低壓電網(wǎng)中無功補(bǔ)償技術(shù)的研究

摘要:通過技術(shù)改造,可使低于標(biāo)準(zhǔn)要求的功率因數(shù)達(dá)標(biāo),實(shí)現(xiàn)節(jié)約用電的目的。通過分析低壓電網(wǎng)中無功補(bǔ)償?shù)淖饔煤脱a(bǔ)償容量的選擇方法,闡明了采用無功補(bǔ)償技術(shù)提高低壓電網(wǎng)和用電設(shè)備的功率因數(shù),已成為節(jié)電工作的一項(xiàng)重要措施。

0前言

各工業(yè)企業(yè)用電系統(tǒng)功率因數(shù)的高低, 直接影響整個(gè)電網(wǎng)的供電質(zhì)量和發(fā)電系統(tǒng)的電能利用率。過低的功率因數(shù),不僅使電力系統(tǒng)內(nèi)的供電設(shè)備容量得不到充分利用,增加電力電網(wǎng)中輸電線路上的電能損耗,還會(huì)使線路的電壓損失增大,有時(shí)使得負(fù)荷端的電壓低于允許值, 嚴(yán)重影響異步電動(dòng)機(jī)及其它用電設(shè)備的正常運(yùn)行, 甚至損壞。電力系統(tǒng)功率因數(shù)的高低,已經(jīng)成為電力系統(tǒng)的一項(xiàng)重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。因此, 要求電力系統(tǒng)的各級(jí)都要根據(jù)分級(jí)就地平衡的原則,采取措施補(bǔ)償無功功率,提高功率因數(shù)。

為了降低無功功率提高功率因數(shù),一般從2方面采取措施:一是提高自然功率因數(shù);二是采用供應(yīng)無功功率的設(shè)備來補(bǔ)償用電設(shè)備所需的無功功率,以提高其功率因數(shù),稱為提高功率因數(shù)補(bǔ)償法。補(bǔ)償方法通常有3種: ( 1)采用同步電機(jī)補(bǔ)償; ( 2)采用同步調(diào)相機(jī); (3)采用移相電容器補(bǔ)償。由于移相電容器是一種投資省、見效快、維護(hù)方便的無功電源,低壓電網(wǎng)常常選用移相電容器來提高功率因數(shù)。它包括固定電容器( FC)補(bǔ)償和自動(dòng)投切電容器的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償以及兩者混合補(bǔ)償?shù)确绞健?/p>

1影響功率因數(shù)的主要因素

功率因數(shù)的產(chǎn)生主要是因?yàn)榻涣饔秒娫O(shè)備在其工作過程中,除消耗有功功率外, 還需要無功功率。當(dāng)有功功率P一定時(shí),如減少無功功率Q,則功率因數(shù)便能夠提高。在極端情況下, 當(dāng)Q = 0時(shí), 則其功率因數(shù)為1。因此提高功率因數(shù)問題的實(shí)質(zhì)就是減少用電設(shè)備的無功功率需要量。

1. 1異步電動(dòng)機(jī)和電力變壓器是耗用無功功率的主要設(shè)備

異步電動(dòng)機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子間的氣隙是決定異步電動(dòng)機(jī)需要較多無功的主要因素。而異步電動(dòng)機(jī)所耗用的無功功率是由其空載時(shí)的無功功率和一定負(fù)載下無功功率的增加值2部分所組成。所以要改善異步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)就要防止電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行并盡可能提高負(fù)載率。變壓器消耗無功的主要成份是它的空載無功功率,它和負(fù)載率的大小無關(guān)。因而,為了改善電力系統(tǒng)和企業(yè)的功率因數(shù),變壓器不應(yīng)空載運(yùn)行或長(zhǎng)期處于低負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)。

