陶瓷企业应重视无功补偿的节能技术
马汉章
摘 要：陶瓷行业是佛山地区的传统知名行业，拥有数量众多而且配套齐全的陶瓷生产企业，大部分陶瓷企业是高耗能的用电大户。笔者通过对陶瓷企业专变电力用户（以下简称陶瓷企业）无功补偿设备实际管理运行情况调查以及实际用电数据进行分析，提出一个在佛山地区陶瓷企业普遍忽视的节能技术——无功补偿技术。该技术成熟、可靠、投资回报效益高，但却不受陶瓷企业自身关注，造成每年有较多的陶瓷企业长期或经常出现其配电系统功率因数不达标，需要支出大额的力调电费，俗称“无功受罚”。总结出解决功率因数不达标情况不在于无功技术应用，而在于无功管理。
关键词：陶瓷企业；无功补偿；功率因数；力调电费；无功管理
1 引言
众所周知，陶瓷企业是用能大户，是能源密集型企业，在陶瓷企业日常生产中，大量使用油、气、电等各样能源，尤其是电能的消耗，因为陶瓷企业生产设备含有大量的电机，且很多电机是连续工作的，工作时负荷普遍很重，导致消耗大量的电能，如：球磨机等。因此，节省电能对于陶瓷企业来说意义重大。为此各陶瓷企业都不遗余力的对陶瓷生产设备投资进行节能改造，期望能获得节能效益，提高自身产品竞争力。
笔者长期从事电力专变用户配电技术改造与节能改造工作。通过广为接触陶瓷企业配电设备情况，以及收集其用电数据分析，发现佛山地区的陶瓷企业普遍忽视的节能技术——无功补偿技术。该技术成熟、可靠、投资回报效益高，但却不受陶瓷企业自身关注，造成每年有较多的陶瓷企业长期或经常出现其配电系统功率因数不达标，需要支出大额的力调电费（功率因数调整电费），俗称“无功受罚”。当我们与陶瓷企业的电工、设备主管、厂长甚至是企业老板，谈及需要重视无功补偿，很多访问对象的反应是“我们有无功补偿设备，我们没有问题”。当然，也有相当部分的访问对象，尤其是企业中、高层，对此不太熟悉，尽管当前每月或经常出现大额的力调电费支出，但都从不关注，甚至我们为其指出问题所在，却认为这样的节能技术都是节能不省钱，忽悠人的事，使得陶瓷企业电耗大的问题一直没有得到解决。
2 无功功率补偿技术简介
无功补偿，也即无功功率补偿，在电力供配电系统中起到提高系统的功率因数的作用。合理配置选择补偿装置，可最大限度的降低供电系统传送电力的损耗，提高供电效率，减少电压压降，改善电能质量。反之，如配置选择或使用不当，可能造成供电系统损耗增大，以及电压波动、谐波增大等问题。所以无功功率补偿装置在电力供配电系统中是一个不可缺少的非常重要的配电设备。对于陶瓷企业，目前广为应用0.4kV的接触器投切或晶闸管投切电容无功补偿设备来进行无功补偿。本文就此提出陶瓷企业在应用无功补偿技术中出现的问题，并分析其合理的解决方法，指导陶瓷企业正确合理应用无功补偿技术，真正做到节能增效的作用。
3 陶瓷企业电费的主要构成
通常陶瓷企业用电性质是大工业，按相关规定是执行两部制电价，可以通过以下的等式简单理解陶瓷企业每月总的电费构成。
每月应付电费=电度电费+基本电费+力调电费。
其中“电度电费”为陶瓷企业每月实际消耗的电量的费用；“基本电费”又叫容量费，按企业变压器安装容量计算。上述两项是企业正常应该支付的费用。“力调电费”即为本文讨论的重点，力调电费是根据企业实际功率因数来计算收取，如功率因数达标，可获得0%～0.75%的电费奖励返还；如功率因数不达标，则需要增收企业不同比例额度力调电费，俗称“无功罚款”。
我们知道，供电部门是通过电能计量表读数来判断一个用户的功率因数是否达标，达标与否可以理解为有功功率消耗值与无功功率消耗值的比值。供电部门总是希望用户在正常消耗有功功率时，尽可能少的消耗无功功率，也即通过电能计量表计量的无功电度要少，如用户消耗的无功功率偏多，则通过收取力调电费来弥补。所以在技术上通过在计量表后进行无功补偿，减少从电网吸取无功功率即可以提高配电系统功率因数，减少或避免支出力调电费，减少电费支出，节省电费成本。
无功管理工作的实质是通过各种技术管理方法来减少或避免力调电费支出，甚至获得力调电费奖励返还，从而减少企业的电费支出。
4 陶瓷企业应用无功补偿技术方面的问题
表1为2014年2月份笔者对佛山地区服务的陶瓷企业功率因数不达标情况进行统计的数据。因为每月各陶瓷企业的用电量是动态变化的，其中，2月份包含了农历新年假期，通常陶瓷企业都会停机检修，一般为年度用电量较少的月份，有一定的代表性。
