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电力无功补偿方面的一场革命
—论对无功进行分散补偿的经济效益
一、前言
现今文明社会电作为二次能源已被人类广泛的应用，在工业、农业和人民日常生活中处处都离不开电，特别是家用电器已进入广大居民家庭，电的用量剧增，节约用电势在必行。
在1940年第二次世界大战以前，人们在把电能转变为机械能时通常使用的是同步电动机和直流电动机，因这两种电动机定子和转子都绕线包，制造比较复杂，价格也昂贵，不能适应当时军火工业的需要，于是科学家就研究出异步电动机，即转子制造成鼠笼式不再绕线包，这样制造工艺简单，价格也便宜，很快适应当时军火工业的需要。此后异步电动机就得到极其广泛的应用。但是，由于转子不励磁需要定子建立电磁场后才能感应转子拖动，异 步电动机建立电磁场所消耗的电能由于没有作功，人们通常把它叫做无功。
异步电动机大量投入使用以后，在把电能转变为机械能的过程中需要消耗大量的无功功率，这样在电能输送的过程中，既要输送有功电流，还要输送无功电流，从而增加了输电线的负担，使电力网的功率因数很低，致使当时的东欧电力系统发生系统瓦解事故，造成大面积停电。
为了补偿这部分无功功率，减少输电线无功损耗，提高电力系统运行的安全可靠性。当时的电力工作者利用电感和电容在向量上相差180度的原理，提出在受电端加装电力电容器来补偿异步电动机所产生的无功功率。
二、无功补偿的必要性
众所周知，平衡的三相三线系统的功率叫可以用下式表示：
P=√3 UICOS Φ ①
由上式可得，
I=P/√3 UICOS Φ ②
在负荷功率P和电压U不变的情况下，电流I与功率因数COSΦ成反比。
I∝1/COS Φ ③
由于在输送同样功率途中，配电线路电阻的焦耳热损失△P与电流的平方成正比，即△P∝I2。根据电流I与功率因数的关系式③则得
△P∝1/COS2 Φ ④
由于功率损耗△P与功率因数的平方成反比。因此，在配电线路里提高功率因数来降损节电的效果十分显著。
现在我们来看功率因数由0.4改善到0.8时，功率损耗将下降多少。
设功率因数改善前后的功率损耗分别为△P1和△P2，功率因数分别为COSΦ1，和COSΦ2，功率损耗下降率为α
则α=△P1-△P2/△P1=1-△P2/△P1=1-COS2Φ1/ COS2Φ2=1-0.4/0.8=0.75=75%
即输电线路损耗将下降75％，由于改善功率因数具有十分明显的降损节电效果，所以供电部门就要求用户进行无功补偿，并用功率因数这个指标来衡量用户进行无功补偿的程度。
三、供电部门对电力用户功率因数的要求
为了减少配电线路的无功损耗，在受电端加装电力电容器来改善功率因数是个行之有效的方法。在输电线路里如果负荷的功率因数低，不仅电路电压下降，电能损耗增大，设备容量得不到充分发挥，而且电费支出也会增加。如果电力设备能在改善低功率因数后的高功率因数下运行，上述问题就能得到解决。
由于改善功率因数对供电部门在降低线路损耗，提高电压，增加设备容量，改善电网的运行水平具有十分重要的作用。供电部门就对电力用户的功率因数提出具体规定，凡是功率因数不合格的就要征收罚款，直至停止供电，以求补偿由于用户功 率因数低给电力系统带来的危害。
在1983年12月以前电力部门只对560KVA以上的用户进行功率因数考核，对560KVA以下的电力用户未实行。
为了降低损耗节约电能，1983年12月，原水利电力部和国家物价局颁发了按功率因数调整电费办法，并对不同类型的电力用户分别规定了三种不同的功率因数标准。
(1) 功率因数0.9适用于160KVA以上高压供电工业用户(包括社队工业用户)，装有带负荷调整电压装置的高压供电用户，3200KVA及以上的高压供电力排灌站。
