谐波滤除能力，将各次谐波污染控制在了最低范围之内，以符合国家谐波标准的要求，帮助用户提高系统的稳定性，降低设备故障率。

ABB混合无功功率补偿RCY有效的提升了功率因数，因而解决了三相不平衡问题，并降低了系统运行成本。从能耗上看，提升功率因数可有效降低系统无功功率损耗；谐波治理可有效降低系统中的谐波电流，降低损耗，延长元件寿命，降低整个电网的压力，使用户无需频繁更换元件，从根本上达到节能减排的目的。

图6 某烟草薄片建设项目

图7 ABB无功补偿柜内情况之一

5.结束语

本文对无功功率补偿技术的作用、现状及发展趋势做了较为详细的介绍，不仅有节省投资、节省电力、节省燃煤等作用，同时还可以提高电力系统设备的供电能力，改善电压质量，减少用户电费开支，延缓用户增容改造等作用。同时由实例可见，ABB的无功补偿全套解决方案，产品齐全，且在实际项目中表现优秀，是提高功率因数，改善电网质量的首选方案。

图8 ABB无功补偿柜内情况之二

（作者：ABB（中国）有限公司 陈冉曦）