秦玉芳

（晉煤集團(tuán)古書(shū)院礦，山西 晉城 048000）

古書(shū)院礦西風(fēng)井35kV 變電所主要負(fù)責(zé)西風(fēng)井及井下西翼等的供電，用電負(fù)荷均為一二類負(fù)荷，能否安全可靠供電直接關(guān)系到礦井的安全生產(chǎn)。為保證供電質(zhì)量及供電系統(tǒng)安全，35kV 變電所在設(shè)計(jì)時(shí)便考慮了無(wú)功補(bǔ)償。

1 無(wú)功補(bǔ)償和提高功率因素的意義

1.1 無(wú)功功率

在交流電路中，由電源供給負(fù)載的電功率有兩種；一種是有功功率，一種是無(wú)功功率。有功功率是保持用電設(shè)備正常運(yùn)行所需的電功率，是將電能轉(zhuǎn)換為其他形式能量（機(jī)械能、光能、熱能）的電功率。無(wú)功功率比較抽象，它是電路內(nèi)電場(chǎng)與磁場(chǎng)的交換，在電氣設(shè)備中建立和維持磁場(chǎng)的電功率。它不對(duì)外作功，而是轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰俊７彩怯须姶啪€圈的電氣設(shè)備，要建立磁場(chǎng)，就要消耗無(wú)功功率無(wú)功功率。

無(wú)功功率決不是無(wú)用功率，它的用處很大。電動(dòng)機(jī)需要建立和維持旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)就是靠從電源取得無(wú)功功率建立的。變壓器也同樣需要無(wú)功功率，才能使變壓器的一次線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，在二次線圈感應(yīng)出電壓。因此，沒(méi)有無(wú)功功率，電動(dòng)機(jī)就不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，變壓器也不能變壓，交流接觸器不會(huì)吸合。無(wú)功功率，用字母Q 表示，單位為乏（Var）。

1.2 提高功率因數(shù)的意義

功率因數(shù)是反映用戶的電能的利用效率，功率因數(shù)越高，電網(wǎng)的電能利用率就越高。供電部門(mén)是希望用戶的功率因數(shù)越高越好。也就是希望用戶從電網(wǎng)索取的，都是有功功率，無(wú)功功率越少越好。因?yàn)殡m然無(wú)功功率只是能量交換，并沒(méi)有能量消耗，但多一點(diǎn)少一點(diǎn)關(guān)系很大，直接關(guān)系到整個(gè)供電系統(tǒng)運(yùn)行。這是因?yàn)殡娋W(wǎng)的容量是一個(gè)定值，是有限的。有功功率是能量，無(wú)功功率也是能量，它們都是由電網(wǎng)提供的，所以當(dāng)無(wú)功功率大了，有功功率的就小了，能提供對(duì)外做功的能量就少了。

1.3 影響功率因數(shù)的主要因素

功率因數(shù)的產(chǎn)生主要是因?yàn)榻涣饔秒娫O(shè)備在其工作過(guò)程中，除消耗有功功率外，還需要無(wú)功功率。當(dāng)有功功率P 一定時(shí)，如減少無(wú)功功率Q，則功率因數(shù)便能夠提高。在極端情況下，當(dāng)Q=0 時(shí)，則其功率因數(shù)=1。因此提高功率因數(shù)問(wèn)題的實(shí)質(zhì)就是減少用電設(shè)備的無(wú)功功率需要量。

1）異步電動(dòng)機(jī)和電力變壓器是耗用無(wú)功功率的主要設(shè)備

異步電動(dòng)機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子間的氣隙是決定異步電動(dòng)機(jī)需要較多無(wú)功的主要因素。而異步電動(dòng)機(jī)所耗用的無(wú)功功率是由其空載時(shí)的無(wú)功功率和一定負(fù)載下無(wú)功功率增加值兩部分所組成。所以要改善異步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)就要防止電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行并盡可能提高負(fù)載率。變壓器消耗無(wú)功的主要成份是它的空載無(wú)功功率，它和負(fù)載率的大小無(wú)關(guān)。因而，為了改善電力系統(tǒng)和企業(yè)的功率因數(shù)，變壓器不應(yīng)空載運(yùn)行或長(zhǎng)其處于低負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)。

