供热锅炉房无功功率补偿的方法及其意义

在交流电路中，由电源供给负载率有两种：一种是有功功率，一种是无功功率。
　　有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能转换为其他形式能量（机械能、光能、热能）的电功率。比如：5.5千瓦的电动机就是把5.5千瓦的电能转换为机械能，带动水泵抽水或脱粒机脱粒；各种照明设备将电能转换为光能，供人们生活和工作照明。有功功率的符号用P表示，单位有瓦（W）、千瓦（KW）、兆瓦（MW）。
　　无功功率比较抽象，它是用于电路内电场与磁场的交换，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。它不对外作功，而是转变为其他形式的能量。凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就要消耗无功功率。比如40瓦的日光灯，除需40多瓦有功功率（镇流器也需消耗一部分有功功率）来发光外，还需80乏左右的无功功率供镇流器的线圈建立交变磁场用。由于它不对外做功，才被称之为“无功”。无功功率的符号用Q表示，单位为乏（Var）或千乏（kVar）。
　　一、概论
　　由于历史的原因，我国供热行业用电向来只重视有功负荷、有功电量，忽视无功负荷和无功电量，认为能源换来有功电量，而无功不是能源，进行无功补偿对供热站本身没有任何好处等。供热锅炉房主要用电设备是电动机，消耗的无功功率多，且长期没有无功功率补偿设施，造成供热站锅炉房长期以来功率因数偏低，电能浪费严重。因此，除改善设备本身的自然功率因数外，供热站应采用人工补偿措施，以提高功率因数，降低电能消耗，减少运行成本，充分发挥供配电设备的潜力，提高供电效率，节约用电量。
　　二、无功功率补偿原理
　　当电网电压的波形为正弦波，且电压与电流同相位时，电阻性电气设备如白炽灯、电热器等从电网上获得的功率P等于电压U和电流I的乘积，即：P=U×I。
　　电感性电气设备如电动机和变压器等由于在运行时需要建立磁场，此时所消耗的能量不能转化为有功功率，故被称为无功功率Q。此时电流滞后电压一个角度a。在选择变配电设备时所根据的是视在功率S，即有功功率和无功功率的几何和：
　　S=（P2 + Q2）1/2
　　无功功率为：Q=（S2 - P2）1/2
　　有功功率与视在功率的比值为功率因数：cosa=P/S
　　无功功率决不是无用功率，它的用处很大。电动机的转子磁场就是靠从电源取得无用功率建立的。变压器也同样需要无功功率，才能使变压器的一次线圈产生磁场，在二次线圈感应出电压。因此，没有无功功率，电动机就不会转动，变压器也不能变压，交流接触器不会吸合。为了形象地说明问题，现举一个例子：农村修水利需要挖土方运土，运土时用竹筐装满土，挑走的土好比是有功功率，挑空竹筐就好比是无功功率，竹筐并不是没用，没有竹筐泥土怎么运到堤上呢？
　　在正常情况下，用电设备不但要从电源取得有功功率，同时还需要从电源取得无功功率。如果电网中的无功功率供不应求，用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场，那么，这些用电设备就不能维持在额定情况下工作，用电设备的端电压就要下降，从而影响用电设备的正常运行。
　　从发电机和高压电线供给的无功功率，远远满足不了负荷的需要，所以在电网中要设置一些无功补偿装置来补充无功功率，以保证用户对无功功率的需要，这样用电设备才能在额定电压下工作。这就是电网需要装设无功补偿装置的道理。
　　三、无功功率补偿的效益分析
　　（一）减少线路功率损失，节约用电
　　减少无功功率，可以降低供配电线路和变压器中的功率消耗。当电流通过导线时，线损的计算式为：
　　△P=3I2R×10-3=[P/（Uecosφ）]2×R×10-3
