民用建筑供配電系統中的無功補償方式及其選擇

王佳水 王彪 溫強

摘要:城市化進程的不斷加快使得民用建筑數量急劇增多，與此同時，城市用電量也在快速增長。時于提高用電效率而言，無功補償裝置一直是配電系統中重要的組成部分。文章通過研究民用建筑配電系統的無功補償，對無功補償的幾種方式進行了梳理，并針時民用建筑工程給出了功率補償的選擇方法，最后通過實例說明了無功補償的具體應用。

關鍵詞:民用建筑；配電系統；無功補償；三相電容

中圖分類號：TU24文獻標識碼： A

引言

隨著社會的快速發展和人們生活水平的不斷提高，各地建設了大量的辦公樓、住宅公寓、大型商場和超市、高級酒店，民用建筑和工業的用電量在飛速增長。由于民用建筑的用電負荷類型為單相感性負荷，其本身的功率因數很低，因此導致整個系統的供電效率不高。為了提高功率因數，降低無功功率，使電能得到充分利用，提高供電質量，我們通常在供配電系統中加入無功補償裝置來進行無功功率補償。無功功率補償是提高電能質量的重要手段，它可以降低輸電線路上的壓降和能量損耗，進而減少用電能耗，提高電能的質量。

一、無功補償的原理

電網輸出的功率有２部分：一部分是有功功率，另一部分為無功功率。有功功率可直接轉化為能使用的各種能量，如電燈照明、煮飯的熱能等；無功功率不能以使用能的形式體現出來，卻是設備做功的必備條件。無功功率的損耗在以下2個公式中可以體現出來。

1、輸電線路上電壓降的公式：

式中，Ｕ１為線路起點電壓；Ｐ１為輸電線路的有功功率；Ｒ為輸電線路的電阻；Ｑ１為輸電線路的無功功率；Ｘ 為輸電線路的電抗。

在Ｒ、Ｘ、Ｕ１、Ｐ１這４個量不變的情況下，Ｑ１的減少將使電壓降降低。

2、輸電線路上有功功率損耗的公式：

式中，Ｕ２為線路終點電壓；Ｒ為輸電線路的電阻；Ｐ２為輸電線路終點的有功功率；Ｑ２為輸電線路終點的無功功率。在Ｒ、Ｕ２、Ｐ２這3個量不變的情況下，Ｑ２的減少將使線路損耗降低。

從上面２個公式可以看出，無功功率補償對電能質量的提高、線路上電能損耗的降低有重要作用。

在電感元件中電流做功時，電流滯后于電壓90°；在電容元件中電流做功時，電壓滯后于電流90°；在同一個電路中，電感電流與電容電流矢量方向相反，相差180°。如果在電容元件電路中有比例地安裝電磁元件，就可以抵消兩者的電流，使電壓矢量與電流矢量之間的夾角減小，進而使電源的做功大大提高。而供電設備多數為感性負載，存在大量的無功功率，因此在感性負荷中并聯電容器作為無功補償裝置，這種方式在國內外被廣泛采用，叫做電容補償。把容性負荷裝置與感性負荷連在同一電路中，能使它們之間進行負荷交換，這就使得感性負荷需要的無功功率可用容性負荷輸出的無功功率補償，從而提高了系統的功率因數。

二、無功補償方式梳理

通常情況下，在負荷側進行集中的無功補償是最為理想的補償方式，即在變壓器的低壓側等低壓系統中，通過采用功率因數調整裝置，進行無功的自動調節，它可以依據負荷的變化進行電容器的自動投入或切除。具體而言，其補償方式有三種，即三相電容自動補償、分相電容自動補償和混合補償。在此對這三種補償方式的特點進行分析：

2.1 三相電容自動補償。其結構較為簡單，投資少，因此，這一方式在配電系統中得到了大量的應用。在無功補償過程中，三相中的任一相取得信號后，依據結果需要，將三相中的電容投切掉相同的數量。這種補償方式在負荷平衡的系統中使用十分適宜。