2）供電電壓超出規(guī)定范圍也會(huì)對(duì)功率因數(shù)造成很大的影響

當(dāng)供電電壓高于額定值的10%時(shí)，由于磁路飽和的影響，無(wú)功功率將增長(zhǎng)得很快，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，當(dāng)供電電壓為額定值的110%時(shí)，一般工廠的無(wú)功將增加35%左右。當(dāng)供電電壓低于額定值時(shí)，無(wú)功功率也相應(yīng)減少而使它們的功率因數(shù)有所提高。但供電電壓降低會(huì)影響電氣設(shè)備的正常工作。所以，應(yīng)當(dāng)采取措施使電力系統(tǒng)的供電電壓盡可能保持穩(wěn)定。

3）電網(wǎng)頻率的波動(dòng)也會(huì)對(duì)異步電機(jī)和變壓器的磁化無(wú)功功率造成一定的影響。

4）以上影響電力系統(tǒng)功率因數(shù)的一些主要因素，因此必須要尋求一些行之有效的、能夠使低壓電力網(wǎng)功率因數(shù)提高的一些實(shí)用方法，使低壓網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)功的就地平衡，達(dá)到降損節(jié)能的效果。

1.4 無(wú)功補(bǔ)償原理

在正常情況下，用電設(shè)備不但要從電源取得有功功率，同時(shí)還需要從電源取得無(wú)功功率。如果電網(wǎng)中的無(wú)功功率供不應(yīng)求，用電設(shè)備就沒(méi)有足夠的無(wú)功功率來(lái)建立正常的電磁場(chǎng)，這些用電設(shè)備就不能維持在額定情況下工作，用電設(shè)備的端電壓就要下降，從而影響用電設(shè)備的正常運(yùn)行。但是從發(fā)電機(jī)和高壓輸電線供給的無(wú)功功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了負(fù)荷的需要，所以在電網(wǎng)中要設(shè)置一些無(wú)功補(bǔ)償裝置來(lái)補(bǔ)充無(wú)功功率，以保證用戶對(duì)無(wú)功功率的需要，這樣用電設(shè)備才能在額定電壓下工作。無(wú)功補(bǔ)償是把具有容性功率負(fù)荷的裝置與感性功率負(fù)荷并聯(lián)接在同一電路，能量在兩種負(fù)荷之間相互交換。這樣，感性負(fù)荷所需要的無(wú)功功率可由容性負(fù)荷輸出的無(wú)功功率補(bǔ)償。采用無(wú)功補(bǔ)償可以收到以下效果：

1）根據(jù)用電設(shè)備的功率因數(shù)，可測(cè)算輸電線路的電能損失。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)改造，可使低于標(biāo)準(zhǔn)要求的功率因數(shù)達(dá)標(biāo)，實(shí)現(xiàn)節(jié)電目的。

2）采用無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)，提高低壓電網(wǎng)和用電設(shè)備的功率因數(shù)，已成為節(jié)電工作的一項(xiàng)重要措施。

3）無(wú)功補(bǔ)償，它就是借助于無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備提供必要的無(wú)功功率，以提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，降低能耗，改善電網(wǎng)電壓質(zhì)量，穩(wěn)定設(shè)備運(yùn)行。

4）減少電力損失，一般工廠動(dòng)力配線依據(jù)不同的線路及負(fù)載情況，其電力損耗約2%～3%左右，使用電容提高功率因數(shù)后，總電流降低，可降低供電端與用電端的電力損失。

5）改善供電品質(zhì)，提高功率因數(shù)，減少負(fù)載總電流及電壓降。于變壓器二次側(cè)加裝電容可改善功率因數(shù)提高二次側(cè)電壓。

6）延長(zhǎng)設(shè)備壽命。改善功率因數(shù)后線路總電流減少，使接近或已經(jīng)飽和的變壓器、開(kāi)關(guān)等機(jī)器設(shè)備和線路容量負(fù)荷降低，因此可以降低溫升增加壽命（溫度每降低10°C，壽命可延長(zhǎng)1 倍）。

7）最終滿足電力系統(tǒng)對(duì)無(wú)功補(bǔ)償?shù)谋O(jiān)測(cè)要求，消除因?yàn)楣β室驍?shù)過(guò)低而產(chǎn)生的罰款。

8）無(wú)功補(bǔ)償可以改善電能質(zhì)量、降低電能損耗、挖掘發(fā)供電設(shè)備潛力、無(wú)功補(bǔ)償減少用戶電費(fèi)支出，是一項(xiàng)投資少，收效快的節(jié)能措施。