通过表1简单计算，分析了398户陶瓷企业，其中，功率因数不达标的用户数有116户，不达标率为29%，功率因数不达标用户合计支出24.6万元力调电费（仅一个月）。特别是支出力调电费过万的就有6户，其6户总的力调电费支出就高达10万元（仅一个月）。由此，推算全年佛山全部陶瓷企业年总力调电费支出达200～300万，而这些力调电费是可以通过合理的无功管理节省下来，直接变为企业的利润。
5 影响功率因数达标的因素
笔者继续结合用电数据与实际现场应用来分析产生力调电费支出的原因。根据笔者的经验，影响功率因数不达标的原因有计量方式、用电量、用电是否较平稳、补偿设备是否合理、补偿设备损坏后有否尽快修复等方面。通常出现功率因数不达标，主要是上述某一因素或多个因素共同作用导致的。
5.1 计量方式因素
配电专变用户计量方式有三种，分别为高供高计、高供低计与低供低计。陶瓷企业是用电大户，通常只有高供高计与高供低计方式。根据供电规则，高供低计方式有一个规定变损值，而且该变损值中的无功变损值比有功变损值大得多，所以采用高供低计的陶瓷企业，如月用电量太少，少于某一计算最小值，尽管无功补偿设备等都很好，但依然会出现功率因数不达标，需要支出力调电费的情况。高供高计方式则理论上可以通过无功补偿技术与无功管理来避免功率因数不达标情况，而不用考虑用电量的多寡及其他影响因素。
5.2 用电量因素
一个配电专变用户，当他因素都确定后，用电量偏少或用电量过多都对功率因数有影响。其中，用电量偏少的影响程度要严重一些，因为无功补偿设备多数是通过监测配电系统电流的大小来响应投切的，是有一定的触发阀值，如果电流太少或者说用电太少，此时也需要一定的无功补偿，但补偿设备会出现不动作情况，即不补偿。
我们有一个最少用电量的经验值。即高供高计，月用电量数值为变压器安装容量的10倍；高供低计，月用电量数值为变压器安装容量的40倍，定义为最少用电量。如用户月用电量接近或低于该值，通常很容易出现功率因数不达标。
5.3 用电是否较平稳因素
与用电量因素原因类似，补偿设备除了有一个响应阀值外，还有一个响应时间。通常希望用电平稳，如经常有冲击电流，用电波动很大，则补偿设备也会因响应时间问题，在需要补偿无功时不投入动作，在需要切除过多无功时不能及时切除补偿。
5.4 补偿设备是否合理因素
补偿设备是否合理包含补偿设备类型选型是否正确与补偿设备容量是否足够两方面。这通常需要专业的技术人员来评估。
5.5 补偿设备老化损坏后有否尽快修复因素
补偿设备相对其他配电设备来说是较为容易老化或损坏的，如老化或损坏后不能及时修复，就如“补偿设备容量是否足够”一样，当有电容老化损坏，当然补偿容量就不足，不足就影响导致功率因数不达标。
6 通过实例解释产生力调电费支出的原因与改善方法
6.1 高供低计用户，用电量不足
表2为三水某陶瓷企业2月的用电数据，是典型的高供低计，用电量不足导致产生力调电费支出的情况。
由表2可知，三水某陶瓷企业用户变压器安装容量为1000kVA，高供低计，有功用电为4913 kW·h，抄见有功用电为1926 kW· h，有功变损为2987 kW·h，无功用电为23292kvar·h，抄见无功用电为7371kvar·h，无功变损为15921 kvar·h。
有功用电量为4913kW·h，相对1000kVA的变压器安装容量，用电量严重偏少，出现俗称“大马拉小车”的情况。加上计量方式为高供低计，无功用电为23292kvar·h中无功变损就有15921 kvar·h，抄见实际无功用电仅7371kvar·h。
不过，进一步分析，即使排除变损，该用户抄见有功用电为1926 kW·h，抄见无功用电为7371kvar·h，其无功用电也偏多。判断为用电量偏少，导致无功补偿设备多数时不响应动作，或者是无功补偿设备配置的电容步长太大。
改善方法：通过预计用电少的月份，提前加装一个变比为原配置1/2～2/3的无功补偿采样互感器，同时，把无功补偿设备中的电容步长再分细一些，即提高补偿精度，以期在用电量少时，还可以更多时间投入更多的电容来减少无功消耗。但切记预计恢复大功率用电前恢复原来变比的无功补偿采样互感器，避免导致无功补偿控制器过流损坏。
如用户配置的是动态补偿，则把动态响应时间设定成最小值。