2.2 分相電容自動補償。顧名思義，這種補償方式是對每相進行獨立補償，首先對各相的電流和電壓進行檢測，當某一相的功率因數超出范圍時，即進行該相的無功功率補償。這種補償方式有效避免了盲目補償，大大提高了資源的利用效率，但在操作上要比三相電容自動補償復雜一些。近年來，隨著計算機技術的飛速發展，這種補償技術也已經被廣泛地應用于民用建筑的配電系統中。

2.3 混合補償。這種補償方式就是設置一組三相電容自動補償，再設置一組分相電容自動補償，依據檢測的結果進行補償方式的自動選擇，它可以實現資源的充分利用。

三、民用建筑配電系統中功率補償的選擇

在無功功率補償方面，選擇哪一種補償方式，要根據電網的情況而定。首先，設計人員要對所需補償線路的負荷特點、三相間的電壓不平衡程度等有所了解，然后再結合補償方式制定合理的補償方案。對于負荷較大且負荷變化快的工況，比如電動機的線路等，要采用隨機補償或配電線路分散補償的方式，這種補償方案比較節能，補償效果也很明顯。對于負荷比較平穩的供電線路要采用變電站集中補償的方式，在一些情況下也可以使用隨機補償方式。對于一些特殊的工作線路，在確定方案時要考慮周全，慎重選擇。特別是在含有瞬變高電壓和大電流的線路中，要采用配電線路分散補償的動態補償方式，可以有效緩解高電壓、大電流對電網的沖擊。此外，無功功率補償器控制方式的選擇間接影響著無功功率補償方式的選擇?？刂破饔校撤N采樣方式，分別是功率因數型、無功功率型和無功電流型?？刂破鞯淖饔檬侵笓]無功補償裝置的運行、采樣和運算，為電容補償器的正常運行提供保障。在民用配電網中，最主要的無功補償方式就是以上所述的３種，這３種補償方式各有各的優缺點。實際工程中，在弄清無功補償原理的情況下，要根據現場的實際情況并結合選擇標準來選擇相應的補償方式，使電網中的無功損耗降到最低。

四、案例分析

本節以某民用建筑配電系統的無功補償設計為例，對無功補償的具體應用進行說明。該綜合大樓屬于高層建筑，總建筑面積為3.2 ×10㎡，其主要的用電設備包括空調機組、風機、電梯和燈具等，功率因數在0.45一0.75之間。400 V采用單母線分段方式，起初在每段母線上均設置有相應的三相自動無功補償裝置，其功率因數整定值為0.92.在運行過程中，經常會出現儀器、燈具等被燒壞的現象，表1給出了改裝之前的抄表記錄。

表1 抄表記錄

可見，采用三相電容自動補嘗方法后，A相和C相的電壓偏高，B相的電壓偏低，這對于用電設備而言是非常危險的。因此，我們進行了補嘗裝置的改裝，使用了KDCF300低壓動態無功補嘗裝置，它屬于分相電容補償方式，其功率因數整定值依然設置為0.92，裝置投人運行后，三相電壓保持在215一225 V之間，功率因數也保持在0.92一0.94之間，取得了很好的無功補嘗效果。就當前的低壓補償電容器技術和相應的制造技術而言，在民用建筑的配電系統中，使用分相電容自動補嘗是最為適宜的補嘗方式。

結束語

本文對三相電容自動補償、分相電容自動補償和混合補償這三種無功補償方式進行了梳理，它們都有各自的優缺點，在實際運用中，應該具體問題具體分析。就民用建筑的配電系統來說，選擇分相電容補償方式是最為適宜的，這是因為民用建筑中的負荷存在嚴重的不平衡性?？偠灾?，電網的無功管理需要選擇合理的無功補償方式。另外，電力器件和電力電子技術的迅速發展也使得無功補償裝置有了很大的發展空間，無功補償技術將會更加成熟，從而為電網作出更大的貢獻。當然，這也需要相關工作人員付出更多的心血和汗水。

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