【導讀】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。用符號cosΦ表示，在數值上，功率因數是有功功率和視在功率的比值，即cosΦ=P/S功率因數的大小與電路的負荷性質(zhì)有關(guān)， 如白熾燈泡、電阻爐等電阻負荷的功率因數為1，一般具有電感或電容性負載的電路功率因數都小于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。用符號cosΦ表示，在數值上，功率因數是有功功率和視在功率的比值，即cosΦ=P/S功率因數的大小與電路的負荷性質(zhì)有關(guān)， 如白熾燈泡、電阻爐等電阻負荷的功率因數為1，一般具有電感或電容性負載的電路功率因數都小于1。功率因數是電力系統的一個(gè)重要的技術(shù)數據。功率因數是衡量電氣設備效率高低的一個(gè)系數。功率因數低，說(shuō)明電路用于交變磁場(chǎng)轉換的無(wú)功功率大，從而降低了設備的利用率，增加了線(xiàn)路供電損失。所以，供電部門(mén)對用電單位的功率因數有一定的標準要求。
(1) 最基本分析：拿設備作舉例。例如：設備功率為100個(gè)單位，也就是說(shuō)，有100個(gè)單位的功率輸送到設備中。然而，因大部分電器系統存在固有的無(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)單位的費用。在這個(gè)例子中，功率因數是0.7 (如果大部分設備的功率因數小于0.9時(shí)，將被罰款)，這種無(wú)功損耗主要存在于電機設備中(如鼓風(fēng)機、抽水機、壓縮機等)，又叫感性負載。功率因數是馬達效能的計量標準。
(2) 基本分析：每種電機系統均消耗兩大功率，分別是真正的有用功(叫千瓦)及電抗性的無(wú)用功。功率因數是有用功與總功率間的比率。功率因數越高，有用功與總功率間的比率便越高，系統運行則更有效率。
(3) 高級分析：在感性負載電路中，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表示。功率因數越低，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，從而提高系統運行效率。
電容補償的應用
隨著(zhù)國家經(jīng)濟的發(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(cháng)。但是，在這些民用建筑場(chǎng)所內使用的多為單相電感性負荷，因其自身功率因數較低，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，保證有功功率的充分利用，提高系統的供電效率和電壓質(zhì)量，減少線(xiàn)路損耗，降低配電線(xiàn)路的成本，節約電能，通常在低壓供配電系統中裝設電容器無(wú)功補償裝置。主要通過(guò)設計工作中所遇到的具體工程對無(wú)功自動(dòng)補償的方式和安裝位置作出了分析和比較。
１分相自動(dòng)補償的必要性
無(wú)功自動(dòng)補償按性質(zhì)分為三相電容自動(dòng)補償和分相電容自動(dòng)補償。
三相電容自動(dòng)補償適用于三相負載平衡的供配電系統。因三相回路平衡，回路中無(wú)功電流相同，所以在補償時(shí)，調節無(wú)功功率參數的信號取自三相中的任意一相，根據檢測結果，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)補償適用于有大量的三相用電設備的廠(chǎng)礦企業(yè)中。
在民用建筑中大量使用的是單相負荷，照明、空調等由于負荷變化的隨機性大，容易造成三相負載的嚴重不平衡，尤其是住宅樓在運行中三相不平衡更為嚴重。由于調節補償無(wú)功功率的采樣信號取自三相中的任意一相，造成未檢測的兩相要么過(guò)補償，要么欠補償。如果過(guò)補償，則過(guò)補償相的電壓升高，造成控制、保護元件等用電設備因過(guò)電壓而損壞；如果欠補償，則補償相的回路電流增大，線(xiàn)路及斷路器等設備由于電流的增加而導致發(fā)熱被燒壞。這種情況下用傳統的三相無(wú)功補償方式，不但不節能，反而浪費資源，難以對系統的無(wú)功補償進(jìn)行有效補償，補償過(guò)程中所產(chǎn)生的過(guò)、欠補償等弊端更是對整個(gè)電網(wǎng)的正常運行帶來(lái)了嚴重的危害。
