电力无功补偿技术解析

穆子

大部分用电设备为感性负载，自然功率因数较低，用电设备在消耗有功功率的同时，还需无功功率由电源送往负荷。功率因数是供用电系统的一项重要技术经济指标，通过合理采用无功补偿技术，可以减少无功功率在电网中的流动。

 提高功率因数后可以达到节约电能、降低损耗的目的，同时用户也可以减少电费的支出。我国的电价结构包括基本电费、电能电费和按功率因数调整电费三部分。因此，用户通过合理的无功补偿投资，也能获得较好的经济效益。而目前许多农电用户对提高功率因数的重要性认识不足，造成了电能的损失和浪费。

1 无功补偿的技术原则

无功补偿设备的优化配置原则为：“总体平衡与局部平衡相结合；供电部门补偿与用户补偿相结合；集中补偿与分散补偿相结合，以分散为主；降损与调压相结合，以降损为主。”

   《电力系统电压无功技术导则》中规定：“3.2电力系统的无功电源与无功负荷，在高峰或低谷时都应采用分（电压）层和分（电）区基本平衡的原则进行配置和运行，并应具有灵活的无功电力调节能力与检修备用。

5.7220 kV及以下电压等级的变电所中，应根据需要配置无功补偿设备，其容量可按主变压器容量的0.10～0.30 确定。在主变压器最大负荷时，其二次侧的功率因数不小于表1中所列数值，或者由电网供给的无功功率与有功功率比值不大于规定数值。

《国家电网公司电力系统电压质量和无功电力管理规定》：  

“第五章无功电源建设与无功配置第二十条变电站应合理配置适当容量的无功补偿装置，并根据计算确定无功补偿装置的容量。35～220 kV变电站在主变压器最大负荷时，其一次侧功率因数应不低于0.95；在低谷负荷时功率因数应不高于0.95。”

《国家电网公司农网“十一五”科技发展规划纲要》：“节能降损目标是积极推广应用节能、降损、环保技术、淘汰高耗能变压器。中压综合线损率降到9％以下，低压线损率降到11％及以下。10千伏母线功率因数达到0.95以上的目标。”

《电力系统电压和无功电力管理条例》：“第十二条用户在当地供电局规定的电网高峰负荷时的功率因数，应达到下列规定：

 高压供电的工业用户和高压供电装有带负荷调整电压装置的电力用户功率因数为0.90及以上，其它100 kVA（kW）及以上电力用户和大、中型电力排灌站功率因数为0.85及以上，趸售和农业用电功率因数为0.80及以上。凡功率因数未达到上述规定的新用户，供电局可拒绝接电。”

配电系统中无功补偿的方式如图2所示，方式1为变电所的集中补偿，方式2为配电台区的集中补偿，方式3为线路上的无功补偿，方式4为分散补偿。

220 kV及以下电网的容性无功补偿设备总容量，可按下式计算

QC =1.15QD－QG－QR－QL

式中 QC——容性无功补偿设备总容量；

QD——最大自然无功负荷；

QG——本网发电机的无功功率；

QR——主网和邻网输入的无功功率；

QL——线路和电缆的充电功率。

10(6)kV 配电线路上宜配置高压并联电容器，或者在配电变压器低压侧配置低压并联电容器。电容器的安装容量不宜过大，一般约为线路配电变压器总容量的 0.05～0.10，并且在线路最小负荷时，不应向变电所倒送无功。如配置容量过大，则必须装设自动投切装置。变压器的无功消耗可按下式计算

ΔQT = [I0％/100＋VK％/100×β2]S e

式中 I0%——变压器空载电流的百分数；

VK％——变压器短路电压的百分数；

S e——变压器的额定容量，kVA；

β——变压器的负载率。

通常补偿容量为变压器无功消耗的1.2~1.4倍。

2 功率因数调整电费的计算方法

供电部门在为用户确定供电方案时，除了核准供电容量、确定供电电源点、供电电压等级、计量装置的设置、计费方式、用户注入电网的谐波分量，以及方案有效期外，还对功率因数给定了一个最低限值，分别为0.9、0.85、0.8。

根据国家现行电价的规定，用户功率因数分别以0.9、0.85、0.8为基础，当功率因数高过这些值时，可按比例减少电费；当用户用电的功率因数低于这些值时，要按比例增加当月电费，具体计算方法是W = (1＋a%)(F1＋F2)

