改善功率因数的方法.doc

13.6改善功率因数的方法
1.提高自然功率因数的方法
(1)选择电动机的容量要尽量使其满载：采用降低用电设备无功功率的措施，称为提高设备的自然功率因数。各工业企业所取用的无功功率中，异步电动机约占70%以上。因为异步电动机在轻载或空载时，功率因数很低，空载功率因数只有0.2～0.3，满载时功率因数很高，约为0.85～0.89。所以，要正确选择异步电动机的容量，容量不能过大，尽可能满载运行。
为了避免电机轻载运行(俗称"大马拉小车")不合理的运行方式，现有电机又不能更换小容量的，可以改变电机定子绕组接线来降低电机运行电压，最常用的方法是"Y─Δ"法。适用于定子绕组为三角形接线，并有六个接线端、平均负荷在40％以下的轻载电动机。
(2)电力变压器不宜长期轻载运行：同理，选择电力变压器容量也不宜太大，因为对高压电网来说，变压器是高压电网的负载，也有提高功率因数的问题。如果变压器满载运行，变压器一次侧功率因数仅比二次侧降低3％～5％左右，若变压器轻载运行，当负荷率小于0.6时，一次侧的功率因数就显著下降，可达11％～18％。因此，电力变压器在负荷率为0.6以上时，运行才比较经济。通常在75％～80％比较合适。如果变压器负荷率长时间小于30％时，宜更换较小的变压器。
(3)合理安排工艺流程：在建筑工地，用电设备多，而且运行时间安排学问不少。尤其是应限制一些电器空载运行时间，如采用空载延时断电装置来限制电焊机和机床的空载运行。
(4)异步电动机的同步化运行：如果负荷率不大于0.7及最大负荷不大于90％的绕线式电动机，必要时在绕线式电动机起动完毕后，向转子三相绕组中送入直流电励磁，即产生转矩把异步机牵入同步运行，运行中可向电网输送无功功率从而改善了供电线路的功率因数。
2.补偿电容法提高功率因数
就是在感性负载两端并联适当容量的电容器，由于电容器是储能元件，利用它的无功功率来补偿用电设备的自感无功功率，故称为补偿法提高功率因数。其原理如图13-6所示。

图13-6感性负载与电容并联电路
(a)线路图(b)矢量图
在图13-5中，设电压为参考矢量，画在横座标方向，负载电流IRL可分解为IR和IL两个分量。因为电容电流IC导前电压90度所以与IL反相，可以抵消一部分自感无功电流分量IL，剩余无功电流分量为：
IX＝IL-IC，结果线路电流I小于IRL，即：
I＝√IR2＋(IL-IC)
如果并电容前的功率因数为：
COSφ1＝IR/IRL
并联电容以后的线路功率因数为：
COSφ2＝IR/I
因为I＜IRL，所以COSφ2＞COSφ1，功率因数提高了。
注意：所谓提高功率因数是指供电线路的功率因数，并没有改变负载本身的性质或功率因数。对负载的电流、电压、功率、功率因数都不变。
13.6.2补偿电容的形式
(1)高压集中补偿高压集中补偿是将并联电容器集中装设在高压变配电所的高压母线上，这种补偿方式只能补偿高压母线前边(电源方向)所有线路上的无功功率，而高压母线后边厂内线路的无功功率是得不到补偿的。所以这种补偿方式的经济效果较差。但这种补偿对于电力系统起了补偿作用，从电力系统的全局来看，这种补偿是必要的和合理的。而且由于集中补偿的初投资少，便于运行维护，可按实际负荷情况调节电容器的容量(也就是调节电容器投入的个数)来合理地提高功率因数，这种补偿方式用于大型变电所。
(2)低压分散补偿低压分散补偿是将并联电容器分散地装设在各个用电设备的附近，这种补偿方式能够补偿安装部位前边的所有高低压线路和变电所变压器的无功功率，因此它的补偿范围大，效果好。但是这种补偿方式总的设备投资大，且不便维护。对于补偿容量较大的建筑，多采用高压集中补偿和低压分散补偿相结合的方式。
(3)低压成组补偿低压成组补偿是将并联电容器组装设在变电所的低压母线上，这种补偿方式能补偿变电所低压母线前边的包括变压器和用户高压配电线在内的所有的无功功率，其补偿范围比高压集中补偿大，但比低压分散补偿的范围小。这种补偿方式的优缺点介乎高压集中补偿和低压分散补偿之间。它在建筑小区或中小型工厂应用较多。
13.6.3补偿电容的计算