1. 2供電電壓超出規(guī)定范圍也會(huì)對(duì)功率因數(shù)造成很大的影響

當(dāng)供電電壓高于額定值的10%時(shí),由于磁路飽和的影響,無功功率將增長(zhǎng)得很快, 據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì),當(dāng)供電電壓為額定值的110%時(shí),一般工廠的無功將增加35%左右[ 1 ]。當(dāng)供電電壓低于額定值時(shí),無功功率也相應(yīng)減少,從而使它們的功率因數(shù)有所提高。但供電電壓降低會(huì)影響電氣設(shè)備的正常工作。所以,應(yīng)當(dāng)采取措施使電力系統(tǒng)的供電電壓盡可能保持穩(wěn)定。

1. 3電網(wǎng)頻率的波動(dòng)也會(huì)對(duì)異步電機(jī)和變壓器的磁化無功功率造成一定的影響

當(dāng)供電電網(wǎng)頻率降低時(shí),異步電機(jī)和變壓器的勵(lì)磁電流將大為增加,引起系統(tǒng)的無功功率損耗增加,導(dǎo)致功率因數(shù)降低。

2低壓電網(wǎng)無功補(bǔ)償中的技術(shù)問題

2. 1無功補(bǔ)償?shù)暮侠砼渲迷瓌t

從電力網(wǎng)無功功率消耗的基本狀況可以看出,各級(jí)網(wǎng)絡(luò)和輸配電設(shè)備都要消耗一定數(shù)量的無功功率,尤以低壓配電網(wǎng)所占比重最大。為了最大限度地減少無功功率的傳輸損耗,提高輸配電設(shè)備的效率,無功補(bǔ)償設(shè)備的配置應(yīng)按以下原則合理布局:

(1)總體平衡與局部平衡相結(jié)合,以局部為主。

(2)電力部門補(bǔ)償與用戶補(bǔ)償相結(jié)合。

在低壓配電網(wǎng)絡(luò)中,用戶消耗的無功功率約占50%—60%,其余的無功功率消耗在配電網(wǎng)中[ 2 ] ,因此,為了減少無功功率在網(wǎng)絡(luò)中的輸送,要盡可能地實(shí)現(xiàn)就地補(bǔ)償、就地平衡,所以必須由電力部門和用戶共同進(jìn)行補(bǔ)償。

(3)分散補(bǔ)償與集中補(bǔ)償相結(jié)合,以分散為主。

分散補(bǔ)償,指在配電網(wǎng)絡(luò)中分散的負(fù)荷區(qū),如配電線路,配電變壓器和用戶的用電設(shè)備等進(jìn)行的無功補(bǔ)償。集中補(bǔ)償, 是在變電所集中裝設(shè)較大容量的補(bǔ)償電容器,主要是補(bǔ)償主變壓器本身的無功損耗,以及減少變電所以上輸電線路的無功電力,從而降低供電網(wǎng)絡(luò)的無功損耗,但不能降低配電網(wǎng)絡(luò)的無功損耗。

2. 2就地補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)

(1)就地補(bǔ)償基波無功功率, 濾除諧波無功功率,降低了補(bǔ)償點(diǎn)到高壓公共連接點(diǎn)的供配電損耗,節(jié)能效果明顯[ 3 ]。

(2)就地補(bǔ)償可以解決高壓補(bǔ)償不能解決的由于負(fù)載沖擊引起的低壓電網(wǎng)的網(wǎng)壓波動(dòng)問題。

(3)進(jìn)行就地補(bǔ)償后,降低了供配電系統(tǒng)的實(shí)際輸出容量,從而提高了低壓變壓器的供電能力,保證了設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

(4)就地補(bǔ)償幾乎不受背景諧波影響, 保證了補(bǔ)償裝置運(yùn)行的可靠性和設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

2. 3補(bǔ)償方式

2. 3. 1低壓集中補(bǔ)償方式

目前,國(guó)內(nèi)較普遍采用的一種無功補(bǔ)償方式,是在配電變壓器380 V側(cè)進(jìn)行集中補(bǔ)償,在這種方式下,補(bǔ)償裝置通常采用微機(jī)控制的低壓并聯(lián)電容器柜,容量在幾十至幾百千伏不等,它是根據(jù)用戶負(fù)荷水平的波動(dòng),投入相應(yīng)數(shù)量的電容器進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償。主要目的是提高專用變壓器用戶的功率因數(shù),實(shí)現(xiàn)無功功率的就地平衡,對(duì)配電網(wǎng)和配電變壓器的降損有一定作用,也保證該用戶的電壓水平。

