详解功率因素与电容补偿的应用
品慧电子讯在交流电路中，电压与电流之间的相位差(Φ)的余弦叫做功率因数。用符号cosΦ表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即cosΦ=P/S功率因数的大小与电路的负荷性质有关， 如白炽灯泡、电阻炉等电阻负荷的功率因数为1，一般具有电感或电容性负载的电路功率因数都小于1。
在交流电路中，电压与电流之间的相位差(Φ)的余弦叫做功率因数。用符号cosΦ表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即cosΦ=P/S功率因数的大小与电路的负荷性质有关， 如白炽灯泡、电阻炉等电阻负荷的功率因数为1，一般具有电感或电容性负载的电路功率因数都小于1。功率因数是电力系统的一个重要的技术数据。功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大，从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。所以，供电部门对用电单位的功率因数有一定的标准要求。
(1) 最基本分析：拿设备作举例。例如：设备功率为100个单位，也就是说，有100个单位的功率输送到设备中。然而，因大部分电器系统存在固有的无功损耗，只能使用70个单位的功率。很不幸，虽然仅仅使用70个单位，却要付100个单位的费用。在这个例子中，功率因数是0.7 (如果大部分设备的功率因数小于0.9时，将被罚款)，这种无功损耗主要存在于电机设备中(如鼓风机、抽水机、压缩机等)，又叫感性负载。功率因数是马达效能的计量标准。
(2) 基本分析：每种电机系统均消耗两大功率，分别是真正的有用功(叫千瓦)及电抗性的无用功。功率因数是有用功与总功率间的比率。功率因数越高，有用功与总功率间的比率便越高，系统运行则更有效率。
(3) 高级分析：在感性负载电路中，电流波形峰值在电压波形峰值之后发生。两种波形峰值的分隔可用功率因数表示。功率因数越低，两个波形峰值则分隔越大。保尔金能使两个峰值重新接近在一起，从而提高系统运行效率。
电容补偿的应用
随着国家经济的发展和人民生活水平的提高，大量的居住楼盘、高档商场、宾馆、办公楼等民用建筑在城市中拔地而起，使城市用电量快速增长。但是，在这些民用建筑场所内使用的多为单相电感性负荷，因其自身功率因数较低，在电网中滞后无功功率的比重较大。为保证降低电网中的无功功率，提高功率因数，保证有功功率的充分利用，提高系统的供电效率和电压质量，减少线路损耗，降低配电线路的成本，节约电能，通常在低压供配电系统中装设电容器无功补偿装置。主要通过设计工作中所遇到的具体工程对无功自动补偿的方式和安装位置作出了分析和比较。
１分相自动补偿的必要性
无功自动补偿按性质分为三相电容自动补偿和分相电容自动补偿。
三相电容自动补偿适用于三相负载平衡的供配电系统。因三相回路平衡，回路中无功电流相同，所以在补偿时，调节无功功率参数的信号取自三相中的任意一相，根据检测结果，三相同时投切可保证三相电压的质量。三相电容自动补偿适用于有大量的三相用电设备的厂矿企业中。
在民用建筑中大量使用的是单相负荷，照明、空调等由于负荷变化的随机性大，容易造成三相负载的严重不平衡，尤其是住宅楼在运行中三相不平衡更为严重。由于调节补偿无功功率的采样信号取自三相中的任意一相，造成未检测的两相要么过补偿，要么欠补偿。如果过补偿，则过补偿相的电压升高，造成控制、保护元件等用电设备因过电压而损坏；如果欠补偿，则补偿相的回路电流增大，线路及断路器等设备由于电流的增加而导致发热被烧坏。这种情况下用传统的三相无功补偿方式，不但不节能，反而浪费资源，难以对系统的无功补偿进行有效补偿，补偿过程中所产生的过、欠补偿等弊端更是对整个电网的正常运行带来了严重的危害。
据有关资料介绍，某地综合楼是集商场、银行、办公、车库、宾馆为一体的一类高层建筑，总建筑面积3.2万m2。主要用电设备有空调机组、水泵、风机及照明灯具等，其中照明灯具均为单相负荷，功率因数在0.45-0.75之间。低压有功计算负荷2815KW，其中，照明用电有功负荷1086.5kw，其它负荷基本为空调、风机、水泵、电梯等三相负荷。补偿前无功功率3182kvar，若整体功率因数补偿到0.92，需补偿1982kvar，补偿后无功功率1200kvar。原设计采用低压配电室并联电容器组三相集中自动补偿，工程竣工投入使用后，经常出现仪器、灯具等用电设备烧坏或不能正常使用等情况，影响正常经营和工作。经现场测试，发现低压馈线回路三相负荷不平衡，差距很大，电流差异大，最大相电流差为900A；检测母线电压，三相母线电压有的高达260V，有的低到190V。通过分析是三相电容自动补偿造成的结果。
对于三相不平衡及单相配电系统采用分相电容自动补偿是解决上述问题的一种较好的办法，其原理是通过调节无功功率参数的信号取自三相中的每一相，根据每相感性负载的大小和功率因数的高低进行相应的补偿，对其它相不产生相互影响，故不会产生欠补偿和过补偿的情况。