據有關(guān)資料介紹，某地綜合樓是集商場(chǎng)、銀行、辦公、車(chē)庫、賓館為一體的一類(lèi)高層建筑，總建筑面積3.2萬(wàn)m2。主要用電設備有空調機組、水泵、風(fēng)機及照明燈具等，其中照明燈具均為單相負荷，功率因數在0.45-0.75之間。低壓有功計算負荷2815KW，其中，照明用電有功負荷1086.5kw，其它負荷基本為空調、風(fēng)機、水泵、電梯等三相負荷。補償前無(wú)功功率3182kvar，若整體功率因數補償到0.92，需補償1982kvar，補償后無(wú)功功率1200kvar。原設計采用低壓配電室并聯(lián)電容器組三相集中自動(dòng)補償，工程竣工投入使用后，經(jīng)常出現儀器、燈具等用電設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)現場(chǎng)測試，發(fā)現低壓饋線(xiàn)回路三相負荷不平衡，差距很大，電流差異大，最大相電流差為900A；檢測母線(xiàn)電壓，三相母線(xiàn)電壓有的高達260V，有的低到190V。通過(guò)分析是三相電容自動(dòng)補償造成的結果。
對于三相不平衡及單相配電系統采用分相電容自動(dòng)補償是解決上述問(wèn)題的一種較好的辦法，其原理是通過(guò)調節無(wú)功功率參數的信號取自三相中的每一相，根據每相感性負載的大小和功率因數的高低進(jìn)行相應的補償，對其它相不產(chǎn)生相互影響，故不會(huì )產(chǎn)生欠補償和過(guò)補償的情況。
該裝置的控制模塊和數據采集模塊采用新型單片機和大規模集成電路，開(kāi)關(guān)模塊采用大功率晶閘管，實(shí)現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)現了控制模塊的數字化和智能化，開(kāi)關(guān)執行單元無(wú)觸點(diǎn)，確保了控制精度和運行的可靠性；
⑵全自動(dòng)分相、分級按需補償；
⑶可靈活設定過(guò)壓、欠壓、欠流延時(shí)等參數，具有完善的越限報警和過(guò)壓、欠壓、缺相、缺零、諧波越限保護縮閉功能，保證系統安全運行；
⑷實(shí)時(shí)數字式測量、顯示電網(wǎng)中的主要參數：功率因數、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，為治理諧波提供準確的數字依據；
⑹采用“自愈式”電容器，具有使用壽命長(cháng)、可靠性強、溫升小、無(wú)需專(zhuān)門(mén)散熱裝置等優(yōu)點(diǎn)；
⑺具有數據采集功能和標準的通信接口（RS232），可實(shí)現遠程實(shí)時(shí)監測和計算機聯(lián)網(wǎng)管理；
⑻采用模塊化結構設計，易于維護和升級。
從上述產(chǎn)品的功能可以看出，智能三相自動(dòng)無(wú)功補償能自動(dòng)檢測各相負載的功率因數，同時(shí)自動(dòng)分相投入各相所需的電容補償量，以使各相的無(wú)功功率補償達到最佳狀態(tài)，對于大量使用單相用電負荷，易產(chǎn)生三相不平衡的用電單位如住宅小區、賓館、飯店、大型商場(chǎng)等民用建筑的配電系統有改善功率因數、提高電網(wǎng)效率、改善電壓質(zhì)量、節約用電、增大變器有功容量等顯著(zhù)效果，較大程度滿(mǎn)足了“電網(wǎng)綠化”的要求?！ ?/div>
2分組電容自動(dòng)補償的應用在低壓電網(wǎng)中大量的用電設備為電感性，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(cháng)、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流器熒光燈，壓它具有成本低、壽命長(cháng)、維修工作量少、投資少等優(yōu)點(diǎn)，但其啟動(dòng)時(shí)間長(cháng)，功率因數低，約為0.5～0.6，自身?yè)p耗大，加大了供配電系統網(wǎng)絡(luò )損耗，造成了能源的浪費。