该用户为极端用电量偏少，在如此少用电量下的高供低计，是基本无办法解决力调电费支出问题。通常高供低计用户多半是2006年以前投产的用户，如该用户投产年限更早，则建议在合适时，把计量方式由高供低计方式改造成高供高计方式。
6.2 高供高计用户，用电量不足
表3为南海某陶瓷企业2月的用电数据，是典型的高供高计，用电量不足导致产生力调电费支出的情况。
由表3可知，该用户变压器安装容量为1250kVA，高供高计，尽管有功用电为23500kW·h，超过我们经验最小的12500 kW·h值，通常1250kVA变压器经济月用电量应大于10万kW·h，如此少用电量，也是“大马拉小车”情况。
判断为用电量偏少，导致无功补偿设备多数时不响应动作，或者是无功补偿设备配置的电容步长太大，也有部分原因是无功补偿设备老化或损坏，导致无功补偿不足。
改善方法：通过预计用电少的月份，提前加装一个变比为原配置1/2～2/3的无功补偿采样互感器，同时，把无功补偿设备中的电容步长再分细一些，即提高补偿精度。但切记预计恢复大功率用电前恢复原来变比的无功补偿采样互感器，避免导致无功补偿控制器过流损坏。
如用户配置的是动态补偿，则把动态响应时间设定成最小值。或者直接加装一套变压器空载（轻载）补偿设备。笔者所在单位曾为佛山地区超过300多个配电用户安装变压器空载（轻载）补偿设备，统计总有效率达95%以上，为绝大部分受季节性生产、长假期、投产初期、转产等影响用电量偏少导致功率因数不达标，产生大额力调电费支出的用户大幅度减少或避免力调电费的发生。
通过上述无功优化改造，预计同等用电情况下，功率因数可以达到0.95以上，获得大约300元的力调电费奖励，与之前需要力调电费支出5798元，差额为6000元。即通过投资改造，该用户在同比用电大致相同下，一个月即可直接节省6000元电费支出。
6.3 高供高计用户，用电量足，补偿设备老化损坏
表4为三水某陶瓷企业2月的用电数据，是典型的高供高计，用电量足，但补偿设备老化损坏导致产生力调电费支出的情况。
由表4可知，该用户变压器安装容量为3500kVA，高供高计，有功用电高达54万kW·h，虽远超过我们经验最小的14万 kW·h值，但最终功率因数也不达标。
判断补偿设备老化损坏，导致无功补偿不足，功率因数不达标。
改善方法：及时检查配电无功补偿设备，更换老化损坏的支路，同时，再增加补偿容量至变压器的60%容量。如发现电容异常过早损坏，则还需要用电能质量测试仪进行谐波测量，证实是谐波超标则应配置无功补偿兼谐波治理装置。因为通常陶瓷企业为节能减排，会为大量电机安装变频设备，加装大量变频设备后，会导致配电系统谐波含量超标，而普通的电容无功补偿设备是谐波敏感设备，即很容易受到谐波超标产生电容谐振，使补偿电容异常发热，过早损坏。届时用户有可能出现电容异常过早损坏，出现大额力调电费支出，不得已又投资修复电容，又再出现电容异常过早损坏的无限循环的情况。
6.4 高供高计用户，用电量足，但补偿设备逐渐老化损坏
表5为三水某陶瓷企业最近一年的用电数据，通过该一年的用电数据分析，可以很清楚的看到用户用电量、功率因数一年来的变化情况。
由表5可知，该用户生产情况正常，反映到月用电量表现为较平稳，月波动不大，但看功率因数数据，很明显该用户关于无功管理方面工作十分不到位。
该用户全年用电量为137万kW·h，年总电费支出949万元，其中，力调电费支出4.9万元。仅2014年1月、2月受元旦、农历新年假期影响用电有所下降。但月功率因数则由2013年3月的0.95一直下降到2014年2月的0.84，与之相随的是力调电费由原来的获得5000元奖励，到不奖不罚，再到下半年需要支出力调电费，最高月支出力调电费11926元。
判断补偿设备不断老化损坏，而用户自身没有及时关注无功补偿问题的变化，没有及时修复受损的补偿设备，导致最后补偿容量不足，功率因数不达标。根据经验，如不再采取措施，在大致的用电情况下，无功补偿设备的损坏情况会继续恶化，功率因数会继续下降，该陶瓷企业每月要支出的力调电费将会更多。也即接下来的月份，如不处理，会一直“无功受罚”下去。
改善方法：及时检查配电无功补偿设备，更换老化损坏的支路，恢复原补偿容量。后应建立无功管理制度，每月监控功率因数变化情况，一旦发现功率因数下降至接近0.9，则及时检查配电无功补偿设备，即时更换损坏的支路，长期保持足够的补偿容量。