1.补偿功率因数的要求
补偿经常采用低压侧分组补偿，一般要求低压侧功率因数不小于0.85，由于采用高压计量，高压侧功率因数要求不小于0.9，在计算低压侧分组补偿电容容量时，低压侧的功率因数先取为0.95。
2.计算并联电容器的电容值，可按以下步骤进行
(1)首先确定功率因数提高的标准。可根据供电部门规定的功率因数与电费挂勾标准(如低压用户功率因数大于0.85，则电费降低，功率因数低于0.85则提高电费。)权衡利弊，尽可能提高。
(2)计算电容C值
根据图(13-5)矢量图可推出电流、电容的关系：
IC＝IL-IX
＝IRtgφ1-IRtgφ2
＝IR(tgφ1-tgφ2)
＝P/U(tgφ1-tgφ2)
∵IC=U/XC＝ωCU
∴C＝IC/ωU
C＝P/ωU2(tgφ1-tgφ2)
当电容的单位用μF时，
C＝P/ωU2(tgφ1-tgφ2)×106(μF) (13-5)
式中：φ1──提高功率因数以前的IU相位差角；
φ2──提高功率因数以后的IU相位差角。
(3)计算电容器的容量：即计算电容器的无功功率QC。根据无功功率的方程式可知：
QC＝ICU＝ωCU2×10-3(kVA) (13-6)
根据式(13-5)C值代入式(13-6)得：
QC＝ωU2×10-3P────ωU2(tgφ1-tgφ2)
＝P(tgφ1-tgφ2)×10-3
即：QC=P(tgφ1-tgφ2)×10-3(13-7)
【例13-1】已知某单相负载1000W，220V，COSφ为0.6，接于电源220V，50Hz，欲将功率因数提高到0.9，求并联电容。
解：C＝P/ωU2(tgφ1-tgφ2)×106
＝1000/314×2202(1.33-0.48)×106
＝55.93(μF)
QC＝P(tgφ1－tgφ2)×10-3
＝1000×(1.33－0.48)
＝0.85(kVar)
13.6.4移相电容器装置的相关设备安装
(1)电容器装置载流部分(开关设备及导体等)的长期允许电流，高压不应小于电容器额定电流的1.35倍，低压不应小于电容器额定电流的1.5倍。电容器组应装设放电装置，使电容器组两端的电压从峰值(√2倍额定电压)降至50v的需的时间，对高压电容器最长为5min，对低压电容器最长为1min。高压电容器组宜接成中性点不接地星形，容量较小时也可接成三角形；低压电容器组应接成三角形。
(2)高压电容器组应直接与放电装置连接，中间不应设置开关或熔断器。低压电容器组与放电设备之间，可设自动接通装置的接点。电容器组应装设单独的控制和保护装置，但为提高单台用电设备功率因数用的电容器组，可与该设备共用控制和保护装置。单台电容器应设置专用熔断器作为电容器内部故障保护，熔丝电流为电容器额定电流的1.5～2倍。
当装设电容器装置附近有高次谐波含量超过规定允许值时，应在回路中设置抑制谐波的串联电抗器，串联电抗器也可兼作限制合闸涌流的电抗器。
(3)装配式电容器组当单列布置时，网门与墙距离不应小于1.3m；当双列布置时，网门之间的距离不应小于1.5m。
电容器外壳之间(宽面)的净距不宜小于0.1m，但成套电容器装置除外。成套电容器柜单列布置时，柜与墙距离不应小于1.5m；双列布置时，高压电容器柜面之间的距离，不应小于1.5m；低压电容器柜面之间的距离不应小于2m。设置在民用主体建筑中的低压电容器应采用非可燃烧性油浸式电容器或干式电容器。
当装设电容器装置处的高次谐波含量超过规定允许值或果限制合闸涌流时，应在并联电容器组回路中设置串联电抗器。
室内高压电容器装置宜设置在单独房间内，当电容器组容量较小时，可设置在高压配电室内，但与高压配电装置的距离不应小于1.5m。对于高压电容器因有爆炸和火灾危险，故一般装设在单独房间内。
低压电容器装置可设置在低压配电室内，当电容器总容量较大时，宜设置在单独房间内。安装在室内的装配式高压电容器组，下层电容器的底部距地面不应小于0.2m，上层电容器的底部距地面不宜大于2.5m，电容器装置顶部到屋顶净距不应小于1.0m。高压电容器布置不宜超过三层。
