【導(dǎo)讀】在交流電路中，電壓與電流之間的相位差(Φ)的余弦叫做功率因數(shù)。用符號(hào)cosΦ表示，在數(shù)值上，功率因數(shù)是有功功率和視在功率的比值，即cosΦ=P/S功率因數(shù)的大小與電路的負(fù)荷性質(zhì)有關(guān)， 如白熾燈泡、電阻爐等電阻負(fù)荷的功率因數(shù)為1，一般具有電感或電容性負(fù)載的電路功率因數(shù)都小于1。
在交流電路中，電壓與電流之間的相位差(Φ)的余弦叫做功率因數(shù)。用符號(hào)cosΦ表示，在數(shù)值上，功率因數(shù)是有功功率和視在功率的比值，即cosΦ=P/S功率因數(shù)的大小與電路的負(fù)荷性質(zhì)有關(guān)， 如白熾燈泡、電阻爐等電阻負(fù)荷的功率因數(shù)為1，一般具有電感或電容性負(fù)載的電路功率因數(shù)都小于1。功率因數(shù)是電力系統(tǒng)的一個(gè)重要的技術(shù)數(shù)據(jù)。功率因數(shù)是衡量電氣設(shè)備效率高低的一個(gè)系數(shù)。功率因數(shù)低，說(shuō)明電路用于交變磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換的無(wú)功功率大，從而降低了設(shè)備的利用率，增加了線路供電損失。所以，供電部門(mén)對(duì)用電單位的功率因數(shù)有一定的標(biāo)準(zhǔn)要求。
(1) 最基本分析：拿設(shè)備作舉例。例如：設(shè)備功率為100個(gè)單位，也就是說(shuō)，有100個(gè)單位的功率輸送到設(shè)備中。然而，因大部分電器系統(tǒng)存在固有的無(wú)功損耗，只能使用70個(gè)單位的功率。很不幸，雖然僅僅使用70個(gè)單位，卻要付100個(gè)單位的費(fèi)用。在這個(gè)例子中，功率因數(shù)是0.7 (如果大部分設(shè)備的功率因數(shù)小于0.9時(shí)，將被罰款)，這種無(wú)功損耗主要存在于電機(jī)設(shè)備中(如鼓風(fēng)機(jī)、抽水機(jī)、壓縮機(jī)等)，又叫感性負(fù)載。功率因數(shù)是馬達(dá)效能的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。
(2) 基本分析：每種電機(jī)系統(tǒng)均消耗兩大功率，分別是真正的有用功(叫千瓦)及電抗性的無(wú)用功。功率因數(shù)是有用功與總功率間的比率。功率因數(shù)越高，有用功與總功率間的比率便越高，系統(tǒng)運(yùn)行則更有效率。
(3) 高級(jí)分析：在感性負(fù)載電路中，電流波形峰值在電壓波形峰值之后發(fā)生。兩種波形峰值的分隔可用功率因數(shù)表示。功率因數(shù)越低，兩個(gè)波形峰值則分隔越大。保爾金能使兩個(gè)峰值重新接近在一起，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。
電容補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用
隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，大量的居住樓盤(pán)、高檔商場(chǎng)、賓館、辦公樓等民用建筑在城市中拔地而起，使城市用電量快速增長(zhǎng)。但是，在這些民用建筑場(chǎng)所內(nèi)使用的多為單相電感性負(fù)荷，因其自身功率因數(shù)較低，在電網(wǎng)中滯后無(wú)功功率的比重較大。為保證降低電網(wǎng)中的無(wú)功功率，提高功率因數(shù)，保證有功功率的充分利用，提高系統(tǒng)的供電效率和電壓質(zhì)量，減少線路損耗，降低配電線路的成本，節(jié)約電能，通常在低壓供配電系統(tǒng)中裝設(shè)電容器無(wú)功補(bǔ)償裝置。主要通過(guò)設(shè)計(jì)工作中所遇到的具體工程對(duì)無(wú)功自動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆绞胶桶惭b位置作出了分析和比較。
１分相自動(dòng)補(bǔ)償?shù)谋匾?/div>
