船舶电力系统的无功补偿设计
船舶电力系统的无功补偿设计
夏 进  陈家兴  周 洋
(江苏省镇江船厂(集团)公司  212005)
摘  要：船舶电力系统中的大多数用电设备都属于电感性负载，占用无功功率较大，自然功率因数普遍较低，同一设备在不同工况下运行，自然功率因数的差异也很大。改善功率因数能提高电源设备的利用率，降低电力系统损耗和温升，減少线路电压降，提高供电质量。目前，大多数船舶尚未进行无功补偿，但随着船舶电力系统容量的増大和电力推进的广泛应用，无功补偿的意义日显重要。在船电设计过程中，应当根据用电负载的状况，合理选择无功补偿方案和控制方式，注重改善船舶电网的功率因数，以提高船舶电力系统的稳定性，使其在运行中能符合节能降损的要求。在对船舶电力系统进行无功补偿时，宜将APF和其它补偿方式并联使用，同时考虑对谐波进行治理。
关键词：功率因数  节能降损
1. 船舶主要用电负载的功率因数
机舱辅机、甲板机械、风机与冷藏、空调等设备，几乎都是由异步电动机进行拖动。异步电动机必须从电网中吸取无功功率，在空载运行时，定子绕组电流中产生旋转磁场的无功分量所占比重很大，机、电损耗的有功分量所占比重很小。因此，功率因数很低，其自然功率因数常在0.20左右。当电动机输出的机械功率增加时，电流中有功分量的比重增大，功率因数也随着上升，在负载接近额定功率时，功率因数可达到最大值。此外，异步电动机的自然功率因数还因极数的増加而有所降低，与制造质量也有一定关系。由于在机电配套时，设计者往往会使电动机留有较多的储备功率，造成轻载工况较多，这是船用异步电动机在运行时自然功率因数低的主要原因。
变压器对发电机而言是负载，对用电设备来说是电源。船舶电力系统中的发电机，正逐步采用较高的电压等级（6.6-17.5kV），再通过配电变压器将电压降至辅助机械等用电设备的电压等级，由于要考虑电动机启动等因素，配电变压器的容量都较大，其容量常见在1000kVA以上，数量有多台。当船舶电力系统为低电压等级（0.4-0.69kV）时，通常是用照明变压器将电压降至照明与仪器等用电设备的电压等级，其容量为几十至几百kVA，数量至少为2台。变压器空载电流中的无功分量比重很大，功率因数在0.2以下，加入负载后的功率因数主要由负载性质而定。因此，船用电力变压器在运行中自然功率因数都较低。
变频装置与船舶直流电源的主要部件是整流变压器，其自然功率因数与接线方式有关，交流侧的视在功率因数等于直流输出功率和变压器原边的视在功率之比。以三相桥式可控整流电路为例，由于负载的电感很大，整流电流成了纯直流，在整流变压器各侧线圈中，每时间内都有正电流与负电流-通过；经计算，每个周期（2）交流线圈的电流有效值为 ，若直流线圈的线电压为，则: 直流输出电压=；经计算得出整流变压器的视在功率因数，若控制角时整流器为额定输出电压，则整流变压器的视在功率因数，此时整流器输出电压与整流变压器视在功率因数之间的关系为: 。由此可知，当整流器的输出电压减小时，整流变压器的自然功率因数是很低的，当输出电压为额定输出电压的50％时，整流变压器的视在功率因数只有0.45。
在船用灯具中，镇流器式荧光灯与高汞灯仍旧是主要品种，其自然功率因数一般都在0.50以下，由于数量较多，对船舶电网的功率因数有一定的影响。
综上所述，船舶电力系统中的大多数用电设备都属于电感性负载，占用无功功率较大，自然功率因数普遍较低，同一设备在不同工况下运行，自然功率因数的差异也很大。
2. 改善功率因数的意义
在电动机、变压器等电感性负载与电源之间往返的无功功率，表面上虽然不象有功功率那样将电能转变为其它能量消耗掉，但无功功率的大小直接关系到功率因数的高低，功率因数的含义可用功率三角形表示，如图1所示。