9）無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)對(duì)用電單位的低壓配電網(wǎng)的影響以及提高功率因數(shù)所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，確定無(wú)功功率的補(bǔ)償容量，確保補(bǔ)償技術(shù)經(jīng)濟(jì)、合理、安全可靠，達(dá)到節(jié)約電能的目的。

2 DWK3-110C12 高壓電容無(wú)功補(bǔ)償控制器適用范圍及特點(diǎn)

DWK3-110C12 高壓電容無(wú)功補(bǔ)償控制器適用于6kV 以上補(bǔ)償電容的自動(dòng)投切控制?？煽刂瓢私M電容組。根據(jù)無(wú)功功率大小，功率因數(shù)和電壓范圍，自動(dòng)控制電容器投切進(jìn)行補(bǔ)償。有效減少線路無(wú)功損耗,提高電網(wǎng)的功率因素。對(duì)需要電壓優(yōu)先控制的情況，還可利用電容的調(diào)壓作用提高電壓合格率。

2.1 可靠性極高，確保安全

所有的對(duì)外接線端子均可承受上千伏的電壓沖擊而不影響正常工作，電路具有極高的抗干擾能力。

優(yōu)越的“軟件電子狗”電路和容錯(cuò)技術(shù)，可以自動(dòng)發(fā)現(xiàn)程序運(yùn)行錯(cuò)誤并瞬間復(fù)位計(jì)算機(jī)，徹底杜絕了“死機(jī)”現(xiàn)象，因此本產(chǎn)品沒(méi)有“復(fù)位”鍵。

獨(dú)有的“硬件電路故障保護(hù)電路”，確?？刂破鲀?nèi)任意電路損壞后或“死機(jī)”瞬間都不會(huì)引發(fā)輸出誤動(dòng)作，保證了本產(chǎn)品萬(wàn)一損壞后不會(huì)成為定時(shí)炸彈。

2.2 自動(dòng)化程度高，操作方便

“傻瓜機(jī)”的設(shè)計(jì)風(fēng)格簡(jiǎn)單、實(shí)用。自動(dòng)運(yùn)行時(shí)完全不需人為干預(yù)，出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)自動(dòng)退出故障設(shè)備并用語(yǔ)音提示。

大屏幕液晶顯示器、中文顯示、圖形界面和菜單操作和設(shè)置，還有方便用戶使用的快捷鍵。設(shè)置的參數(shù)永久保存，不受停電影響。

2.3 通用面廣，適應(yīng)性強(qiáng)

適用于6kV，10kV，110kV 等電壓等級(jí)的各類變電站?？煽刂埔恢羶啥文妇€一至十二組電容器或者電抗器。

既可以控制等容量電容器又可控制不等容量電容器或者等容和差容混合情況。

根據(jù)用戶類型的不同，既可以僅控制無(wú)功，也可按電壓優(yōu)先的原則進(jìn)行電壓無(wú)功的綜合控制。

具有供值班員使用的運(yùn)行設(shè)置和供安裝維護(hù)人員使用的調(diào)試設(shè)置。用戶無(wú)需提供變電站設(shè)備參數(shù)和運(yùn)行情況。

具有自動(dòng)控制、語(yǔ)音提示控制、手動(dòng)操作、遠(yuǎn)方控制多種工作方式。

2.4 自適應(yīng)工作，適合無(wú)人變電站

2.5 電容控制算法先進(jìn)

對(duì)同容量電容，按無(wú)功容量決定投切，按動(dòng)作次數(shù)對(duì)不同容量電容，按無(wú)功量大小自動(dòng)選擇匹配電容逐個(gè)投入和切除并兼顧動(dòng)作次數(shù)，不會(huì)出現(xiàn)投切振蕩。的多少選取電容實(shí)行均衡投切。

對(duì)既有不同容量電容，又有等容量電容情況，可先按無(wú)功量大小自動(dòng)選擇匹配電容容量，再根據(jù)動(dòng)作次數(shù)對(duì)等容電容實(shí)行均衡投切。

保護(hù)和故障診斷

可以實(shí)現(xiàn)電容組合投切，以最少的電容組數(shù)實(shí)現(xiàn)最佳的電容控制。例如三組電容可產(chǎn)生七種電容量?？刂聘_，無(wú)功補(bǔ)償一次到位。減少成套裝置的成本和空間。對(duì)電容容量比值關(guān)系無(wú)限制。