無(wú)功自動(dòng)補(bǔ)償按性質(zhì)分為三相電容自動(dòng)補(bǔ)償和分相電容自動(dòng)補(bǔ)償。
三相電容自動(dòng)補(bǔ)償適用于三相負(fù)載平衡的供配電系統(tǒng)。因三相回路平衡，回路中無(wú)功電流相同，所以在補(bǔ)償時(shí)，調(diào)節(jié)無(wú)功功率參數(shù)的信號(hào)取自三相中的任意一相，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，三相同時(shí)投切可保證三相電壓的質(zhì)量。三相電容自動(dòng)補(bǔ)償適用于有大量的三相用電設(shè)備的廠礦企業(yè)中。
在民用建筑中大量使用的是單相負(fù)荷，照明、空調(diào)等由于負(fù)荷變化的隨機(jī)性大，容易造成三相負(fù)載的嚴(yán)重不平衡，尤其是住宅樓在運(yùn)行中三相不平衡更為嚴(yán)重。由于調(diào)節(jié)補(bǔ)償無(wú)功功率的采樣信號(hào)取自三相中的任意一相，造成未檢測(cè)的兩相要么過(guò)補(bǔ)償，要么欠補(bǔ)償。如果過(guò)補(bǔ)償，則過(guò)補(bǔ)償相的電壓升高，造成控制、保護(hù)元件等用電設(shè)備因過(guò)電壓而損壞；如果欠補(bǔ)償，則補(bǔ)償相的回路電流增大，線路及斷路器等設(shè)備由于電流的增加而導(dǎo)致發(fā)熱被燒壞。這種情況下用傳統(tǒng)的三相無(wú)功補(bǔ)償方式，不但不節(jié)能，反而浪費(fèi)資源，難以對(duì)系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償進(jìn)行有效補(bǔ)償，補(bǔ)償過(guò)程中所產(chǎn)生的過(guò)、欠補(bǔ)償?shù)缺锥烁菍?duì)整個(gè)電網(wǎng)的正常運(yùn)行帶來(lái)了嚴(yán)重的危害。
據(jù)有關(guān)資料介紹，某地綜合樓是集商場(chǎng)、銀行、辦公、車(chē)庫(kù)、賓館為一體的一類高層建筑，總建筑面積3.2萬(wàn)m2。主要用電設(shè)備有空調(diào)機(jī)組、水泵、風(fēng)機(jī)及照明燈具等，其中照明燈具均為單相負(fù)荷，功率因數(shù)在0.45-0.75之間。低壓有功計(jì)算負(fù)荷2815KW，其中，照明用電有功負(fù)荷1086.5kw，其它負(fù)荷基本為空調(diào)、風(fēng)機(jī)、水泵、電梯等三相負(fù)荷。補(bǔ)償前無(wú)功功率3182kvar，若整體功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)?.92，需補(bǔ)償1982kvar，補(bǔ)償后無(wú)功功率1200kvar。原設(shè)計(jì)采用低壓配電室并聯(lián)電容器組三相集中自動(dòng)補(bǔ)償，工程竣工投入使用后，經(jīng)常出現(xiàn)儀器、燈具等用電設(shè)備燒壞或不能正常使用等情況，影響正常經(jīng)營(yíng)和工作。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)低壓饋線回路三相負(fù)荷不平衡，差距很大，電流差異大，最大相電流差為900A；檢測(cè)母線電壓，三相母線電壓有的高達(dá)260V，有的低到190V。通過(guò)分析是三相電容自動(dòng)補(bǔ)償造成的結(jié)果。
對(duì)于三相不平衡及單相配電系統(tǒng)采用分相電容自動(dòng)補(bǔ)償是解決上述問(wèn)題的一種較好的辦法，其原理是通過(guò)調(diào)節(jié)無(wú)功功率參數(shù)的信號(hào)取自三相中的每一相，根據(jù)每相感性負(fù)載的大小和功率因數(shù)的高低進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，對(duì)其它相不產(chǎn)生相互影響，故不會(huì)產(chǎn)生欠補(bǔ)償和過(guò)補(bǔ)償?shù)那闆r。
