无功补偿在施工临时用电中的应用及效益分析

2011-08-20鱼双键

山西建筑 2011年19期

鱼双键

建筑施工现场大量使用电动机负荷(cosΦ≈0.8)和电焊机负荷(cosΦ≈0.4)，同时施工现场变压器经常在负载率不足50%状态下工作，这几种主要因素导致施工现场总的功率因数长期处在0.7左右。由于功率因数过低，输配电系统线路传输电流增加，各供配电设备容量得不到充分利用，限制了供电能力。从节约能源，提高输配电系统的利用率，改善供电质量等方面考虑，需要进行无功补偿。

1 无功补偿方案的选择

1.1 无功补偿原理

电网中的电力负荷如电动机、变压器等，大部分属于感性负荷，在运行过程中需向这些设备提供相应的无功功率。在电网中安装并联电容器等无功补偿设备以后，可以提供感性负载所消耗的无功功率，减少了电网电源向感性负荷提供由线路输送的无功功率，由于减少了无功功率在电网中的流动，因此可以降低线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗。由此可见，无功补偿的基本原理是:把具有容性功率负荷的装置与感性功率同时并联接在同一电路中，能量在两种负荷之间相互交换。这样感性负荷所需的无功功率就可以由容性负荷输出的无功功率提供。

1.2 无功补偿方案比选

无功补偿按其安装位置和接线方法分为:高压集中补偿、低压分组补偿和低压就地补偿。1)高压集中补偿:在高压配电线路中安装并联电容器组;2)低压分组补偿:在配电变压器低压侧安装并联补偿电容器;3)低压就地补偿:在单台电动机处安装并联电容器。其中就地补偿区域最大，效果也好，但它总的电容器安装容量比其他两种方式大，电容器利用率低，经济效益相对较低。高压集中补偿和低压分组补偿的电容器容量相对较小，利用率也高，且能补偿变压器自身的无功损耗，高压集中补偿在施工现场无法实现。因此，适用于施工现场的补偿方式为低压分组补偿。

1.3 无功功率补偿容量计算

1.3.1 无功补偿后功率因数确定

在计算无功补偿容量之前，首先要确定无功补偿后功率因数。无功补偿后功率因数不能小于供电部门要求的0.9，但不能一味认为该功率因数值越高越好。有两方面原因:

1)大于1后将向电网输送容性无功，同样会导致功率损耗增加。2)功率因数越高，每千伏补偿容量减少损耗的作用将变小。通常情况下，将功率因数提高到0.95比较合理。

1.3.2 无功功率补偿容量的计算方法

以太原恒大绿洲二期工程工地现场应用情况为例，现场一台变压器容量S=315 kVA，计算有功负荷Pj=183.4 kW，自然功率因数 cosΦ1≈0.7，补偿后功率因数 cosΦ2≈0.95。计算补偿容量如下:QC=Pj(tanΦ1－ tanΦ2)=183.4 × (1.02 －0.33)=126.55 Kvar。

其中，QC为补偿容量，Kvar;Pj为计算有功负荷，kW;tanΦ1为补偿前功率因数角对应的正切值;tanΦ2为补偿后功率因数角对应的正切值。

以上计算负荷Pj为该变压器最大负荷时的计算负荷，自然功率因数cosΦ1为该变压器为最大负荷时的功率因数，计算出的补偿容量为补偿装置总的最大容量。在运行过程中，补偿装置通过功率模块采样分析功率因数情况，根据需要投入电容器(即动态投入相应的补偿容量)，保证功率因数达到设定值要求。

2 无功补偿功能的实现

控制器对电网电压，电流进行交流采样，实时计算电压有效值，有功功率，无功功率，功率因数等采样参数。以无功功率作为无功补偿的投切依据，发出对各个补偿电容器的投切命令，并通过光耦输出12 V电平信号到复合开关，复合开关实现过零投切。控制器对投切后的电压电流进行交流采样计算相关数据，判断是否达到电网要求，并做下一步的命令动作准备。一次系统主接线图及自动补偿控制器见图1，图2。

复合开关投切电容器无功补偿装置，其投切开关是晶闸管和接触器并联的复合开关，主要作用是用晶闸管控制电容器过零投切，以降低传统接触器投切的电流冲击，电容器投入后再由接触器旁路晶闸管，使电容运行。动态无功补偿复合的主要技术特点有:实现动态补偿，可对频率和大小都变化的无功功率进行补偿，对补偿对象有极快的响应。不容易和电网阻抗发生谐振，且可以跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响。

复合开关投切补偿电容较传统方式的优点:1)过零投切。断口电压为零时，开关接通;电流过零时，开关分断。由于采用过零触发技术，因此可使射频干扰降低到最低程度。2)功耗小。由于采用了磁保持器，控制装置只在投切动作瞬间耗电，平时不耗电;且磁保持继电器的触发电阻小，不需要外加散热片或风扇，降低了成本。3)抗干扰。具有低阻抗的特点，可以抑制干扰，消除噪声。

3 无功补偿的效益分析

1)补偿无功功率，可以增加电网中有功功率的比例常数，提高电网运行的稳定性和可靠性。2)减少发、供电设备的设计容量，减少投资。以(1.3.2节)一台315 kVA变压器为例分析，供电区域内总的有功计算负荷为183.4 kW，未进行无功补偿前自然功率因数为0.7，视在功率为262 kVA，选用315 kVA变压器;无功补偿后功率因数为0.95，视在功率为193.05 kVA，选用200 kVA变压器即可。由此可见，进行无功补偿后系统中无功功率减少，视在功率减少，选用变压器容量明显减小，减少了变压器设备投资。3)对用电企业来说，可以节约用电费用。因为国家提倡节能降耗，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。使用无功补偿虽然增加了初次投资费用，但减少了运行后的基本电费。按照功率因数调整电费，施工现场属于工业用电适用办法，见表1。以(1.3.2节)施工现场一台315 kVA变压器分析，一台315 kVA变压器供电面积5万m2，每平方米用电10度，以平均电价1.0元/度计算。未进行无功补偿前，自然功率因数为0.7，电费支出为5×10×1.0×(1+10%)=55万元;补偿后功率因数达到0.95，电费支出为5×10×1.0×(1－0.75%)=49.625万元。补偿柜补偿容量为130 kVA，补偿柜设备费为:8 500元/台。故一台315 kVA变压器供电系统进行无功补偿后，可节约企业电费支出55－(49.625+0.85)=4.525万元。恒大绿洲二期工程施工面积21万m2，施工用变压器4台，总体节约电费约18.1万元。4)降低线损，提高功率因数后，线损率也下降了，减少设计容量、减少投资。以(1.3.2节)一台315 kVA变压器为例分析，供电区域内总的计算负荷为183.4 kW，未进行无功补偿前自然功率因数为 0.7，计算电流为:183.4/0.7/1.732/0.38=398.07 A。计算容量为选用电缆为YJV-4×150+1×50;无功补偿后功率因数为 0.95，计算电流为:183.4/0.7/1.732/0.38=293.32 A，选用电缆YJV-4×95+1×50。由此可见，进行无功补偿后电缆截面减少明显，节约电缆费用相当可观。