城市道路照明中的无功补偿技术探讨

[摘  要] 本文针对城市道路照明的负荷特点，分别阐述了对路灯干线的电容器集中补偿方法和对单个路灯的电容器单灯补偿方法，并对集中补偿的技术经济指标及补偿方案进行了重点分析。

[关键词]  道路照明 无功补偿  集中补偿  单灯补偿 提高功率因数

随着城市道路照明的技术进步和节能意识的增强，发光效率高、使用寿命长的高压气体放电灯如高压钠灯和金卤灯已逐步成为主流。但由于此类光源的功率因数偏低，一般在0。3--0。5之间，与供电部门对配电系统的功率因数要求(低压电源供电的低压电源侧功率因数应达到0.9以上，高压电源供电的低压电源侧功率因数应达到0.95)有较大差距。因此，安装了气体放电灯光源的道路照明电气系统都应安装功率因数补偿设备。必须按照《城市道路照明设计标准》(CJJ 45)、《供配电系统设计规范》 (GB50052-95)的规定，采取补偿无功功率措施，使配电系统的功率因数不低于0.9”。

提高城市道路照明电气系统的功率因数通常采用二种方法，一是采用在路灯专用变压器的低压侧配置以单相或三相电力电容器实施道路照明电气系统的集中补偿；二是在各个灯具内装设相应规格的补偿电容器实施单灯补偿。

一、道路照明电气系统的集中补偿

 集中补偿法是在路灯配电控制箱内装设低压大容量三相无功补偿电容器，优点是投资少，维护管理简单，费用低，无功负荷电流不经变压器，降低了电容器前级线路和变压器的有功无功损耗；缺点是电容器后至负载的线路无功损耗仍存在。对既考核有功又考核无功的路灯专用变压器，装设低压无功补偿电容器是一项简便易行，收效显著的举措，已被大力推广。现以普遍使用的高压钠灯为例进行分析计算，其功率因数约0.45，按低压侧补偿后功率因数达0.9计算每千瓦需要的无功功率和电容量。由电容性无功功率计算公式：

Q_c=ωCU²

可知，要求出电容C，可先计算出电容性无功功率，而根据功率三角形（图1）

图1

补偿前cosψ=0.45，ψ=63.256°

补偿后cosψˊ=0.90，ψˊ=25.842°

所以

Q_c=P(tgψ-tgψˊ)

=1.5002P=1.5002 (kvar/kW)

C=Q_c/ωU²=99(μF/kW)

即功率因数从0.45提高到0.90时，无功补偿功率是1.5002kvar/kW，折合单相（220V）电容量是99μF/kW。

现举例分析补偿前后经济效益对比：

现有一台路灯专用变压器，容量100kVA，实际使用有功负荷40kW，功率因数0.45。每天使用时间11h(19:00~6:00)，每月按30天计，供电部门按0.6元/kWh计算，按功率因数为0.85进行考核。求补偿前月电费调整量和补偿后达到0.90的电费调整量，并计算补偿后的投资回收期。

月实用有功电量为40×11×30

=13200(kW•h)

补偿前月实用无功电量为

=40tgψ×11×30

=26196(kvar•h)

查《低损耗变压器有功、无功损耗及功率因数计算查对手册》（简称《手册》），月有功损耗768kW•h，月无功损耗3670kvar•h。

月总有功电量=13200+768

=13960(kW•h)

月总无功电量=26196+3607

=29803(kvar•h)

求比值：29803/13960=2.23，查《手册》对应功率因数为0.42，电费调数+51%，计算月调整电费为：

13960×0.6×51%=4271。8（元）

可见由于功率因数偏低，基本电价在原有基础上提高51%。

低压侧装设无功补偿电容器后使功率因数达到0.90后，月实用无功电量为

40tgψˊ×11×30=6393(kvar•h)

月总无功电量

=6393+3607=10000(kvar•h)