　　其中，I为线路或变压器通过的电流；R为线路或变压器中每相的电阻；Ue为线路的额定电压；P为线路或变压器输送的有功功率；cosφ为负荷的功率因数。当功率因数由cosφ1提高到cosφ2后，若忽略因提高功率因数而减少电压损失时对负荷电压的影响，则线路或变压器中有功功率的减少值百分数为：
　　△P%=（△P1-△P2）/△P1×100%
　　 =[1-（cosφ1/cosφ2）2]×100%

　例如：当功率因数由cosφ1=0.8提高到cosφ2=0.95时可降低功率损耗29%；若功率因数由cosφ1=0.95降低到cosφ2=0.8时，线损将增加41%。
　　以上分析可以看出，在输送同样的功率时，由于功率因数不同，在电网中造成的有功损耗相差较大。无功功率补偿节电效果极其显著。
　　（二）提高供配电设备的负荷能力，降低投资成本
　　1．在同样视在功率的条件下，增加无功补偿，可以提高有功功率。设线路或变压器输送的视在功率为S，安装了补偿容量QC后，提高了功率因数。在视在功率不变条件下，使输送有功功率的能力增加了△P。
　　△P=P2-P1=S（cosφ2-cosφ1）
　　其中，P1为补偿前的最大有功功率；P2为补偿后的最大有功功率；cosφ1为补偿前的最大功率因数；cosφ2为补偿后的最大功率因数。
　　增加△P所需的无功功率即无功补偿容量为：
　　QC=Q1-Q2=S（cosφ1tanφ1-cosφ2tanφ2）
　　例如：当cosφ1=0.8时，1000kVA的变压器在满负荷情况下能供给800kVA的负荷；若将cosφ2提高到0.95，则在满负荷情况下可供950kVA的负荷，即可增加△P=1000×（0.95-0.8）=150kVA，提高了19%的有功输送能力。
　　2．在同样有功负荷条件下，增加电容补偿。可以减少视在功率。在有功功率P不变的条件下，当补偿QC后，可以减少视在功率。无功补偿后，变压器可以减少的视在功率为：
　　△S=S1-S2=P（1/cosφ1-1/cosφ2）
　　其中，S1为补偿前的最大视在功率；S2为补偿后的最大视在功率；P为变压器的有功功率；cosφ1为补偿前的最大功率因数；cosφ2为补偿后的最大功率因数。
　　例如：某供热锅炉房用电负荷为450kW，功率因数为0.8，欲将功率因数提高到0.95后，则变压器容量减少89kVA。变压器选定额定容量可由630kVA减少到500kVA，容量降低一级。另外，当输送功率一定时，由于负荷功率因数的提高，总的电流将相应降低，配电设备和导线截面也均可相应选择小一些，降低了投资成本，减轻企业负担。
　　（三）减少电压损失，改善运行条件
　　减少无功功率，可以降低线路及变压器中的电压损耗。在三相对称负载下，其电压损失为：
　　其中，P为线路输送的有功功率；Q为线路输送的无功功率；R为线路的电阻；X为线路的电抗；Ue为线路的额定电压。
　　在变压器低压侧装设了补偿容量Qc后，其电压损失减少（即电压升）为：
　　△Ub=△U1-△U2=QcX/（10Ue2 ）≈Qc/Se×Ud
　　在线路末端装设补偿容量Qc后，线路电压损失减少（末端电压升）值可近似按下式计算：
　　△U2%=Qc/（1000Ue2）×XL×100%
　　其中，Qc为补偿电容器的投运容量；Sc为变压器的额定容量；Ud为变压器的阻抗电压；XL线路的电抗。对1000kVA以下的配电变压器及1000V以下的低压配电线路，采用电容补偿后，对提高电压质量比较显著。
　　四、结论
　　从上可以看出，在供热锅炉房中加装电容器进行无功功率补偿，不但可以提高功率因数，节约有功电量，降低线路损耗和变压器损耗，减少运行成本，还可以提高锅炉房供配电设备的负荷能力，降低新建锅炉房投资成本，减少电压损失，改善运行条件，使供热站循环泵及鼓引风电机更容易启动。
　　随着我国经济的快速发展，能源的供需矛盾也日益突出，人们的节能意识也不断提高。供热行业也应该积极进行技术改造，降低生产成本，节约能源，更好地为人民服务