浅谈工厂供配电系统无功补偿
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摘 要：在工厂的供配电系统中，输出功率包括功功率、无功功率2个部分，前者是电气设备直接消耗的电能，后者是建立磁场和电场占用的电能，为了降低整个系统的功耗，一般会采用无功补偿系统。该文首先分析了供配电系统无功补偿的意义，然后介绍了工厂供配电系统无功补偿的类型，最后阐述了无功补偿装置的选择方法，以供参考。
关键词：工厂;供配电系统;无功补偿;装置选择
中图分类号：TM714 文献标志码：A
在供电系统中，应用无功补偿能提高电网的功率因数，减少变压器、输送线路带来的电能损耗，从而改善供电环境。在工业生产中，电感负载均要补偿大量的无功功率，提供途径有2种：一是由输电系统提供，二是由补偿电容器提供。采用第一种方案，系统设计时要综合考虑有功功率、无功功率，会增加变压器和线路的损耗，降低了经济效益。采用第二种方案，只需和补偿电容器进行并联，就能提供无功功率，从而减小无功损耗，提高系统的输电效率。以下结合个人工作实践，探讨了无功补偿在工厂供配电系统中的具体应用。
1 供配电系统无功补偿的意义
1.1 减少电费支出
工厂生产期间，电费支出是一项重要的成本，减少电费支出，可以提高经济利润。从供电公司的角度来看，电能使用量以功率为单位，且包括功功率、无功功率2个部分。对供配电系统进行无功补偿，可以提高系统的功率因数，减少无功功率消耗的电能，最终节约电费、提高生产利润。结合国家的电价制度，用电企业规定的最低功率因数是0.9，低于该数值，要惩罚性多收电费;高于该数值，会奖励性减少电费。
1.2 改善电压质量
随着供配电系统的无功功率增加，整个工厂的电压损失量会加大，继而影响电气设备的稳定运行，增加了故障发生率。通过无功补偿，可以提高系统的功率因数，改善电压质量，进一步稳定负载电压，确保电气设备稳定运行，减少后期维修、养护工作量，延长设备的使用寿命。
1.3 降低变压器容量
变压器是供配电系统的重要组成部分，选择变压器时，容量大小是一个关键要素。系统进行无功补偿后，变压器的视在功率明显降低，对于工厂而言，变压器的选择难度减小，即使选用容量较小的变压器，也能满足生产需求。相比于大容量变压器，小容量变压器不仅成本低，而且运行过程中的电能损耗小，也是降低工廠生产成本的有效途径。
1.4 提升设备出力
对供配电系统进行无功补偿，不仅能降低电能损失，还能提升设备出力。从原理来看，有功功率P=S·cosφ，电气设备的视在功率S一定时，随着功率因数cosφ提高，有功功率P相应提高，即设备的有功出力提升。从系统运行来看，无功功率得到补偿后，负荷需要的无功功率不再从电源获取，且线路无功电流减小。设备和线路被无功占用的部分容量可以释放出来，并转化为有功功率，充分发挥出设备的运行潜力。
2 工厂供配电系统无功补偿的类型
2.1 高压集中补偿
高压集中补偿适用于6 kV～10 kV的大中型工厂，供配电系统的特征是负荷波动大、功率因数需要经常调节。从结构组成来看，高压无功集中补偿装置包括：①控制器;②高压真空开关（或真空接触器）;③高压电容器组;④电抗器;⑤放电线圈;⑥避雷器;⑦辅助设备。工作原理是基于九区图、模糊控制理论，依据电压优先、负荷无功功率、投切次数限量等条件，确定是否投切电容器组，促使母线电压位于标准范围内，实现减小电耗的目标。结合实际情况，高压集中补偿在工厂中的补偿效果差，但优点是投资小、施工简单、方便维护，因此目前应用比较普遍。
2.2 低压集中补偿