該裝置的控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊采用新型單片機(jī)和大規(guī)模集成電路，開(kāi)關(guān)模塊采用大功率晶閘管，實(shí)現(xiàn)電容器組的零電壓投入和零電流切除，無(wú)合閘浪涌電流沖擊，無(wú)火花和諧波干擾。產(chǎn)品特點(diǎn)如下：
⑴實(shí)現(xiàn)了控制模塊的數(shù)字化和智能化，開(kāi)關(guān)執(zhí)行單元無(wú)觸點(diǎn)，確保了控制精度和運(yùn)行的可靠性；
⑵全自動(dòng)分相、分級(jí)按需補(bǔ)償；
⑶可靈活設(shè)定過(guò)壓、欠壓、欠流延時(shí)等參數(shù)，具有完善的越限報(bào)警和過(guò)壓、欠壓、缺相、缺零、諧波越限保護(hù)縮閉功能，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行；
⑷實(shí)時(shí)數(shù)字式測(cè)量、顯示電網(wǎng)中的主要參數(shù)：功率因數(shù)、電壓、電流、諧波電壓及電流、有功功率及電度、無(wú)功功率及電度等；
⑸帶有諧波分析，測(cè)量總的諧波失真（THD）以及1～31次諧波電壓及電流，為治理諧波提供準(zhǔn)確的數(shù)字依據(jù)；
⑹采用“自愈式”電容器，具有使用壽命長(zhǎng)、可靠性強(qiáng)、溫升小、無(wú)需專門(mén)散熱裝置等優(yōu)點(diǎn)；
⑺具有數(shù)據(jù)采集功能和標(biāo)準(zhǔn)的通信接口（RS232），可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)管理；
⑻采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，易于維護(hù)和升級(jí)。
從上述產(chǎn)品的功能可以看出，智能三相自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償能自動(dòng)檢測(cè)各相負(fù)載的功率因數(shù)，同時(shí)自動(dòng)分相投入各相所需的電容補(bǔ)償量，以使各相的無(wú)功功率補(bǔ)償達(dá)到最佳狀態(tài)，對(duì)于大量使用單相用電負(fù)荷，易產(chǎn)生三相不平衡的用電單位如住宅小區(qū)、賓館、飯店、大型商場(chǎng)等民用建筑的配電系統(tǒng)有改善功率因數(shù)、提高電網(wǎng)效率、改善電壓質(zhì)量、節(jié)約用電、增大變器有功容量等顯著效果，較大程度滿足了“電網(wǎng)綠化”的要求。
2分組電容自動(dòng)補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用在低壓電網(wǎng)中大量的用電設(shè)備為電感性，尤其是在大面積、大開(kāi)間的商場(chǎng)、辦公樓等日常生活和辦公場(chǎng)所，大都會(huì)采用發(fā)光效果好的熒光燈進(jìn)行人工照明。熒光燈具有光效好、壽命長(zhǎng)、無(wú)污染等特點(diǎn)，屬綠色光源。目前，民用建筑工程中大量使用電感型鎮(zhèn)流器熒光燈，壓它具有成本低、壽命長(zhǎng)、維修工作量少、投資少等優(yōu)點(diǎn)，但其啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，功率因數(shù)低，約為0.5～0.6，自身?yè)p耗大，加大了供配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)損耗，造成了能源的浪費(fèi)。
通過(guò)電容補(bǔ)償?shù)姆绞絹?lái)解決大面積商場(chǎng)、辦公樓的感性負(fù)荷功率因數(shù)低的問(wèn)題是目前設(shè)計(jì)中常用的方法。