2.6 顯示功能

2.7 安裝維護(hù)方便

系統(tǒng)測(cè)試功能可現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)所有外部接入信號(hào)和通斷輸出接點(diǎn)，方便快速地安裝調(diào)試；

增益調(diào)節(jié)功能可使維護(hù)人員在控制器面板上用按鍵直接修正顯示精度。

通用的電路板和模塊化設(shè)計(jì)，進(jìn)口可插拔式插座輸出，先進(jìn)的可編程序器件易于維護(hù)升級(jí)。

2.8 語(yǔ)音提示功能

2.9 事件記錄

可記錄多個(gè)事件，記錄的內(nèi)容不受停電影響，便于追憶運(yùn)行和故障情況。

各組電容的投入、切除動(dòng)作以及日期、時(shí)間。

各種異常報(bào)警事件以及日期、時(shí)間。

主變運(yùn)行方式自動(dòng)轉(zhuǎn)換動(dòng)作以及日期、時(shí)間。

圖2

2.10 統(tǒng)計(jì)功能

當(dāng)月和上月電壓合格率。

抄表日期、超上限率、下限率和超限時(shí)間長(zhǎng)度、最大電壓值和最小值以及發(fā)生時(shí)間。

各電容器的本月動(dòng)作次數(shù)、上月底動(dòng)作次數(shù)、累計(jì)動(dòng)作次數(shù)，以及各電容器本月的投運(yùn)時(shí)間。

3 技術(shù)參數(shù)及調(diào)容方案

3.1 技術(shù)參數(shù)

測(cè)量精度

電 壓： ≤0.5%

電 流： ≤2.0%

功率因數(shù)： ≤1.0%

時(shí) 間： ≤1 秒/天

輸入采樣限量

電 壓：0～150V (PT 電壓)

電 流：0～5A 或0～1A(CT 電流)

輸出繼電器觸點(diǎn)容量 220V/5A

電源供應(yīng) AC/DC176～265V/25VA

抗干擾 共模2500V，差模1000V

環(huán)境溫度 -15℃～+50℃

相對(duì)濕度 ≤95%(25℃時(shí))

3.2 調(diào)容控制方案

根據(jù)電容器的容量情況和應(yīng)用情況，分為四種控制方案。

3.2.1 等容均衡應(yīng)用在各組電容器的容量相同時(shí)，控制器按照動(dòng)作次數(shù)均衡的原則逐個(gè)投切電容。相當(dāng)于循環(huán)投切功能。

3.2.2 差容選配

當(dāng)各組電容器的容量不相同時(shí)，需要按照電容容量大小選配，逐個(gè)投切電容器。也可用于既有不等容的電容同時(shí)由包含有等容量電容的情況，對(duì)不等容電容按容量大小選配投切，對(duì)等容量電容按照動(dòng)作次數(shù)均衡投切。以上情況控制器能夠自動(dòng)識(shí)別。

3.3.3 差容組合

在成套應(yīng)用中，各組電容器的容量不相同，可按照各組電容容量組合出不同的電容檔，進(jìn)行較為精確地投切，可以實(shí)現(xiàn)一次投切到位。例如3 組電容可組合出7 組容量檔?？梢詫⒊商壮杀窘档阶畹停臻g也降到最小。推薦使用！

3.3.4 濾波補(bǔ)償

用于濾波補(bǔ)償情況，需要指定濾波電容器的投切次序，對(duì)各組電容器的容量沒(méi)有限制。

濾波電容器投切次序的設(shè)置見(jiàn)電容器容量設(shè)置功能。

4 無(wú)功補(bǔ)償原理圖

圖1

圖3

5 經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益

安裝DWK3-110C12 高壓電容無(wú)功補(bǔ)償控制器后，提高了供電系統(tǒng)的功率因素，提高設(shè)備出力，降低功率損耗和電能損失，改善電壓質(zhì)量，節(jié)約了電力成本，與此同時(shí)由于該設(shè)備自動(dòng)投切，無(wú)需人為，減少了人力物力的投入，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

