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(bǔ)償設(shè)計(jì)是配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不可或缺的組成部分。生產(chǎn)車間設(shè)備的動(dòng)力來源一般是電動(dòng)機(jī)，通常為三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)為感性負(fù)載，負(fù)載電流滯后于電壓，會(huì)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(shí)增加輸電線路損耗。根據(jù)《全國(guó)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(zhǎng)期低于規(guī)定值，可能面臨供電局的處罰。因此，無功功率補(bǔ)償是配電設(shè)計(jì)中不可或缺的組成部分。

目前無功功率補(bǔ)償設(shè)計(jì)通常根據(jù)負(fù)荷計(jì)算確定補(bǔ)償容量，再根據(jù)補(bǔ)償容量選擇補(bǔ)償器件即并聯(lián)電容器的規(guī)格型號(hào)。在設(shè)計(jì)過程中，有兩個(gè)冷門參數(shù)會(huì)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(gè)參數(shù)分別是電機(jī)負(fù)載率和補(bǔ)償電容器的額定電壓。

1 電機(jī)負(fù)載率對(duì)無功補(bǔ)償容量的影響

隨著社會(huì)進(jìn)步和產(chǎn)品需求量的不斷增加，同時(shí)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(dòng)力即電機(jī)功率也隨之不斷增大。一方面，電機(jī)功率放大一點(diǎn)對(duì)整個(gè)設(shè)備造價(jià)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(jī)時(shí)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(duì)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(shí)的增加設(shè)備電機(jī)的規(guī)格，如銘牌額定產(chǎn)量500 t/h的設(shè)備實(shí)際可以運(yùn)行到550 t/h甚至600 t/h。這樣導(dǎo)致的結(jié)果是，電機(jī)的額定功率相對(duì)于實(shí)際負(fù)載需求增加較多，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)電機(jī)的負(fù)載率較低。

電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率是電機(jī)的實(shí)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(jī)實(shí)際將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的功率。三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)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(chǎng)所必須的勵(lì)磁電流產(chǎn)生的功率，它的數(shù)值主要取決于電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，也受到電源電壓的影響，與負(fù)載大小無關(guān)。電動(dòng)機(jī)在相同電壓下，空載運(yùn)行和滿載運(yùn)行的無功功率相同。因此，電機(jī)運(yùn)行時(shí)負(fù)載率的高低與無功功率的大小沒有關(guān)系。

Qe是電動(dòng)機(jī)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(bǔ)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(bǔ)償裝置進(jìn)行無功補(bǔ)償，無功補(bǔ)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(duì)于滿足生產(chǎn)要求沒有問題，但對(duì)配電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償容量的要求卻提高了，由于無功補(bǔ)償與日常生產(chǎn)的關(guān)系，不像運(yùn)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(huì)直接跳閘使生產(chǎn)中斷，所以配電系統(tǒng)內(nèi)無功補(bǔ)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(bǔ)償電容器長(zhǎng)期使用壽命縮短明顯縮短，才會(huì)引起電工的注意。

筆者在一次對(duì)客戶的回訪時(shí)，溝通中得知車間生產(chǎn)基本正常，就是最近兩三年無功補(bǔ)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(shí)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(duì)主機(jī)設(shè)備的動(dòng)力要求不一樣，個(gè)別產(chǎn)品的動(dòng)力需求較大，其他產(chǎn)品動(dòng)力需求略小，所以綜合考慮，將部分主機(jī)設(shè)備加大了電動(dòng)機(jī)功率。日常生產(chǎn)時(shí)，出現(xiàn)這樣的情況：生產(chǎn)動(dòng)力需求大的產(chǎn)品時(shí)，各主機(jī)設(shè)備電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率較高；生產(chǎn)動(dòng)力需求小的產(chǎn)品時(shí)，各主機(jī)設(shè)備電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率較低。電動(dòng)機(jī)在負(fù)載率較低的情況下工作時(shí)，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(bǔ)償容量更大，無功補(bǔ)償電容器長(zhǎng)時(shí)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(bǔ)償電容器額定電壓對(duì)無功補(bǔ)償容量的影響

無功補(bǔ)償容量相同的電容器，額定電壓越高，實(shí)際工作時(shí)輸出的無功補(bǔ)償容量反而越小。因?yàn)殡娙萜縻懪茦?biāo)稱的額定無功補(bǔ)償容量是其在額定電壓下的補(bǔ)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(shí)的補(bǔ)償容量通常小于額定補(bǔ)償容量，而且額定電壓與實(shí)際工作電壓差值越大，電容器補(bǔ)償容量就“縮水”越明顯。

電容器無功補(bǔ)償容量的計(jì)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(bǔ)償容量越高。無功補(bǔ)償電容器銘牌上的額定無功補(bǔ)償容量Q，是指在標(biāo)稱額定電壓下的無功補(bǔ)償容量。假設(shè)一個(gè)電容器銘牌標(biāo)識(shí)額定補(bǔ)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(shí)，實(shí)際輸出的補(bǔ)償容量只有?？梢娧a(bǔ)償電容器，在相同的額定補(bǔ)償容量(或成為裝機(jī)容量)下，額定電壓越高，在400 V的電力系統(tǒng)中，實(shí)際輸出的無功補(bǔ)償容量(或稱為輸出容量)越小。無功補(bǔ)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(jià)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(cuò)覺。因此，在選用無功補(bǔ)償電容器時(shí)，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(jià)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(chǎng)合，額定電壓480 V的無功補(bǔ)償電容器已經(jīng)能滿足使用需要。如果確實(shí)對(duì)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(shí)際工作電壓下的實(shí)際輸出無功容量，以免出現(xiàn)補(bǔ)償容量不夠的情況。

3 結(jié)語

本文所討論的兩個(gè)參數(shù)對(duì)無功補(bǔ)償容量影響的內(nèi)容，在《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》中有提及，但僅說明了結(jié)論，沒有詳細(xì)分析和計(jì)算推導(dǎo)過程，特別是負(fù)載率對(duì)無功補(bǔ)償?shù)挠绊?。無功補(bǔ)償是配電設(shè)計(jì)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(yùn)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(kuò)大，安全用電的要求將會(huì)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。