這種補(bǔ)償方式的投資及維護(hù)均由專用變壓器用戶承擔(dān)。目前國(guó)內(nèi)各廠家生產(chǎn)的自動(dòng)補(bǔ)償裝置通常是根據(jù)功率因數(shù)來進(jìn)行電容器的自動(dòng)投切,也有為了保證用戶電壓水平而以電壓為判據(jù)進(jìn)行控制。這種補(bǔ)償方式雖然利于保證用戶的電能質(zhì)量,但對(duì)電力系統(tǒng)并不可取。因?yàn)榫€路電壓的波動(dòng)主要由無功量變化引起,而線路的電壓水平由系統(tǒng)情況決定。當(dāng)線路電壓基準(zhǔn)偏高或偏低時(shí),無功功率的投切量可能與實(shí)際需求相差甚遠(yuǎn),可能出現(xiàn)無功功率補(bǔ)償過多或補(bǔ)償不足的情況。

2. 3. 2桿上無功補(bǔ)償方式

由于配電網(wǎng)中大量存在的公用變壓器沒有進(jìn)行低壓補(bǔ)償,補(bǔ)償度受到限制。由此造成很大的無功功率缺口需要由變電站或發(fā)電廠來填,大量的無功功率沿線傳輸,配電網(wǎng)網(wǎng)損居高難下。因此可以把10kV戶外并聯(lián)電容器安裝在架空線路的桿塔上的方法來進(jìn)行無功補(bǔ)償,以提高配電網(wǎng)功率因數(shù),達(dá)到降損升壓的目的。由于桿上安裝的并聯(lián)電容器遠(yuǎn)離變電站,容易出現(xiàn)保護(hù)不易配置,控制成本高,維護(hù)工作量大,受安裝環(huán)境和空間等客觀條件限制等工程問題。因此,桿上無功功率優(yōu)化補(bǔ)償必須結(jié)合以下實(shí)際工程要求來進(jìn)行:

(1)補(bǔ)償點(diǎn)宜少。一條配電線路上宜采用單點(diǎn)補(bǔ)償,不宜采用多點(diǎn)補(bǔ)償。

( 2)控制方式從簡(jiǎn)。桿上補(bǔ)償不設(shè)分組投切。

(3)補(bǔ)償容量不宜過大。補(bǔ)償容量太大,將會(huì)導(dǎo)致配電線路在輕載時(shí)過電壓和過補(bǔ)償現(xiàn)象。桿上空間有限,太多的電容器同桿架設(shè),既不安全,也不利于電容器散熱。

(4)接線宜簡(jiǎn)單。最好是每相只配置一臺(tái)電容器裝置,以降低整套補(bǔ)償設(shè)備的故障率。

(5)保護(hù)方式也要簡(jiǎn)化。分別用熔絲和氧化鋅避雷器分別作為過流保護(hù)和過電壓保護(hù)。

( 6)防止電容器安裝后產(chǎn)生諧振現(xiàn)象。

2. 3. 3用戶終端分散補(bǔ)償方式

目前,在我國(guó)城鎮(zhèn),低壓用戶的用電量大幅增長(zhǎng),企業(yè)、廠礦和小區(qū)等對(duì)無功功率需求都很大,直接對(duì)用戶末端進(jìn)行無功補(bǔ)償,將最恰當(dāng)?shù)亟档碗娋W(wǎng)的損耗和維持網(wǎng)絡(luò)的電壓水平。GB50052—1995《供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》指出, 容量較大、負(fù)荷平穩(wěn)且經(jīng)常使用的用電設(shè)備, 無功負(fù)荷宜單獨(dú)就地補(bǔ)償。這樣,對(duì)于企業(yè)和廠礦中的電動(dòng)機(jī),應(yīng)該進(jìn)行就地?zé)o功補(bǔ)償,即隨機(jī)補(bǔ)償。針對(duì)小區(qū)用戶終端,由于用戶負(fù)荷小,波動(dòng)大,地點(diǎn)分散,無人管理,應(yīng)該開發(fā)一種新型低壓終端無功補(bǔ)償裝置,并能滿足智能型控制、免維護(hù)、體積小、易安裝、功能完善、造價(jià)較低等的要求。