我們?cè)谠O(shè)計(jì)中通常的做法有兩種：在變配電所設(shè)置集中高壓或低壓補(bǔ)償柜，對(duì)系統(tǒng)前端進(jìn)行補(bǔ)償，雖能滿足供電部門(mén)對(duì)并網(wǎng)功率因數(shù)的要求，但對(duì)以下各級(jí)分支電路不作補(bǔ)償，因此低壓配電線路中無(wú)功電流大，從而造成線路截面和配電開(kāi)關(guān)容量不能減小，且不能保證整個(gè)低壓系統(tǒng)的供電質(zhì)量；另一種做法是在每臺(tái)用電設(shè)備或每盞照明燈具內(nèi)設(shè)置電容器個(gè)別單獨(dú)進(jìn)行補(bǔ)償，這種方式效果較好，對(duì)于廠礦企業(yè)使用的單臺(tái)大容量用電設(shè)備比較適用，但對(duì)于大型商場(chǎng)等民用建筑來(lái)說(shuō)，補(bǔ)償投資成本太大，性價(jià)比低，安裝分散，造成后期維修量大、維修困難，且電容器利用率低，實(shí)際應(yīng)用并不理想，所以很少采用。
在目前低壓補(bǔ)償電容器技術(shù)和制造質(zhì)量、自動(dòng)投切裝置有了很大提高的前提下，筆者認(rèn)為在這類民用建筑的配電系統(tǒng)中分組設(shè)置補(bǔ)償電容，即根據(jù)建筑使用功能分區(qū)，用電較集中、電氣設(shè)備功率因數(shù)較低的配電箱處設(shè)置電容補(bǔ)償裝置較為適宜。
分組補(bǔ)償可提高設(shè)備利用率，減少配電系統(tǒng)容量
視在功率S=，由此可知在有功功率不變的前提下，提高功率因數(shù)可降低無(wú)功功率，減小配電系統(tǒng)的容量。
當(dāng)功率因數(shù)由0.65提高到0.92時(shí)，設(shè)備利用率為：
η＝×100％＝×100％＝29.35％
即補(bǔ)償后設(shè)備利用率提高了29.35％。
在選用型號(hào)及截面相同的電纜時(shí)，減少了線路損耗
根據(jù)公式：Ｉ＝，線損P＝12R，則：
ΔＰ＝２Ｒ－２Ｒ
η＝＝×100％＝×100％＝50.08％
即補(bǔ)償后線路損耗降低了50.08％。
2分組補(bǔ)償?shù)目尚行?/div>
下面結(jié)合工程應(yīng)用舉例說(shuō)明分組補(bǔ)償?shù)目尚行浴?/div>
某地新華書(shū)店大樓由商場(chǎng)、書(shū)店?duì)I業(yè)廳、餐飲、賓館、地下車(chē)庫(kù)、辦公室組成，屬一類高層，功能較復(fù)雜。其中1～6層為書(shū)店?duì)I業(yè)廳，單層面積約2800m2（標(biāo)準(zhǔn)層，每層均相同），其照明采用電感類熒光燈，功率因數(shù)較低。方案設(shè)計(jì)時(shí)只在變電所設(shè)集中補(bǔ)償柜.
1～6層配電照明箱由變配電所采用一回路供電，開(kāi)關(guān)為1250Ａ，空氣絕緣母線槽選用一段1250Ａ，每層配電照明箱進(jìn)線開(kāi)關(guān)選用250Ａ；分組每層設(shè)電容補(bǔ)償比在變配電所設(shè)集中補(bǔ)償柜電容器總?cè)萘恳叱?0％左右。但減少了開(kāi)關(guān)、供電線路的投資，這部分費(fèi)用相對(duì)于電容器的投資要高許多。每層在配電照明箱處設(shè)電容補(bǔ)償并不增加配電箱的數(shù)量，只需將配電照明箱的尺寸加大，電容器裝于箱內(nèi)，這樣也節(jié)省了低壓配電室內(nèi)電容補(bǔ)償柜的占地面積。另因?yàn)檠a(bǔ)償電容配置了智能控制器，產(chǎn)品模塊化，具有數(shù)據(jù)采集功能和標(biāo)準(zhǔn)的通信接口（RS232），可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)管理，便于檢測(cè)、維護(hù)和升級(jí)。
從上述舉例可看出，根據(jù)各層配電照明箱的設(shè)置分組裝設(shè)電容補(bǔ)償?shù)姆绞捷^好地解決了集中和個(gè)別設(shè)置補(bǔ)償造成的線路中無(wú)功電流增大、相應(yīng)配電線路截面及開(kāi)關(guān)容量加大和補(bǔ)償投資成本大、安裝分散、后期維修量大、維修困難等問(wèn)題。對(duì)于大型商場(chǎng)、寫(xiě)字樓等大量使用低功率因數(shù)設(shè)備的民用建筑設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)具體情況采用分組設(shè)置電容補(bǔ)償方式比較合理。
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