(2) 功率因数0.85适用于1OOKVA(KW)及以上的其它工业用户(包括社队工业用户)，1OOKVA(KW)及以上的非工业用户和1OOKVA(KW)及以上的电力排灌站。
(3) 功率因数0.80适用于1OOKVA(KW)及以上的农业用户和趸售用户，但大工业用户未划由电业部门直接管理趸售用户，功率因数标率为0.85。
四、集中补偿的不足之处
电力用户为了满足供电部门对功率因数的要求，就采取加装无功补偿设备。以前在无功补偿方面，各国多采用集中补偿的方式，即在用户的配电室0.4KV母线上安装电力电容器进行集中补偿。这样的补偿方式只能改善配电变压器0.4KV母线以上电网的功率因数，而对用户内部的低压配电线路则功率因数还是得不到改善，也就是说对用户没有什么经济效益。同时，采用集中补偿时，当用户负荷满载运行时，功率因数却比较低。而在用户停止负荷运行后，功率因数又往往超前。这时无功功率将向电力系统倒流，从而引起线路电压升高，加大电能损耗给电力系统带来极为不利的影响。因此，供电部门要求用户的功率因数必须始终处于滞后的状态。
供电部门为了防止用户功率数超前，就采取加装反向无功电度表的办法，近年来又研究出双向无功电度表，即无功滞后和超前无功电度表都计量，这就使用户在装电容器的情况下功率因数仍然达不到规定的标准。用户为满足供电部门的要求，往往需要加装自动控制装置，这就增加了用户对无功补偿的投资。用户应如何加装无功补偿装置才能既使功率因数满足供电部门的规定标准，又能使企业内部获得最大经济效率，这就是我们要研究的新课题。
五、无功分散补偿的优越性
自从七十年代末期全世界发生能源危机以来，各国对合理利用能源的问题进行了广泛的研究，特别是对合理利用电能进行了认真探讨。1980年11月，日本《电气计算》杂志集中发表7篇有关无功分散补偿的论文，对无功分散补偿进行了全面论述。
众所周知，将电压由10KV通过变压器变到0.4KV，其变比是25倍，如果在10KV线路里的电流是1安培，而在0.4KV侧就是25安培。由于电能损耗同电流的平方成正比。这样在0.4KV线路里的损耗就是1OKV线路里损耗的625倍，这个数值是相当惊人的。而目前在国内绝大多数用电单位内部的0.4KV线路里，很少加装无功补偿设备，使大量电能白白浪费掉，这是目前所普遍采用的在用户0.4KV母线上加装无功集中补偿的主要不足之处，心须引起高度的重视，这也就是我们在0.4KV线路里推行无功分散补偿来节约电能的主要理论根据。
所谓无功分散补偿就是在0.4KV配电线路里的异步电动机旁加装容量相匹配的电力电容器，使异步电动机以上0.4KV线路里的功率因数都得到改善，使无功补偿更接近于负荷末端，使无功分散补偿就地平衡，从而把电能损耗降到最低限度。
根据日本《电气计算》杂志介绍的经验公式：
电容器容量（KVAr）=(1/2－1/4)×异步电动机的额定容量(KW)
西安市海阔电力电容器厂研制的BKMJ型2—150千伏安系列低电力电容器可以和4—380KW异步电动机直接并联，为无功分散补偿提供了一项关键备。BKMJ型系列低压电力电容器被列为国家级推广项目，是被国家经贸委、计委和国家科委联合向全国推荐的优秀节能产品。
作者经过10余年来在0.4KV线路里推广无功分散补偿的实践证明。可使电力用户的功率因数提高到0.9以上，达到无功集中补偿同样的效果不被供电部门罚款；可以提高异步电动机的端电压、避免烧坏电动机；可使0.4KV配电系统增容30％，减少设备投资；更重要的是可为电力用户节约10％以上的电费，其经济效益十分明显。