5.1 節(jié)省企業(yè)電費(fèi)開(kāi)支

提高功率因數(shù)對(duì)企業(yè)的直接經(jīng)濟(jì)效益是明顯的，因?yàn)閲?guó)家電價(jià)制度中，從合理利用有限電能出發(fā)，對(duì)不同企業(yè)的功率因數(shù)規(guī)定了要求達(dá)到的不同數(shù)值，低于規(guī)定的數(shù)值，需要多收電費(fèi)，高于規(guī)定數(shù)值，可相應(yīng)地減少電費(fèi)?？梢?jiàn)，提高功率因數(shù)對(duì)企業(yè)有著重要的經(jīng)濟(jì)意義。

5.2 提高設(shè)備的利用率

對(duì)于原有供電設(shè)備來(lái)講，在同樣有功功率下，因功率因數(shù)的提高，負(fù)荷電流減少，因此向負(fù)荷傳送功率所經(jīng)過(guò)的變壓器、開(kāi)關(guān)和導(dǎo)線等供配電設(shè)備都增加了功率儲(chǔ)備，從而滿足了負(fù)荷增長(zhǎng)的需要；如果原網(wǎng)絡(luò)已趨于過(guò)載，由于功率因數(shù)的提高，輸送無(wú)功電流的減少，使系統(tǒng)不致于過(guò)載運(yùn)行，從而發(fā)揮原有設(shè)備的潛力；對(duì)尚處于設(shè)計(jì)階段的新建企業(yè)來(lái)說(shuō)則能降低設(shè)備容量，減少投資費(fèi)用，在一定條件下，改善后的功率因數(shù)可以使所選變壓器容量降低。因此，使用無(wú)功補(bǔ)償不但減少初次投資費(fèi)用，而且減少了運(yùn)行后的基本電費(fèi)。

5.3 降低系統(tǒng)的能耗

補(bǔ)償前后線路傳送的有功功率不變，P=UICOSΦ，由于COSΦ 提高，補(bǔ)償后的電壓U2 稍大于補(bǔ)償前電壓U1，為分析問(wèn)題方便，可認(rèn)為U2≈U1 從而導(dǎo)出I1COSΦ1=I2COSΦ2。

即:I1/I2=COSΦ2/COSΦ1，這樣線損P 減少的百分?jǐn)?shù)為：

ΔP%=（1-I22/I12）×100%=（1-COS2Φ1/COS2Φ2）×100%

當(dāng)功率因數(shù)從0.70～0.85 提高到0.95 時(shí)，由(2)式可求得有功損耗將降低20%～45%。

5.4 改善電壓質(zhì)量

以線路末端只有一個(gè)集中負(fù)荷為例，假設(shè)線路電阻和電抗為R、X，有功和無(wú)功為P、Q,則電壓損失ΔU 為：

△U=（PR+QX）/Ue×10-3（kV）兩部分損失：PR/Ue→輸送有功負(fù)荷P 產(chǎn)生的；QX/Ue→輸送無(wú)功負(fù)荷Q 產(chǎn)生的；

配電線路：X=（2～4）R，△U 大部分為輸送無(wú)功負(fù)荷Q 產(chǎn)生的

變壓器：X=（5～10）R，QX/Ue=（5～10）PR/Ue 變壓器△U 幾乎全為輸送無(wú)功負(fù)荷Q 產(chǎn)生的?？梢钥闯觯魷p少無(wú)功功率Q,則有利于線路末端電壓的穩(wěn)定，有利于大電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)。因此，無(wú)功補(bǔ)償能改善電壓質(zhì)量（一般電壓穩(wěn)定不宜超過(guò)3%）。對(duì)于無(wú)功補(bǔ)償應(yīng)用的主要目的是改善功率因數(shù)，減少線損，穩(wěn)定電壓。

6 結(jié)論

古書(shū)院礦DWK3-110C12 高壓電容無(wú)功補(bǔ)償控制器系統(tǒng)的安裝調(diào)試工作得到晉煤集團(tuán)公司領(lǐng)導(dǎo)和古書(shū)院礦領(lǐng)導(dǎo)的重視和大力支持，在廠家技術(shù)人員和古礦技術(shù)人員的齊心協(xié)力和艱苦努力下，現(xiàn)全部完成了古礦西風(fēng)井無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)的安裝和調(diào)試，在安裝和調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，使系統(tǒng)性能更穩(wěn)定、功能實(shí)現(xiàn)更加完善。

［1］DWK3-110C12 高壓電容無(wú)功補(bǔ)償控制器使用說(shuō)明書(shū)[Z].陜西中冠電控有限公司.

［2］電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析[M].中國(guó)電力出版社.