淺析供熱鍋爐房無功功率補償的意義

　在交流電路中，由電源供給負載率有兩種：一種是有功功率，一種是無功功率。
　　有功功率是保持用電設備正常運行所需的電功率，也就是將電能轉換為其他形式能量（機械能、光能、熱能）的電功率。比如：5.5千瓦的電動機就是把5.5千瓦的電能轉換為機械能，帶動水泵抽水或脫粒機脫粒；各種照明設備將電能轉換為光能，供人們生活和工作照明。有功功率的符號用P表示，單位有瓦（W）、千瓦（KW）、兆瓦（MW）。
　　無功功率比較抽象，它是用于電路內電場與磁場的交換，并用來在電氣設備中建立和維持磁場的電功率。它不對外作功，而是轉變為其他形式的能量。凡是有電磁線圈的電氣設備，要建立磁場，就要消耗無功功率。比如40瓦的日光燈，除需40多瓦有功功率（鎮流器也需消耗一部分有功功率）來發光外，還需80乏左右的無功功率供鎮流器的線圈建立交變磁場用。由于它不對外做功，才被稱之為“無功”。無功功率的符號用Q表示，單位為乏（Var）或千乏（kVar）。
　　一、概論
　　由于歷史的原因，我國供熱行業用電向來只重視有功負荷、有功電量，忽視無功負荷和無功電量，認為能源換來有功電量，而無功不是能源，進行無功補償對供熱站本身沒有任何好處等。供熱鍋爐房主要用電設備是電動機，消耗的無功功率多，且長期沒有無功功率補償設施，造成供熱站鍋爐房長期以來功率因數偏低，電能浪費嚴重。因此，除改善設備本身的自然功率因數外，供熱站應采用人工補償措施，以提高功率因數，降低電能消耗，減少運行成本，充分發揮供配電設備的潛力，提高供電效率，節約用電量。
　　二、無功功率補償原理
　　當電網電壓的波形為正弦波，且電壓與電流同相位時，電阻性電氣設備如白熾燈、電熱器等從電網上獲得的功率P等于電壓U和電流I的乘積，即：P=U×I。
　　電感性電氣設備如電動機和變壓器等由于在運行時需要建立磁場，此時所消耗的能量不能轉化為有功功率，故被稱為無功功率Q。此時電流滯后電壓一個角度a。在選擇變配電設備時所根據的是視在功率S，即有功功率和無功功率的幾何和：
　　S=（P2 + Q2）1/2
　　無功功率為：Q=（S2 - P2）1/2
　　有功功率與視在功率的比值為功率因數：cosa=P/S
　　無功功率決不是無用功率，它的用處很大。電動機的轉子磁場就是靠從電源取得無用功率建立的。變壓器也同樣需要無功功率，才能使變壓器的一次線圈產生磁場，在二次線圈感應出電壓。因此，沒有無功功率，電動機就不會轉動，變壓器也不能變壓，交流接觸器不會吸合。為了形象地說明問題，現舉一個例子：農村修水利需要挖土方運土，運土時用竹筐裝滿土，挑走的土好比是有功功率，挑空竹筐就好比是無功功率，竹筐并不是沒用，沒有竹筐泥土怎么運到堤上呢？
　　在正常情況下，用電設備不但要從電源取得有功功率，同時還需要從電源取得無功功率。如果電網中的無功功率供不應求，用電設備就沒有足夠的無功功率來建立正常的電磁場，那么，這些用電設備就不能維持在額定情況下工作，用電設備的端電壓就要下降，從而影響用電設備的正常運行。
　　從發電機和高壓電線供給的無功功率，遠遠滿足不了負荷的需要，所以在電網中要設置一些無功補償裝置來補充無功功率，以保證用戶對無功功率的需要，這樣用電設備才能在額定電壓下工作。這就是電網需要裝設無功補償裝置的道理。
　　三、無功功率補償的效益分析
　　（一）減少線路功率損失，節約用電
　　減少無功功率，可以降低供配電線路和變壓器中的功率消耗。當電流通過導線時，線損的計算式為：
　　△P=3I2R×10-3=[P/（Uecosφ）]2×R×10-3
　　其中，I為線路或變壓器通過的電流；R為線路或變壓器中每相的電阻；Ue為線路的額定電壓；P為線路或變壓器輸送的有功功率；cosφ為負荷的功率因數。當功率因數由cosφ1提高到cosφ2后，若忽略因提高功率因數而減少電壓損失時對負荷電壓的影響，則線路或變壓器中有功功率的減少值百分數為：