西安市高陵县西京水泥厂安装无功分散与集中补偿相结合以后，每月用电量从50万KW.h下降到45万KW.h，节电10％以上，投资4万多元不足两个月就收回投资。通过数百家电力用户使用统计证明节电都在10％以上。此项科技成果已经西安市科委组织专家鉴定通过，并荣获1997年西安市科技进步奖。
六、6—10KV高压无功分散补偿装置的研制
作者在0.4KV低压异步电动机上推行无功分散补偿的过程中，发现在水泥、炼钢等行业中还有不少6—1OKV高压异步电动机，而且功率都比较大，用电量占的比例也很大。当只对0.4KV异步电动机进行无功分散补偿以后，用户的功率因数还是达不到规定的标准，还要受供电局的罚款。
为了解决6—10KV高压异步电动机的无功补偿问题，作者根据在0.4KV系统进行无功分散补偿的原理和选配公式。1994年10月4日，首先在陕西省大荔县钢厂1台6KV320KW异步电动机上进行无功分散就地补偿一次试验成功。电压升高0.2KV，因启动力矩同电压的平方成正比，故启动力矩增大，启动时间由13秒减少到9秒。功率因数山0.8提高到0.98，电流下降7.5A。从此改变了因功率因数低而被罚款的问题。此后的1995年在河南省南阳市 的华利水泥厂、1997年在福建省厦门市凤山水泥厂、1998年4月在陕西省眉县第二水泥厂、1998年10月在西安供电局市区10KV线路上相继安装了五台高压无功分散补偿装置。经过几年的运行证明设计合理，运行安全可靠，是解决6—10KV高压异步电动机和6—1OKV高压线路无功分散补偿的高效节能的新产品。
1998年6月20日，经西安市科委组织专家进行了鉴定，鉴定意见如下：
1、无功分散补偿装置具有降低线路损耗、提高功率因数，提高设备能力的节能效果，是具有广阔前景的节能设备，它的推广使用必将带来重大的经济效益和社会效益。
2、6—1OKV系列高压无功分散补偿装置用于高压电动机等用电设备的就地补偿，根据查新报告未见正式报导，实际使用也不多，达到国内先进水平。高陵电力电容器厂所研制的产品在陕西眉县第二水泥厂，河南南阳华利水泥厂等单位实际使用，具有显著的节能效果和经济效益。
3、鉴定委员会认为，西安高陵电力电容器厂所研制的GYWB型6—1OKV系列的高压无功分散补偿装置在某些领域已有成功的应用，希望进一步进行系统的理论研究，特别是针对不同工况的使用安全可靠性的研究。鉴定委员会同意通过成果鉴定。鉴定委员会高度评价西安高陵电力电容器厂为研制无功分散补偿装置这一节能设备所做的努力，并建议有关部门大力支持。
在成果鉴定通过经有关新闻单位宣传报导以后，首都钢铁公司首先派人前来了解情况，索取有关资料，准备在炼钢炉的大型风机上采用。此后唐山都河发电厂、沈阳东北制药厂、鞍山矿山设计院、成都正惠电气投资发展公司、宁波北仑科技工业园区、兰州508信箱都相继来电索取技术资料。高压无功分散补偿装置在全国引起强烈的反响，说明此种节能产品具有广阔的发展前途。
我国现有火力发电厂500余家，发电厂既是发电单位，又是一个大的电力用户，厂用电一般占8％左右。而在厂用电中6KV高压异步电动机的用电量又占有很大的比例，而在全国的火力发电厂中还都没有进行无功补偿，特别是在6KY高压异步电动机上进行无功分散就地补偿。为此，作者已和陕西省渭河发电厂和朝韩城发电厂的有关部门进行联系，准备在火力发电厂的高压异步电动机上进行试验，进而在全国的火力发电厂中推广，使厂用电下降1 个百分点。从陕西电力系统的火力发电厂用电来说，每年发电200亿KW.h，厂用电就16亿KW.0h，如下降1个百分点，就可节电2亿KW.h，每KW.h发电成本按0.2元计就可节约4000万人民币，其经济效益十分可观。