低压集中补偿适用于各种规模的工厂，主要是使用大功率晶闸管投切开关，对多级电容组进行快速投切，从而稳定系统电压。从结构组成来看，低压无功集中补偿装置包括：①控制器;②无触点开关组;③并联电容器组;④电抗器;⑤放电装置;⑥保护回路等，实现了机电一体化设计。工作原理是监测供配电系统电压、无功功率的变化，如果电压低于供电标准，或者无功功率满足电容器组的投切条件，此时控制器就会发出投切指令。结合实际情况，该补偿方式的接线清晰，运行管理和后期维护工作量小，可以提高配变利用率，因此在工厂供配电系统中的应用广泛。
2.3 分散就地补偿
分散就地补偿，主要用在工厂内耗电量大的设备中，是针对该设备采用的单独无功补偿方式，一般将分散补偿装置安装在用电设备的旁边，能和该设备同时运行、同时断开。相比于高压、低压集中补偿，可获得良好的补偿效果，既能维持系统的电压水平，又能实现降耗的目标。结合实际情况，该补偿方式不能盲目使用，关键点总结如下：①在轻负荷时，要避免过补偿，倒送无功会增加功率损耗，影响运行经济性;②功率因数越高，每千伏补偿容量减少损耗的作用将变小，一般将功率因数提高至0.95就是合理补偿;③不能用在大容量电气设备中，因为大容量电气设备会产生高次谐波，分散就地补偿后会增加谐波次数，降低了供电质量;④不宜用在电动机频繁启动的设备、正反转轮换的设备中，会带来不必要的电耗;⑤分散就地补偿期间，要配置专用的电力电容器，使用普通电力电容器会提高投资成本。
3 工厂供配电系统无功补偿装置的选择
3.1 普通补偿装置
在工厂的供配电系统中，普通无功补偿装置由电容器组、电容器支路保护、投切开关和自动补偿装置等组成。该补偿装置可以分组自动投切，但要减少电容器组的开合次数，以减少维修养护工作量，延长电容的使用寿命。结合实践，选择普通的无功补偿装置时，确保先投入、先切除，采用轮换循环投切，可对装置产生保护作用，降低投资成本和维护成本。
3.2 串联电抗器
随着工厂生产规模扩大，供配电系统的波动性增强，带有冲击性负荷。电气设备运行期间，会产生大量谐波，导致整个电网的电压波动，甚至出现闪变、三相不平衡等问题。从电容器的特点来看，虽然具有抗谐波能力，但也会放大谐波，增大电容器的损坏程度。对此，针对存在谐波干扰的部位，可以增加滤波装置。其中，有源滤波器的效果好，但是价格昂贵，其运行可靠性有待验证;无源滤波器结构简单，但占地面积大，会耗费大量铜线、电容器，而且系统负载发生变化，会削弱滤波效果。
3.3 无功发生器
采用脉冲宽度调制（PWM）整流控制技术，实时采集工厂供配电系统的电压、电流等参数，辅助利用高性能数字信号处理器，计算出电网的无功功率，继而实现无功功率的补偿。以静止无功发生器（SVG）为例，是由检测模块、控制运算模块、补偿输出模块组成。运行时，首先外部CT检测供配电系统的电流信息，控制芯片分析当前的电流信息，象视在功率S、无功功率Q、功率因数PF等;然后控制器发出补偿驱动信号，由逆变回路发出补偿电流。SVG的特点实现了无功补偿的动态性、连续性，既能补偿感性无功，又能补偿容性无功，将电网的功率因数稳定在0.98以上。
4 结语
供配电系统无功补偿，可以提高功率因数、改善电压质量、减少电能损失、提升设备出力。文中以工厂供配电系统为例，介绍了高压集中补偿、低压集中补偿、分散就地补偿的应用。选择无功补偿装置时，应根据普通补偿装置、串联电抗器、无功发生器的不同，制定合适的补偿方案，保证供配电系统安全稳定运行，提高工厂的经济效益。
参考文献
[1]刘禹.关于工厂供配电系统无功补偿设计的探究[J].建筑工程技术与设计，2016（8）：1361.
[2] 徐亮.无功补偿及消谐装置在工厂供电系统中的应用分析[J].科技资讯，2018，16（16）：34-35.
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