金属切削车间低压无功补偿设计方案的研讨
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作者: 马英杰 李义科
摘 要：这是一个车间低压无功补偿应用的实例，原来该车间金属切削车床处于工作状态的数据变化较大，因此车间电力负荷变化也较大，一个月内的平均功率因数偏低。如果不采取有效措施对无功功率进行补偿，提高系统的功率因数，那是既不合理又不经济的。为了提高车间运行的功率因数，按一般设计原则制作了一台无功补偿装置，投入运行一段时间后，补偿效果并未达到规程要求，针对这个问题做个简单的剖析。企图会对低压无功补偿的设计方案有所补充。
关键词：低压无功补偿、不等容补偿、负荷波动
中图分类号：TM623.4 文献标识码：A
实践证明：
（1）在电力负荷波动较大的车间或部门，低压无功补偿容量应兼顾计算负荷大、小数量变化的现状。
（2）不采用传统的等容量补偿方式，宜控制小容量电容器先投入运行，较大容量的后投入运行，这样对轻负荷补偿效果更加明显。
笔者对此车间低压无功补偿装置运行情况进行了跟踪研究，仅仅提出点滴不成熟的拙见，仅供参考。
1 原来车间的用电概况
该车间生产设备主要是车床和铝床，采用10kv供电线路进入厂区的供电方式供电，电能先经高压配电所集中，再由高压配电线路将电能送到车间变电所。车间变电所内装设有容量为100KVA的配电变压器，通过配电变压器将10KV的高压降为一般低压用电设备所需的电压（380/220V）。然后由低压配电线路分送给各用电设备（车床和铝床）使用。
正常上班时间车间动力负荷在7~35KW之间。供电局一个月抄表记录所得数据如下，其用电量为：有功电度5151千瓦时，无功电度10125千瓦时。在电力设备运行的过程中由于大量的无功负荷得不到补偿，电力网络中存在大量的无功感性电流，使系统中的电气设备和线路截面得不到有效的充分利用，降低了网络传输能力，并引起损耗增加。
工厂针对因为用电率低而被加收电费这一处罚的情况 ,确定实施无功功率补偿方案 故此车间领导要求增添无功补偿装置，以提高用电设备的功率因数。改善电压质量，充分挖掘设备输送功率的潜力，减少因为内部传输和分配无功功率造成的有功功率损耗，保证设备容量得到充分利用，保证系统安全、稳定地运行，减少电费支出，避免因功率因数低于规定值而受罚。
2 设计车间低压无功补偿方案
2.1 根据电力网无功功率消耗的规则，无论是工业负荷还是民用负荷，例如：电动机、变压器等大多数用电设备均为感性负载，所有电感性负载包括各级网络和输配电设备都要消耗一定数量的无功功率，尤以低压配电网（0.4KV）所占比重最大。为了最大限度地减少无功功率的传输损耗，提高变配电设备的效率，提高用电单位的自然功率因数，传统的做法是采用无功补偿的方式，来改善功率因数情况，通常情况下无功补偿分为集中补偿，分散补偿和随机随器补偿。
无功补偿设备的配置，应该遵循：全面规划、合理布局、分级补偿，就地平衡；集中补偿与分散补偿相结合，以分散补偿为主（为了有效地降低线损,必须做到无功功率在哪里发生,就应在哪里补偿）；高压补偿与低压补偿相结合，以低压补偿为主；调压与降损相结合，以降损为主（对于无功补偿的主要目的是改善功率因数，减少线损，调压只是一个辅助作用）的原则。
从以上补偿原则看出，补偿装置愈接近电动机或其他电力设备，无功电流通过的变配电设备愈少，通过的线路愈短，补偿愈彻底，节能效果愈显著。为了提高车间运行的功率因数，根据企业实际情况，按一般设计原则设计制作了一台无功补偿装置。根据工厂实际情况和领导意见，要求在不过度增加车间设备投资的条件下，对现有车间供电线路做一系列的调整。
2.2 设计车间低压无功补偿方案如下：
2.2.1 求出车间用电的平均功率因数
已知车间负荷月消耗有功电能5151kwh,消耗无功补偿10124kvarh，可以求出车间用电的平均功率因数，在此功率因数的基础上将现有功率因数提高到当地供电局所要求的功率因数范围内。按计算公式求出车间用电月平均功率因数。