除在火力发电厂的高压异步电动机上采用以外，在1OKV供电线路上配电变压器的高压侧进行无功分散补偿，对于改善10KV供电线路的运行水平是十分有利的。陕西省有10个供电局，1OKV高压线路上千条，年供电量200亿KW.h，线损率8％左右，除高压网损占2％外，其余6％都损失在10KV供电线路上，年损失电量12亿KW.h，如能全面采用高压无功分散补偿，使线损率下降10％，就叫节电1.2亿KW.h，每KW.h供电成本按0.3元折合人民币3600 万元，节电的潜力十分惊人。如能在全国推广应用，节约人民币将以亿计。
七、10KV农网的无功分散补偿
在农村1OKV线路里，由于点多、线长、面广、负荷季节性强，配电变压器空载损耗大，以及异步电动机大马拉小车等多种因数，因而农村电网的功率因数特别低，有的竟低于0.4以下，所以认真研究提高农村电网的功率因数更是十分必要的。
在农村1OKV电网里，配电变压器的损耗占全部线路损耗的80％以上。而变压器的损耗分为铁损和铜损，铁损与负荷无关，几乎是恒定量，在配电变压器额定负荷时，铁损约占1/3。由于农村电网内配电变压器的负荷率很低，经常得于空载运行状态，所以配电变压器的铁损在总的线路损耗中就占有很大的比重。因此，在研究降低农村10KV电网的线路损耗时，注意力应着重放在降低配电变压器的铁损方面，只要配电变压器的铁损能得到补偿，在 降低10KV农网线路铁损方面就能收到预期效果。
对10KV农网配电变压器的铁损补偿可以按变压器容量的10％选配，即100KVA的变压器选10千伏安的电容器，就可把变压器的铁损全部补偿掉。可以把电容器并联在0.4KV侧变压器的桩头上，它们一起投入和停用，安装简单，只要变压器运行就可长期运行，因电容器量只有变压器容量的1/10，所以不会在低负荷时引起0.4KV电压升高到允许值以上。在变压器停运以后电容器通过变压器绕组进行放电，不需要另装放心装置。
西安供电局近年来相继在22条10KV农网上按照上述方法对配电变压器进行无功分散补偿，取得了显著的效果。每条线路的功率因数平均都由0.70提高到0.82，使配电变压器释放供电能力108OKVA，同时使线路首端电压由9.9KV升高到10.4KV，年节电量总计达109万KW.h，如果能在全国10KVW农网上推广无功分散补偿，以降低铁损，经济效益将更为显著。
八、农村用电负荷的分散补偿
随着改革开放各地的乡镇企业以及农民的生活水平不断提高，农村用电负荷（如排灌、井灌、打场、农副产品加工、饲料加工、防汛抽水、农机具修理、渔塘抽水灌水、各种家用电器等）也日益增多。由于负荷季节性强，如夏收、夏灌等农忙季节，用电量集中，经常发生变压器过负荷引起烧坏变压器事故的发生。如需增容投资又大，难以很快实现。这时，应当首先考虑采用无功补偿措施来解决问题。
西安市高陵县通远镇关寺村二组，有一台100KVA变压器在夏季抗旱期间要供11台5.5KW的水泵，因0.4KV线路长，功率因数低于0.5以下，不能全部开起来，只好分两组轮换供电，经过给每台水泵电机上并联3千伏安电容器以后，11台5.5KW水泵都开起来，解决了抗旱期间很大的问题。
此外，许多农用负荷（如农灌水泵等），都远离配电房，线路导线细而且供电半径长，电压低，电动机难以启动，经常过热，影响使用寿命，因而应当是推广分散补偿方式的最理想领域。西安市高陵县耿镇乡周家二组经给0.4KV供电线路上的异步电动机和线路末端加装无功分散补偿以后，月用电量下降1/3，电费由1700元下降为1200元，节约电费30%。
当前党路面提出加大农村电网改善，增加资金投入，力求在3年内使农村电网得到全面改造，减少损耗，减轻农民电费负担，因此应当把对农村电网进行无功分散补偿提到重要的议事日程。
【作者简介】
任海科，男，1960年毕业于西安交大电机工程系。现任“西安海阔电力电容器厂”厂长 |