由于低压电容器内部有熔丝保护，运行比较安全，只是个别有过爆炸事故，一般故障是鼓肚、渗油现象，故可安装在低压配电室内。但当低压补偿电容器容量较大时，考虑通风和安全运行，宜设置在单独的房间内。
电容器外壳之间的净距及排间净距，是从改善通风条件考虑，并考虑电容器的排列及安装方便（手能进入）等要求而规定的。装配式电容器组网门前一般没有操作元件，因此，网门前通道只需考虑维护巡视和搬运方便。成套电容器柜前无操作元件，柜前通道只需考虑维护巡视和搬运方便。但考虑到成套电容器柜有可能布置在高压配电室内，因此双列布置时，柜面之间距离给予适当放大。
低压电容器屏前有操作元件，因而通道尺寸与低压配电柜相同。
电容外壳之间（宽面）的净距，不宜小于0.1m。电容的排间距离，不宜小于0.2m。装配式电容器组单列布置时，网门与墙距离不应小于1.3m；当双列布置时，网门之间距离不应小于1.5m。成套电容器柜单列布置时，柜正面与墙面距离不应小于1.5m；当双列布置时，柜前之间距离不应小于2.0m。
下层电容器的底部距地不小于0.2m，是考虑电容器的通风散热。上层电容器底部的对地距离不大于2.5m，是为了便于电容器的安装、巡视和搬运检修。为便于接线，三层布置是目前单相电容器在屋内的常用布置形式，对于三相低压电容器只需满足上下层电容器底部距地的规定，对层数没有要求。
13.6.5电容器的接线和控制
(1)电容器组应装设单独的控制和保护装置，当电容器组为提高单台用电设备功率因数时，可与该设备共用控制和保护装置。
在中性点不接地系统中，单相电容器的额定电压低于电网标称电压时，为了避免单相接地故障使电容器极对地的电压升高，故将每相支架与地绝缘，才能保证电容器安全运行。现在生产的电容器，是供10kV系统采用不接地星形接线的电容器组选用的电容器，其对地绝缘为11kV，可以将电容器直接装设在接地的构架上，电容器外壳的连接线与金属构架连接。
星形(中性点不接地)接线的最大优点是当一台电容器故障时，其故障电流仅为其额定电流(相电流)的3倍，对三角形接线来说，其故障电流则为二相短路电流，因而星形接线对电容器运行比较安全。但星形接线也有其缺点，当一相中有一台电容器故障退出运行后，三相中电容器阻抗不平衡，可能产生比较严重的中性点位移，使尚在运行中的电容器处于长期过电压。如有过电压保护，则使整组电容器断开，会引起电压波动和缺无功补偿现象，也会影响供电质量。因此，在电容器单元容量较大、每相并联台数较少时，中性点偏移较大，采用三角形接线比较合适。
(2)单台高压电容器应设置专用熔断器作为电容器内部故障保护，熔丝额定电流宜为电容器额定电流的1.5～2.0倍。当电容器装置附近有高次谐波含量超过规定允许值时，应在回路中设置抑制谐波的串联电抗器。电容器的额定电压与电力网的标称电压相同时，应将电容器的外壳和支架接地。当电容器的额定电压低于电力网的标称电压时，应将每相电容器的支架绝缘，其绝缘等级应和电力网的标称电压相配合。
电容器断电后应可靠地通过放电设备进行放电，以保证安全，所以要求电容器与放电设备有可靠的连接，以避免当串接设备发生故障时影响放电，使电容器端子上长期存在电压而造成人身和设备事故。放电设备一般都是比较安全可靠的，没有单独操作的必要，故应直接固定连接。对于低压电容器，因电压较低，相对危险性小，为节约电能，可以在电容器断电后采用自动投入的方式，但为了运行维护安全，不应采用手动投入方式。
(3)电容器组装设单独的控制和保护装置的理由，是不会由于电容器发生故障或需进行试验、检修而影响其他电气设备的供电。从保护方面考虑，两者共用不便相互配合，使保护整定困难，选择性降低，从而起不到保护的作用。
(4)为防止电容器爆破着火，除提高电容器质量外，还要加强运行管理和设置完善的电容器内部故障保护，在故障电容器串联元件未全部击穿以前，将其切离电源。因此，采用单台熔丝保护电容器是防止外壳爆炸，保证并联电容器组安全运行的主要措施。
由于熔断器与被保护的电容器工作在一个串联回路中，因此，高压熔断器的额定电流应与电容器的最大过电流允许值相配合，其最大过电流允许值为额定电流的1.43倍，熔丝应选1.5倍以上，一般选择熔丝为额定电流的1.5～2.0倍。