根据我国有关规程规定，低压用电单位，平均功率因数不得低于0.9，显然该车间平均功率因数cos?准=0.45。远低于cos?准=0.9的要求，按规定，企业要缴纳有功电度的电费和功率调整电费，面临因用电率低而被加收电费的情况。
2 低压无功补偿容量的计算
补偿容量的确定可以根据负荷的最大功率、补偿前的功率因数及要求补偿后达到的功率因数，用下式计算确定。
Qc=P30（tan?准1-an?准2）（1-2）
式中：Qc-所需补偿的电容的总无功功率容量，kvar；
P30-车间的计算负荷，kw；
tan?准1-补偿前的平均功率因数角
tan?准2-补偿后的平均功率因数角
倘若车间按计算负荷50kw计算，把功率因数从0.45提高到0.9将需要新增加的无功补偿容量可以通过计算得出，依据计算公式。
补偿电容器选取80kvar，电容器选用6只，其规格BSMJ0.4-15-3 4只，BSMJ0.4-10-3 2只，按此设计制作低压无功补偿装置投入运行，其效果如下
3 改进无功补偿方案之后的低压无功补偿装置运行情况
设计制作的低压无功补偿装置投入运行之后，笔者多次到低压无功补偿装置运行的车间现场进行巡视记录，了解经过改进无功补偿后的车间设备运行情况和车间供电负荷情况，记录如下：
正常运行时，低压电容器15kvar投入3只，其他15kvar，投入1只，5kvar，2只未投入运行；瞬时功率因数表显示车间运行的功率因数0.85~0.96。通过改进补偿方案之后，功率因数表显示参数符合电力系统规程规定的无功功率因数要求。由于用电负荷的变化，其功率因数表显示的数字变化较快；车间三相电流基本平衡，电流表显示15~70A不断的跳变；电压表指示400v数字较稳定；进行无功补偿后供电局一个月的抄表记录如下，有功电度4241kwh，无功电度3649kvarh，其月平均功率因数cos?准=0.76，从供电局反馈回来的数据显示，这个补偿之后的功率因数值还是没有达到规程规定的要求，根据我国有关规程规定：高压供电的工厂，最大负荷时的功率因数不得小于0.9，其他工厂不得低于0.85，工厂再次因为用电率低而被加收电费。
4 存在问题的分析
经过观察和深入了解车间工作时间和金属切削车间负荷运行情况得知，该车间正常工作时，瞬时功率因数显示为0.85~0.96之间变化，说明增加低压无功补偿装置之后，瞬时功率因数显示是比较理想的，但月平均功率因数只达到0.76，未能达到设计要求的0.85数值，分析原因是：
4.1 车间运行负荷一般情况下在30kw左右，而计算负荷50kw未计算无功补偿容量，其数值偏大，而计算负荷40kw为宜。
4.2 车间在轻负荷运行时约有7~8kw，计算负荷按7kw考虑，达到了规程规定的无功补偿功率因数值不低于0.85这个数值，无功补偿为10.5kvar。按8kw计算，无功补偿容量为12kvar。
4.3 车间8小时工作制，下班后，车间动力负荷全部停用，仅有几盏照明灯工作。
4.4 在确定多组用电设备的计算负荷时，应考虑各组用电设备的最大负荷不会同时出现的因素。
5 解决问题的方法
5.1 计算负荷按40kw，把功率因数从0.45补偿到0.9
按公式（1-3）计算
无功补偿容量选用电容器容量60kvar。
5.2 把电容器分为6个回路，方案是：5kvar、5kvar、10kvar、10kvar、15kvar、15kvar。由于电容器自控仪动作顺序为先投先切，后投后切，其接线方案在轻负荷时，先投入5kvar，继而投入5kvar，随负荷增大再投入10、10、15、15（kvar）。这样选择较之先投入大容量电容器，后投入小容量电容器，效果更好。
5.3 经过无功补偿方案的变化，车间运行的功率因数稳定在0.86左右，效果变化很明显。
参考文献
[1]张莹.工厂供配电技术[M].电子工业出版社，2010.
[2]李珞新，戴四新.电力法规[M].高等教育出版社，2009.
[3]刘增良.电气设备及运行维护[M].中国电力出版社，2010.
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