该装置的控制模块和数据采集模块采用新型单片机和大规模集成电路，开关模块采用大功率晶闸管，实现电容器组的零电压投入和零电流切除，无合闸浪涌电流冲击，无火花和谐波干扰。产品特点如下：
⑴实现了控制模块的数字化和智能化，开关执行单元无触点，确保了控制精度和运行的可靠性；
⑵全自动分相、分级按需补偿；
⑶可灵活设定过压、欠压、欠流延时等参数，具有完善的越限报警和过压、欠压、缺相、缺零、谐波越限保护缩闭功能，保证系统安全运行；
⑷实时数字式测量、显示电网中的主要参数：功率因数、电压、电流、谐波电压及电流、有功功率及电度、无功功率及电度等；
⑸带有谐波分析，测量总的谐波失真（THD）以及1～31次谐波电压及电流，为治理谐波提供准确的数字依据；
⑹采用“自愈式”电容器，具有使用寿命长、可靠性强、温升小、无需专门散热装置等优点；
⑺具有数据采集功能和标准的通信接口（RS232），可实现远程实时监测和计算机联网管理；
⑻采用模块化结构设计，易于维护和升级。
从上述产品的功能可以看出，智能三相自动无功补偿能自动检测各相负载的功率因数，同时自动分相投入各相所需的电容补偿量，以使各相的无功功率补偿达到最佳状态，对于大量使用单相用电负荷，易产生三相不平衡的用电单位如住宅小区、宾馆、饭店、大型商场等民用建筑的配电系统有改善功率因数、提高电网效率、改善电压质量、节约用电、增大变器有功容量等显著效果，较大程度满足了“电网绿化”的要求。
2分组电容自动补偿的应用在低压电网中大量的用电设备为电感性，尤其是在大面积、大开间的商场、办公楼等日常生活和办公场所，大都会采用发光效果好的荧光灯进行人工照明。荧光灯具有光效好、寿命长、无污染等特点，属绿色光源。目前，民用建筑工程中大量使用电感型镇流器荧光灯，压它具有成本低、寿命长、维修工作量少、投资少等优点，但其启动时间长，功率因数低，约为0.5～0.6，自身损耗大，加大了供配电系统网络损耗，造成了能源的浪费。
通过电容补偿的方式来解决大面积商场、办公楼的感性负荷功率因数低的问题是目前设计中常用的方法。
我们在设计中通常的做法有两种：在变配电所设置集中高压或低压补偿柜，对系统前端进行补偿，虽能满足供电部门对并网功率因数的要求，但对以下各级分支电路不作补偿，因此低压配电线路中无功电流大，从而造成线路截面和配电开关容量不能减小，且不能保证整个低压系统的供电质量；另一种做法是在每台用电设备或每盏照明灯具内设置电容器个别单独进行补偿，这种方式效果较好，对于厂矿企业使用的单台大容量用电设备比较适用，但对于大型商场等民用建筑来说，补偿投资成本太大，性价比低，安装分散，造成后期维修量大、维修困难，且电容器利用率低，实际应用并不理想，所以很少采用。
在目前低压补偿电容器技术和制造质量、自动投切装置有了很大提高的前提下，笔者认为在这类民用建筑的配电系统中分组设置补偿电容，即根据建筑使用功能分区，用电较集中、电气设备功率因数较低的配电箱处设置电容补偿装置较为适宜。
分组补偿可提高设备利用率，减少配电系统容量
视在功率S=，由此可知在有功功率不变的前提下，提高功率因数可降低无功功率，减小配电系统的容量。
当功率因数由0.65提高到0.92时，设备利用率为：
η＝×100％＝×100％＝29.35％
即补偿后设备利用率提高了29.35％。
在选用型号及截面相同的电缆时，减少了线路损耗
根据公式：Ｉ＝，线损P＝12R，则：
ΔＰ＝２Ｒ－２Ｒ
η＝＝×100％＝×100％＝50.08％
即补偿后线路损耗降低了50.08％。
2分组补偿的可行性
下面结合工程应用举例说明分组补偿的可行性。
某地新华书店大楼由商场、书店营业厅、餐饮、宾馆、地下车库、办公室组成，属一类高层，功能较复杂。其中1～6层为书店营业厅，单层面积约2800m2（标准层，每层均相同），其照明采用电感类荧光灯，功率因数较低。方案设计时只在变电所设集中补偿柜.
1～6层配电照明箱由变配电所采用一回路供电，开关为1250Ａ，空气绝缘母线槽选用一段1250Ａ，每层配电照明箱进线开关选用250Ａ；分组每层设电容补偿比在变配电所设集中补偿柜电容器总容量要高出20％左右。但减少了开关、供电线路的投资，这部分费用相对于电容器的投资要高许多。每层在配电照明箱处设电容补偿并不增加配电箱的数量，只需将配电照明箱的尺寸加大，电容器装于箱内，这样也节省了低压配电室内电容补偿柜的占地面积。另因为补偿电容配置了智能控制器，产品模块化，具有数据采集功能和标准的通信接口（RS232），可实现远程实时监测和计算机联网管理，便于检测、维护和升级。
从上述举例可看出，根据各层配电照明箱的设置分组装设电容补偿的方式较好地解决了集中和个别设置补偿造成的线路中无功电流增大、相应配电线路截面及开关容量加大和补偿投资成本大、安装分散、后期维修量大、维修困难等问题。对于大型商场、写字楼等大量使用低功率因数设备的民用建筑设计应根据具体情况采用分组设置电容补偿方式比较合理。
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