2. 4補(bǔ)償容量的確定

補(bǔ)償容量計(jì)算:現(xiàn)有功率因數(shù)為cos<1 ,要求提高后功率因數(shù)為cos<2 ,則

Qc = Pa v ( tgφ1 - tgφ2 ) =αPca ( tgφ1 - tgφ2 )

式中: Pc a ———最大有功計(jì)算負(fù)荷, kW;

α———平均有功負(fù)荷系數(shù);

tgφ1、tgφ2 ———補(bǔ)償前、后均權(quán)功率因數(shù)角的正切值。

在計(jì)算補(bǔ)償電力電容器的容量和個(gè)數(shù)時(shí),應(yīng)考慮到實(shí)際運(yùn)行電壓可能與額定電壓不同,電容器能補(bǔ)償?shù)膶?shí)際容量將低于額定容量,此時(shí)需要對(duì)額定容量進(jìn)行修正。電容器銘牌上的額定容量是在額定電壓時(shí)的無功容量, 如果電容器實(shí)際運(yùn)行電壓不等于額定電壓,應(yīng)按下式進(jìn)行換算:

2. 5補(bǔ)償級(jí)數(shù)的選擇

補(bǔ)償級(jí)數(shù)(即補(bǔ)償電容器的分組數(shù)量)越多,補(bǔ)償?shù)木仍礁?但隨著補(bǔ)償級(jí)數(shù)的增加,裝置的成本會(huì)大幅度提高,而且箱殼的體積也會(huì)增大。綜合考慮補(bǔ)償精度、成本、箱體體積等因素,建議采用11級(jí)非常容量補(bǔ)償,前9級(jí)為等容量以滿足基本補(bǔ)償,后2級(jí)為小容量以提高補(bǔ)償精度。

2. 6投切控制方式的選擇

目前可分為三相共補(bǔ)和三相分補(bǔ)2種。三相共補(bǔ)是根據(jù)三相總的無功需求來投切電容器組,電容器接法為三角形。三相分補(bǔ)則是根據(jù)每相各自的無功需求投切電容器組,電容器接法為星形?？刂品绞桨ㄈ喙惭a(bǔ)的兩相控制方式和三相分補(bǔ)的三相控制方式。

為了盡可能地減小裝置的體積,簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu),提高裝置的可靠性,即將電容器按一定容量比進(jìn)行分組,通過控制器的軟件對(duì)這些電容器組進(jìn)行排列組合投切。

2. 7無功補(bǔ)償裝置的安裝

對(duì)于箱式變?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮無功裝置及其安裝位置,而對(duì)于公共桿變,可選用柜(箱)式低壓無功補(bǔ)償裝置地面式安裝,裝置的底部加升高座,以便于進(jìn)線。

3結(jié)語

文中集中探討了無功補(bǔ)償技術(shù)對(duì)用電單位的低壓配電網(wǎng)的影響以及提高功率因數(shù)所帶來的經(jīng)濟(jì)效益,介紹了影響功率因數(shù)的主要因素和提高功率因數(shù)的方法,討論了如何確定無功功率的補(bǔ)償容量和補(bǔ)償方式,確保補(bǔ)償技術(shù)經(jīng)濟(jì)、合理、安全可靠,以達(dá)到節(jié)約電能的目的。

參考文獻(xiàn)

[ 1 ] 粟時(shí)平,劉桂美1靜止無功率補(bǔ)償技術(shù)[M ] 1北京:中國(guó)電力出版社, 20041

[ 2 ] 何大愚1柔性交流輸電技術(shù)和用戶電力技術(shù)的新發(fā)展[ J ] 1電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 1999, 23 ( 06) : 8&mdash;131

[ 3 ] 謝小容, 姜齊容1柔性交流輸電系統(tǒng)的原理與應(yīng)用[M ] 1北京:清華大學(xué)出版社, 2006