式中 W——当月电费，元；

F1——基本电费，元/kVA；

F2——电量电费，元/kWh；

a%——功率因数调整电费系数。

当用户cosφ > 0.9，0.85，0.80标准时，a%为负值，当用户cosjφ ，0.85，0.80标准时，a%为正值，当用户cosφ = 0.9，0.85，0.80标准时，a% = 0。

3 应用实例

某一用户的变压器容量为6.3MVA，月用电量为35×105 kWh，平均功率因数为0.8。若该用户的功率因数标准为0.8，计算该用户补偿到0.92时的经济效益。基本电费按每kVA每年180元、电量电费按 0.4元/kWh计算。补偿装置每kVA的投资按60元，资产折旧率为10％，无功补偿设备的有功损耗为其额定容量的3%。计算过程如下。

3.1 计算补偿容量

补偿前cosφ 1= 0.8，tanφ 1 = 0.75，平均有功功率为P1=350×10000/30/24 = 4861（kW），无功功率为Q1 = P1×tanφ 1 = 3645.75（kvar）。

假设补偿电容器容量为xkvar，经补偿后，功率因数为 cosφ 2 = 0.92，tanφ 2 = 0.426，无功功率为Q2 = Q1-x，而用户的有功功率P2 = P1   0.03x，于是tanφ 2 = Q2/P2=0.426，解得x = 1569 ≈ 1600（kvar）。

3.2 补偿前用户的年支出费用

基本电费为6.3×1000×180/10000 =113.4（万元）；

电量电费为350×12×0.4 = 1680（万元）；

用户总支出电费为113.4   1680 = 1793.4（万元）。

3.3 补偿后用户年支出费用

电容器年运行时间按8000小时估算，则电量电费为0.4×1600×0.03×8000/10000   1680 = 1695（万元），总电费为113.4   1695 = 1808.4（万元）。

按功率因数调整后电费为1808.4×(1-0.013) =1784.9（万元）；

无功补偿设备投资为1600×60/10000 =9.6（万元），则资产折旧费为0.96万元；

用户年总支付费用为1784.9   0.96 = 1785.9（万元）；

补偿后每年经济效益为1793.4-1785.9= 7.5（万元）。每年节约电费为1793.4-1784.9 = 8.5（万元），投资可在1.1年左右回收。

若该用户的平均功率因数为0.85，功率因数标准也为0.85，其它计算条件不变，计算该用户补偿到0.94时的经济效益，计算过程如下：

计算补偿量：补偿前cosφ1 = 0.85，tanφ 1 = 0.62，平均有功功率为P1 =350×10000/30/24 = 4861（kW），无功功率为Q1 = P1×tanφ 1 = 3013.82（kvar）。

    假设补偿电容器容量为x kvar，经补偿后，功率因数为cosφ 2 = 0.94，tanφ 2 = 0.363，无功功率为Q2= Q1-x，而用户的有功功率P2 = P1   0.03，于是tanφ 2 = Q2/P2 =0.363，解得x = 1235≈1200（kvar）补偿前用户年支出费用如上述计算，仍为1793.4万元。

补偿后用户年支出费用。电容器年运行时间按8000h估算，则电量电费为0.4×1200×0.03×8000/10000  1680 = 1691.5（万元），总电费为113.4   1691.5 =1804.9（万元）。

按功率因数调整后电费为1804.9×(1-0.011） = 1785（万元）；

无功补偿设备投资为1200×60/10000 =7.2（万元），则资产折旧费为0.72万元；

用户年总支付费用为1785   0.72 = 1785.7（万元）；

补偿后每年经济效益为1793.4-1785.7= 7.7（万元）。每年节约电费为1793.4-1785 = 8.4（万元），投资可在0.86年左右回收。

 由以上的计算可以看出，无功补偿的效益非常明显，无论从0.8补到0.92还是从0.85补到0.94，用户投资可在一年左右回收，而且上述计算还没有包括因补偿减少视在功率对用户的收益。用户补偿后也使电网降低了损耗，提高了电压质量。因此，提高功率因数不但为国家节约了电力资源，而且给用户节约了资金，为企业创造了可观的经济效益，是一件利国利民的好事。