　　△P%=（△P1-△P2）/△P1×100%
　　 =[1-（cosφ1/cosφ2）2]×100%

　例如：當功率因數由cosφ1=0.8提高到cosφ2=0.95時可降低功率損耗29%；若功率因數由cosφ1=0.95降低到cosφ2=0.8時，線損將增加41%。
　　以上分析可以看出，在輸送同樣的功率時，由于功率因數不同，在電網中造成的有功損耗相差較大。無功功率補償節電效果極其顯著。
　　（二）提高供配電設備的負荷能力，降低投資成本
　　1．在同樣視在功率的條件下，增加無功補償，可以提高有功功率。設線路或變壓器輸送的視在功率為S，安裝了補償容量QC后，提高了功率因數。在視在功率不變條件下，使輸送有功功率的能力增加了△P。
　　△P=P2-P1=S（cosφ2-cosφ1）
　　其中，P1為補償前的最大有功功率；P2為補償后的最大有功功率；cosφ1為補償前的最大功率因數；cosφ2為補償后的最大功率因數。
　　增加△P所需的無功功率即無功補償容量為：
　　QC=Q1-Q2=S（cosφ1tanφ1-cosφ2tanφ2）
　　例如：當cosφ1=0.8時，1000kVA的變壓器在滿負荷情況下能供給800kVA的負荷；若將cosφ2提高到0.95，則在滿負荷情況下可供950kVA的負荷，即可增加△P=1000×（0.95-0.8）=150kVA，提高了19%的有功輸送能力。
　　2．在同樣有功負荷條件下，增加電容補償。可以減少視在功率。在有功功率P不變的條件下，當補償QC后，可以減少視在功率。無功補償后，變壓器可以減少的視在功率為：
　　△S=S1-S2=P（1/cosφ1-1/cosφ2）
　　其中，S1為補償前的最大視在功率；S2為補償后的最大視在功率；P為變壓器的有功功率；cosφ1為補償前的最大功率因數；cosφ2為補償后的最大功率因數。
　　例如：某供熱鍋爐房用電負荷為450kW，功率因數為0.8，欲將功率因數提高到0.95后，則變壓器容量減少89kVA。變壓器選定額定容量可由630kVA減少到500kVA，容量降低一級。另外，當輸送功率一定時，由于負荷功率因數的提高，總的電流將相應降低，配電設備和導線截面也均可相應選擇小一些，降低了投資成本，減輕企業負擔。
　　（三）減少電壓損失，改善運行條件
　　減少無功功率，可以降低線路及變壓器中的電壓損耗。在三相對稱負載下，其電壓損失為：
　　其中，P為線路輸送的有功功率；Q為線路輸送的無功功率；R為線路的電阻；X為線路的電抗；Ue為線路的額定電壓。
　　在變壓器低壓側裝設了補償容量Qc后，其電壓損失減少（即電壓升）為：
　　△Ub=△U1-△U2=QcX/（10Ue2 ）≈Qc/Se×Ud
　　在線路末端裝設補償容量Qc后，線路電壓損失減少（末端電壓升）值可近似按下式計算：
　　△U2%=Qc/（1000Ue2）×XL×100%
　　其中，Qc為補償電容器的投運容量；Sc為變壓器的額定容量；Ud為變壓器的阻抗電壓；XL線路的電抗。對1000kVA以下的配電變壓器及1000V以下的低壓配電線路，采用電容補償后，對提高電壓質量比較顯著。
　　四、結論
　　從上可以看出，在供熱鍋爐房中加裝電容器進行無功功率補償，不但可以提高功率因數，節約有功電量，降低線路損耗和變壓器損耗，減少運行成本，還可以提高鍋爐房供配電設備的負荷能力，降低新建鍋爐房投資成本，減少電壓損失，改善運行條件，使供熱站循環泵及鼓引風電機更容易啟動。
　　隨著我國經濟的快速發展，能源的供需矛盾也日益突出，人們的節能意識也不斷提高。供熱行業也應該積極進行技術改造，降低生產成本，節約能源，更好地為人民服務