如：在2013年7月时，用户能主动发现功率因数已经到达合格临界值（0.9），随即进行无功优化改造，预计同等用电情况下，后续月份的功率因数都可以达到0.95以上，测算共可获得大约36400元的力调电费奖励，与之前需要力调电费支出49421元，差额为85821元。即通过投资改造，该用户同比用电下，全年同比可直接节省8.5万元电费支出。
上述列举的例子只是一些典型的个案，但任何企业配电系统、任何用电方式、任何无功补偿方式，任何无功优化改造方案等都有一定的适用范围，实际每个用户的情况都不尽相同，很难一一罗列对应。但每种问题的出现，均有相应的方法解决。大部分的无功优化改造经济效益都十分显著，改造所需要的投资，往往不到1年，甚至只需要几个月或一个月即可通过节省的力调电费支出来回收。
7 结语
实践证明，要保证所有的用电企业完全避免出现功率因数不达标的情况是不可能的，但我们可以做到尽量减少或避免支出力调电费的发生，减少本不必要支出的成本。所有陶瓷企业仅需要在目前的基础上重视与建立无功管理，设置专责人员每月监控企业自身月度功率因数变化，做到一旦出现功率因数下降到临界值或不达标情况，能尽早发现，尽早分析，尽早解决。使无功补偿技术真正为陶瓷企业带来经济效益，降本增效。
参考文献
[1] 王恒.大电力用户无功补偿存在问题分析及解决办法[C].全国电力系统无功/电压技术交流研讨会论文集， 2006.
[2] 关于颁发《功率因数调整电费办法》的通知[Z].北京：水利电力部，国家物价局，1983.
6.4 高供高计用户，用电量足，但补偿设备逐渐老化损坏
表5为三水某陶瓷企业最近一年的用电数据，通过该一年的用电数据分析，可以很清楚的看到用户用电量、功率因数一年来的变化情况。
由表5可知，该用户生产情况正常，反映到月用电量表现为较平稳，月波动不大，但看功率因数数据，很明显该用户关于无功管理方面工作十分不到位。
该用户全年用电量为137万kW·h，年总电费支出949万元，其中，力调电费支出4.9万元。仅2014年1月、2月受元旦、农历新年假期影响用电有所下降。但月功率因数则由2013年3月的0.95一直下降到2014年2月的0.84，与之相随的是力调电费由原来的获得5000元奖励，到不奖不罚，再到下半年需要支出力调电费，最高月支出力调电费11926元。
判断补偿设备不断老化损坏，而用户自身没有及时关注无功补偿问题的变化，没有及时修复受损的补偿设备，导致最后补偿容量不足，功率因数不达标。根据经验，如不再采取措施，在大致的用电情况下，无功补偿设备的损坏情况会继续恶化，功率因数会继续下降，该陶瓷企业每月要支出的力调电费将会更多。也即接下来的月份，如不处理，会一直“无功受罚”下去。
改善方法：及时检查配电无功补偿设备，更换老化损坏的支路，恢复原补偿容量。后应建立无功管理制度，每月监控功率因数变化情况，一旦发现功率因数下降至接近0.9，则及时检查配电无功补偿设备，即时更换损坏的支路，长期保持足够的补偿容量。
如：在2013年7月时，用户能主动发现功率因数已经到达合格临界值（0.9），随即进行无功优化改造，预计同等用电情况下，后续月份的功率因数都可以达到0.95以上，测算共可获得大约36400元的力调电费奖励，与之前需要力调电费支出49421元，差额为85821元。即通过投资改造，该用户同比用电下，全年同比可直接节省8.5万元电费支出。
上述列举的例子只是一些典型的个案，但任何企业配电系统、任何用电方式、任何无功补偿方式，任何无功优化改造方案等都有一定的适用范围，实际每个用户的情况都不尽相同，很难一一罗列对应。但每种问题的出现，均有相应的方法解决。大部分的无功优化改造经济效益都十分显著，改造所需要的投资，往往不到1年，甚至只需要几个月或一个月即可通过节省的力调电费支出来回收。
7 结语
实践证明，要保证所有的用电企业完全避免出现功率因数不达标的情况是不可能的，但我们可以做到尽量减少或避免支出力调电费的发生，减少本不必要支出的成本。所有陶瓷企业仅需要在目前的基础上重视与建立无功管理，设置专责人员每月监控企业自身月度功率因数变化，做到一旦出现功率因数下降到临界值或不达标情况，能尽早发现，尽早分析，尽早解决。使无功补偿技术真正为陶瓷企业带来经济效益，降本增效。
参考文献
[1] 王恒.大电力用户无功补偿存在问题分析及解决办法[C].全国电力系统无功/电压技术交流研讨会论文集， 2006.