图1. 功率因数的含义
在图1中，视在功率等于有功功率与无功功率的矢量和，即:，有功功率在视在功率中的比值称为功率因数，即:洛克人x4 。随着相位差角公务员申论答题技巧从0—90孩子做错事情应该如何教育o变化，相应的功率因数是在1－0之间变化，这个变化对船电系统的运行质量有很大关系。目前，大多数船舶尚未进行无功补偿，但随着船舶电力系统容量的増大和电力推进的广泛应用，无功补偿的意义日显重要。我厂最近在建造的10000KW海工船上，为提高系统稳定性和改善电能质量，釆用了无功补偿装置。提高功率因数具有下述意义：
（1）提高电源设备的利用率
用电负载对电网的无功功率需求，对电网是一个相当重的负担，它妨碍了有功功率的输出。减少无功功率后，视在功率相应减少，使电源设备可以承载更多的用电负载，从而提高了电源设备的利用率。例如，三相交流发电机或电力变圧器的额定视在功率，当其在额定电压为与额定电流为的状态下运行时，如果负载的，能承载的有功功率，如果将功率因数提高到0.9，则电源设备能承载的有功功率，使承载能力提高了1.5倍，同时也提高了线路传输容量。
（2）减少线路电压降
导电线都具有电阻和电抗,当供电线路上有电流时，必定产生电压降。若线路上的电流为多余的解释 许嵩，则线路末端的电压降。异步电动机的输出功率与端电压的平方成正比，当电压下降10％时，异步电动机的转矩只有额定转矩的81％，转差率增大，定子、转子电流都急剧上升，使电动机功率因数降低，尤其是大功率异步电动机，在启动时因为功率因数较低，启动电流很大，电压跌落严重，往往形成恶性循环，有时会造成启动失败或电网瓦解。当功率因数改善后，电压降随电流的减小也相应减少，从而减小了电压降，维持了负载端电压，改善了供电质量，提高了船舶电网的稳定性。经测算，将电动机启动时的功率因数从0.50提高到0.95，可使线路电压降减少50％左右，这对提高船舶电网的稳定性和可靠性，至关重要。
（3）降低线路损失和温升
船舶发电机在运行中输出电压基本上接近于额定值，在额定电压下输出有功功率时，用电设备从电源取用的电流与负载本身的功率因数成反比，即：，功率因数越高，视在电流(负载电流)就越小，从而减小了船用电缆的电流密度，同时也降低了温升。
负载电流流过线路及电气设备和各种开关装置时，必然在线路和元器件上产生功率损耗，三相电路的有功功率损耗，无功功率损耗。所以，当负载电流减小后，供电线路及发电机、变压器、开关等电气装置的损耗与温升也相应降低。若将船舶电网的功率因数从提高到，能够降低船舶电力系统损耗的百分数为，节能降损效果十分显著。
（4）延长开关电器的使用寿命
提高功率因数后，由于流经电路中各种电气设备及开关电器的电流都有所减少，使温升明显下降，从而延缓了电气绝缘的老化；对频繁启动的设备，能有效地减少开关损坏率，例如接触器在接通或断开负载时，触头很容易被电弧烧毛，出现严重过热或接触不良，当电流大幅减小后，使电弧相应减轻，延长了接触器的使用寿命。
因此，在船电设计过程中，应当根据用电负载的状况，合理选择无功补偿方案和控制方式，
注重改善船舶电网的功率因数，以提高船舶电力系统的稳定性，使其在运行中能符合节能降损的要求。
3. 改善功率因数的方法
从图1已知，要提高功率因数，就是要减小角。在电感性负载电路中，功率因数小于1的原因，是由于负载与电源之间交換无功功率的结果，交换的无功功率越少，功率因数就越高。因此，可采用自然调整和人工补偿的方法，来减少感性无功功率在视在功率中的比重，或者用容性无功功率来抵消电路中的感性无功功率。主要方法有如下两种。