求比值10000/13960=0.715,查《手册》对应功率因数为0.81，电费调数+2.0%，计算月调整电费

月调整电费=13960×0.6×2.0%

              =167（元）

补偿前后月调整电费差额：

4271．8-167=4104.8（元）

功率因数从0.45补偿到0.90后，需要无功功率Qc=P(tgψ-tgψˊ)=40×1.5002≈60(kvar)

单台三相低压电容器容量为15kvar，出厂价350~420元，按420元计，需电容器台数及总投资

60÷15=4（台）

420×4=1680（元）

从以上计算可以看出，装设低压无功补偿电容器后所增加的费用仅需半月就可收回电容器的投资，即使考虑与低压无功补偿电容器相关的功率因数检测、控制、保护等外围器件的投资费用，其投资回收周期也不会超过6个月，而且能长期受到电费减价优惠，又能更充分利用变压器的容量。一次投资，长期受益，是一项不可多得的节电措施。

目前国内的城市照明行业针对路灯用电系统的负载功率因数偏低的问题，通常是采用三相共补的集中补偿手段来改善其线路功率因数，起到了一定的补偿效果，但由于路灯类三相负荷的不对称性，使得集中补偿措施的实际效果补偿效果受到了较大的影响。据此，我们经过较长时间的研究，总结出了适合于城市道路照明供电系统的三相功率因数分相测量，取得了良好的使用效果。其设计指导思想是：

1．针对不对称负荷的无功补偿方案，应该摒弃传统的三相功率因数共测共补的设计方案，而应采取分相检测。

2．补偿柜应该摒弃传统的无功功率共补的方案，而应采取分相与共补相结合和先共补后分补的混合补偿方式。

3．在分相补偿中为提高可靠性和节省空间拟采用Y接法的三相组合分补电容器组。

4．在分组补偿和三相共补偿线路中应有效地解决操作过电压、强电压和浪涌电流问题。

5．在分相补偿和三相共补偿线路中应有效地抑制谐波电流问题，并能有效地解决抗干扰问题。

6．为了提高产品的标准化程度和提高防护效果拟采用标准柜体，要考虑防雨防尘设计，并能有降温风机。

图2 不对称负荷的无功补偿方案简图

二、道路照明电气系统的单灯补偿

在路灯的各灯具内装设相应规格的CBB60系列耐压为400V的单灯补偿电容器，可使各级照明配电线路的电流大大降低，线路功率因数明显提高。以400W高压钠灯为例，在没有装设相应规格的补偿电容器之前，其正常工作电流为4。6A, 功率因数为0。46。当装设了容量为50uF的补偿电容器之后，其工作电流为2。29A, 功率因数为0。91。由此可见，装设了补偿后的电流比未装设补偿电容器的电流减小近50%，功率因数提高近一倍。不难发现，灯具在装设补偿电容器后的变压器、各级配电线路、开关设备和保护设备都要比没有装设补偿电容器前增大了近一倍，同时，线路功耗和线路压降都将显著降低，即节约电能、同时也提高设备利用效率。与集中补偿方法相比较，单灯补偿的投资回收周期相近，但存在安装不便、维修麻烦等缺点，尽管如此，该方法在新安装的路灯工程中值得推广和应用。

图3单灯补偿方法的接线图

表1    高压钠灯补偿电容器装设前后对照表

表2为金卤灯装设单灯补偿电容器的对照表 

三、结束语

综上所述，不论是集中补偿还是单灯补偿对提高城市道路照明电气系统的功率因数、节约电能、提高变压器和线路利用率、提高系统电能质量都是十分有利的。但在具体选择补偿方案时应该根据现场情况确定合适的补偿方法。针对已经投入运行的城市道路照明电气系统建议采用集中补偿的技术方案，这样可以减小安装工作量和维修工作量。当路灯的三相负荷电流基本对称时，可采用三相共补的集中补偿手段来改善其线路功率因数，当路灯的三相负荷电流不对称时应采用混合补偿的技术方案，以达到预期的补偿目标。针对设计中的和新施工的道路照明工程应采用单灯补偿的技术方案，以实现真正的“就地补偿”，达到最佳的补偿效果。