通過(guò)電容補償的方式來(lái)解決大面積商場(chǎng)、辦公樓的感性負荷功率因數低的問(wèn)題是目前設計中常用的方法。
我們在設計中通常的做法有兩種：在變配電所設置集中高壓或低壓補償柜，對系統前端進(jìn)行補償，雖能滿(mǎn)足供電部門(mén)對并網(wǎng)功率因數的要求，但對以下各級分支電路不作補償，因此低壓配電線(xiàn)路中無(wú)功電流大，從而造成線(xiàn)路截面和配電開(kāi)關(guān)容量不能減小，且不能保證整個(gè)低壓系統的供電質(zhì)量；另一種做法是在每臺用電設備或每盞照明燈具內設置電容器個(gè)別單獨進(jìn)行補償，這種方式效果較好，對于廠(chǎng)礦企業(yè)使用的單臺大容量用電設備比較適用，但對于大型商場(chǎng)等民用建筑來(lái)說(shuō)，補償投資成本太大，性?xún)r(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)際應用并不理想，所以很少采用。
在目前低壓補償電容器技術(shù)和制造質(zhì)量、自動(dòng)投切裝置有了很大提高的前提下，筆者認為在這類(lèi)民用建筑的配電系統中分組設置補償電容，即根據建筑使用功能分區，用電較集中、電氣設備功率因數較低的配電箱處設置電容補償裝置較為適宜。
分組補償可提高設備利用率，減少配電系統容量
視在功率S=，由此可知在有功功率不變的前提下，提高功率因數可降低無(wú)功功率，減小配電系統的容量。
當功率因數由0.65提高到0.92時(shí)，設備利用率為：
η＝×100％＝×100％＝29.35％
即補償后設備利用率提高了29.35％。
在選用型號及截面相同的電纜時(shí)，減少了線(xiàn)路損耗
根據公式：Ｉ＝，線(xiàn)損P＝12R，則：
ΔＰ＝２Ｒ－２Ｒ
η＝＝×100％＝×100％＝50.08％
即補償后線(xiàn)路損耗降低了50.08％。
2分組補償的可行性
下面結合工程應用舉例說(shuō)明分組補償的可行性。
某地新華書(shū)店大樓由商場(chǎng)、書(shū)店營(yíng)業(yè)廳、餐飲、賓館、地下車(chē)庫、辦公室組成，屬一類(lèi)高層，功能較復雜。其中1～6層為書(shū)店營(yíng)業(yè)廳，單層面積約2800m2（標準層，每層均相同），其照明采用電感類(lèi)熒光燈，功率因數較低。方案設計時(shí)只在變電所設集中補償柜.
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(xiàn)槽選用一段1250Ａ，每層配電照明箱進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)選用250Ａ；分組每層設電容補償比在變配電所設集中補償柜電容器總容量要高出20％左右。但減少了開(kāi)關(guān)、供電線(xiàn)路的投資，這部分費用相對于電容器的投資要高許多。每層在配電照明箱處設電容補償并不增加配電箱的數量，只需將配電照明箱的尺寸加大，電容器裝于箱內，這樣也節省了低壓配電室內電容補償柜的占地面積。另因為補償電容配置了智能控制器，產(chǎn)品模塊化，具有數據采集功能和標準的通信接口（RS232），可實(shí)現遠程實(shí)時(shí)監測和計算機聯(lián)網(wǎng)管理，便于檢測、維護和升級。
從上述舉例可看出，根據各層配電照明箱的設置分組裝設電容補償的方式較好地解決了集中和個(gè)別設置補償造成的線(xiàn)路中無(wú)功電流增大、相應配電線(xiàn)路截面及開(kāi)關(guān)容量加大和補償投資成本大、安裝分散、后期維修量大、維修困難等問(wèn)題。對于大型商場(chǎng)、寫(xiě)字樓等大量使用低功率因數設備的民用建筑設計應根據具體情況采用分組設置電容補償方式比較合理。