(1) 调整自然功率因数
调整用电负载自然功率因数的主要方法是合理选择电动机和变压器的功率。异步电动机的功率因数和负载率的关系见图2，电动机自然功率因数决定于负载率的高低。
图2 异步电动机负载率与功率因数和的关系
在设计中，应当避免电动机的空载运行和“大马拉小车”现象。电动机的额定功率是指满载运行时在其转轴上的有效输出功率，其中已不包含电动机的机、电损耗。如果电动机拖动的负载是平稳的机械，其额定功率可按机械的轴功率选配，储备系数可选1.05－1.1，不必将储备功率留得过大。当然，如果机械是重载起动时，电动机的额定功率应按起动条件校核；还应当考虑额定转矩、最大转矩、最小转矩、堵转转矩等参数应能滿足电动机所拖动机械在各种运行方式下的要求。
需要说明的是，变压器的功率因数和效率并非在满负载时最高。选择变压器的容量，需要
根据负荷特点，在考虑最经济负载率的同时，要对变压器进行能效经济综合评价。变压器自身需要的无功功率并不大，其功率因数主要受负载影响。提高变压器在运行中的功率因数，主要靠避免空载和进行无功补偿。在低电压船舶电力系统中，国内外都已有取消变压器，采用三相四线制直接向照明等设备提供相电压的实例。
（2）人工无功功率补偿
利用容性无功电流与感性无功电流相位相反相互抵消的原理，人为地在感性电路中注入容性电流，使负载从电源吸取的无功功率有所减少或者完全取消，这属于用人工补偿的方法来提高功率因数。
确定无功补偿容量有多种计算方法，对运行中的设备，仪表测量出的无功功率数值，大约就等于是将功率因数补偿到1所需要的容性无功功率的容量。在设计中常用的计算公式是需补容量。也可根据具体情况采用不同的计算方式。
以船舶照明常用的、、的荧光灯为例，由于镇流器的感抗比电阻大得多，在未进行无功补偿前，自然功率因数，荧光灯的线路电流滞后于电压的相位角，，有功功率。如果将该荧光灯的功率因数提高到，此时荧光灯的线路电流滞后于电压的相位角，。因此，可并联1只电容器补偿无功。以下计算方法可供参考，先导出与相对应的、和与相对应的、，再求出需补容性电流，然后计算出电容器容抗，则:电容器；另一种计算方法是。选用电容器工资条时额定电压应大于电丰田车标源电压的倍，故可以选用的电容器进行补偿。
图3是在荧光灯电路中并联电容器后的矢量图，电容器产生的容性电流与荧光灯的感性电流的相位差为180O，相互抵消后使感性电流减小至-，使视在电流降为0.2A，相位角减小到25.8O，功率因数上升至0.9，荧光灯的有功功率并未改变。
图3  荧光灯电路无功补偿矢量图
再以电力变压器为例，在变压器铭牌和出厂试验报告中，都会提供额定容量、空载电流百分数和阻抗电压百分数的数值。因而可以很方便地计算出空载无功功率=和负载无功功率=，以两者之和作为对变压器自身需要补偿的无功功率。空载无功功率称为无功固损，与负载率无关；负载无功功率称为无功变损，与负载率的平方成正比。例如，1台额定容量为500KVA的变压器，，，则：、，如果变压器负载率为0.70，则: 。变压器在运行中，若负载波动较大，功率因数变化也会较大，在设计中应考虑负载所需要的无功功率。
由于船舶电网容量有限，为防止电压降落过大而影响其它设备用电，要求在电动机起动时，电压降落不超出电网电压的15％，所以对允许直接起动的电动机额定功率有严格的限制。因此，在船电设计中，应当通过无功补偿来降低异步电动机的起动电流和正常运行电流，以减少电压降落和系统损耗。

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