[2] 关于颁发《功率因数调整电费办法》的通知[Z].北京：水利电力部，国家物价局，1983.
6.4 高供高计用户，用电量足，但补偿设备逐渐老化损坏
表5为三水某陶瓷企业最近一年的用电数据，通过该一年的用电数据分析，可以很清楚的看到用户用电量、功率因数一年来的变化情况。
由表5可知，该用户生产情况正常，反映到月用电量表现为较平稳，月波动不大，但看功率因数数据，很明显该用户关于无功管理方面工作十分不到位。
该用户全年用电量为137万kW·h，年总电费支出949万元，其中，力调电费支出4.9万元。仅2014年1月、2月受元旦、农历新年假期影响用电有所下降。但月功率因数则由2013年3月的0.95一直下降到2014年2月的0.84，与之相随的是力调电费由原来的获得5000元奖励，到不奖不罚，再到下半年需要支出力调电费，最高月支出力调电费11926元。
判断补偿设备不断老化损坏，而用户自身没有及时关注无功补偿问题的变化，没有及时修复受损的补偿设备，导致最后补偿容量不足，功率因数不达标。根据经验，如不再采取措施，在大致的用电情况下，无功补偿设备的损坏情况会继续恶化，功率因数会继续下降，该陶瓷企业每月要支出的力调电费将会更多。也即接下来的月份，如不处理，会一直“无功受罚”下去。
改善方法：及时检查配电无功补偿设备，更换老化损坏的支路，恢复原补偿容量。后应建立无功管理制度，每月监控功率因数变化情况，一旦发现功率因数下降至接近0.9，则及时检查配电无功补偿设备，即时更换损坏的支路，长期保持足够的补偿容量。
如：在2013年7月时，用户能主动发现功率因数已经到达合格临界值（0.9），随即进行无功优化改造，预计同等用电情况下，后续月份的功率因数都可以达到0.95以上，测算共可获得大约36400元的力调电费奖励，与之前需要力调电费支出49421元，差额为85821元。即通过投资改造，该用户同比用电下，全年同比可直接节省8.5万元电费支出。
上述列举的例子只是一些典型的个案，但任何企业配电系统、任何用电方式、任何无功补偿方式，任何无功优化改造方案等都有一定的适用范围，实际每个用户的情况都不尽相同，很难一一罗列对应。但每种问题的出现，均有相应的方法解决。大部分的无功优化改造经济效益都十分显著，改造所需要的投资，往往不到1年，甚至只需要几个月或一个月即可通过节省的力调电费支出来回收。
7 结语
实践证明，要保证所有的用电企业完全避免出现功率因数不达标的情况是不可能的，但我们可以做到尽量减少或避免支出力调电费的发生，减少本不必要支出的成本。所有陶瓷企业仅需要在目前的基础上重视与建立无功管理，设置专责人员每月监控企业自身月度功率因数变化，做到一旦出现功率因数下降到临界值或不达标情况，能尽早发现，尽早分析，尽早解决。使无功补偿技术真正为陶瓷企业带来经济效益，降本增效。
参考文献
[1] 王恒.大电力用户无功补偿存在问题分析及解决办法[C].全国电力系统无功/电压技术交流研讨会论文集， 2006.
[2] 关于颁发《功率因数调整电费办法》的通知[Z].北京：水利电力部，国家物价局，1983.
