单相负荷为主的低压供配电系统的无功补偿

我们都知道，在供配电系统中，供电质量的优劣有三个评价因素：
　　
　　一、在电源点电压和频率接近于恒定；
　　
　　二、功率因数趋近于1；
　　
　　三、三相系统中，相电流与相电压趋于平衡。
　　
　　其中，采用无功功率补偿来实现功率因数趋近于1，可以大量减少线路中因输送无功电流而产生的电能损耗，并有效地改善电压调节，因此无功功率的补偿一直以来都是供配电系统中的一个重要环节。
　　
　　在例如楼宇及住宅小区等民用建筑的低压供配电系统中，由于存在有大量的单相负荷(如照明灯具、家用电器、办公设备、计算机等)，且该类负荷使用的随机性极高，使原本通过调配供电回路的负荷来实现的三相平衡在实际运行中已全无意义，导致了低压供配电系统三相负载阶段性的严重不平衡。这种不平衡不具备规律性，无法事先预知，也无法有效地改善。再加上每相负载的功率因数也不尽相同，便常常使得每相回路中需要补偿的无功功率差异很大。
　　
　　长期以来，低压供配电系统中的无功功率补偿方式均为在用户变压器低压侧安装低压三相电力电容器组，在测得采样相(多为B相)的功率因数后，便依据此值投切三相电容器组对三相负载的无功功率作集中补偿。这种补偿方式在以三相负荷为主的低压供配电系统中表现优异，但在如前所述的以单相负荷为主的低压供配电系统中，则越来越表现出其先天不足的缺憾。
　　
　　我们知道，由于三相间无功负荷不平衡，且这种不平衡无法通过调配三相负载等手段来消除，所以若是采用低压三相电力电容器组按采样相值对三相进行无功补偿，则补偿后三相功率因数不一致。采样相补偿效果好，而另外两相则会经常出现欠补偿或是过补偿。欠补偿使得安装的电力电容器组不能完全发挥作用，线路中仍然流过较大的无功电流而增加电能损耗；而过补偿则将向电网输送无功电流，众所周知，这是电力系统中所禁止的。(在实践中我们一般并不将功率因数补偿值设为1，因为这在负载变换时，由于惯性会出现过补偿。)
　　
　　实际上，以单相负荷为主的低压供配电系统中存在的三相无功功率不平衡的状况有可能严重得多。我们可以做一个简单的估算：一台500KVA的变压器，额定电流为758A，变压器低压侧母线出口断路器额定电流选择为800A。因为变压器一般可允许负载不超过25％的相间不平衡电流，再考虑到一些电缆线路的电容泄露电流，故通常将变压器低压侧母线出口断路器的接地故障电流整定值整定为03Ie。由此在本例中允许流过中性线的电流值约为240A。假设一个特殊的运行工况(忽略不计电缆线路的电容泄露电流)，变压器的两相满载，另一相则可能会少负载528KVA，若设负荷功率因数均为0.8，系统采用三相低压电力电容器组按采样相值进行无功补偿，则必然会有一相存在约32Kva的无功功率未补偿，或反之会有两相存在约32kva过补偿的无功功率通过变压器反馈至电网。由这个数据可作出的对电网中无功功率过补偿或欠补偿的状况的普遍性及严重性的判断无疑是令人震惊的，而且我们还可以通过简单地证明得知，这种工况导致的结果尚不是最严重的。
　　
　　而如果采用单相电容器组按每相测出的功率因数值对三相分别进行无功补偿，则会完全避免上述情况的发生，充分发挥电力电容器组对无功负荷的补偿作用，改善电能质量，减少系统中的电能损耗。因此，笔者建议在以单相负荷为主的低压供配电系统中，无功功率的补偿应采用分相补偿的方法。
　　
　　对电容器额定容量的选择也应注意与变压器容量相匹配。如果选择大容量电容器组来补偿小容量变压器，则往往会难以精确补偿；而若是采用小容量电容器组补偿大容量变压器，则将会导致电容器的投切频繁。我们知道，电容器在接通时，经振荡而被充电到其稳定值，频率从几百赫到几千赫，出现极高的尖峰电流，而若是在电容器组中接入单个电容器，由于已接入电网的电容器此时成为附加能源，则将会产生更大的尖峰电流。这种尖峰电流对开关电器是极为不利的，因此，我们应尽可能减少电容器的投切次数。
　　
　　由于现在电网中大量存在非线性负荷(如众多的半导体功率元件等)，使得电网中的谐波含量常常很高。而装在电网上的电容器，从低压侧看来与变压器的感抗及剩余的电网电感形成一个振荡回路。当这一回路的固有频率与电流谐波的频率相互重合时，振荡回路励磁而产生很高的过电流，造成供电回路过载，甚至引起电容器的烧毁。因此需要在电容器接通回路中串联一个电感，一则防止产生谐振，二则可吸收高次谐波电流。由于这部分内容已非本文所述范围，故在此不再多述。
　　
　　由于笔者水平有限，若文中存在谬误之处，望广大同行能不吝赐教。更衷心地希望能够就此问题与广大同行作进一步的探讨。