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浅谈低压配电无功补偿
发布时间：2019-03-12 访问：5686
本文就低压配电系统中常见的无功补偿进行介绍,主要内容包括:无功补偿的基本原理,无功补偿的作用和主要措施。
一、无功补偿的原理
无功补偿主要包括视在功率、无功功率、有功功率以及功率因数,同时还要了解它们之间的相互联系,在电路中的作用。
(一)视在功率
视在功率是指交流电源(发电机或变压器)的额定容量,也就是通常说的一个工厂或一个家庭各个时间段的用电量;它包括负载的有功功率和无功功率。
(二)无功功率
无功功率是按电磁感应原理工作的某个交流供用电设备和交流电源之间的能量交换,这种能量互换的最大值称为无功功率。如果用电设备为感性,则无功功率就是感性负载的磁场能和交流电源提供的电能交换;如果用电设备为容性则无功功率就是容性负载的电场能和交流电源的电能的互换。
(三)有功功率
有功功率是指设备做功和发热用掉的那部分功率,例如矿热炉加热,用掉的热能,电动机带动齿轮转动的动能等。有功功率一般用P表示,常用单位KW
(四)视在功率、无功功率、有功功率之间的关系。
有功功率和无功功率都是视在功率一部分,它们之间的关系为:S2=P2+Q2 即:S=√P2+Q2
(五)功率因数
在物理学中根据电磁感应原理,我们知道当不断变化的电流(交流电)通过电感时,电感要产生感应电动势,由于感应电动势总是阻碍电流的变化,也就是说感应电动势既阻碍电流增大,也阻碍电流减小,所以在相位上电感上的电流总是落后90°,而同时有功电流IR在相位上和电压是同步的,当电源输出电压U变化时:S=UI,P=UIRQ=UIL,所以得到:I2=IR2+ IL2既:S2=P2+Q2S=√P2+Q2
IRIR UP
COSφ= ―― = ―― = ――
IIU S
有功功率P=S×COSφ
式中可以知道当COSφ增大时,有功功率就增加,当COSφ减小时有功功率就减小,由于COSφ能够反应出交流电源发出的功率(S)的利用效率,所以我们把COSφ称为功率因数,功率因数就是有功功率P和视在功率S的比值,既:COSφ=P/S
二、提高功率因数的办法
提高功率因数的方法常用的是补偿法,一般都采用电力电容器来补偿用电设备需要的无功功率,这就称为电容无功补偿法。
理想的电容器在电路是不消耗电能的,它只是从电源吸收电能转换成电场能,再把电场能转换成电能还给电源,完成它与电源之间的能量互换,因此电容上的功率也是无功功率,只是它的无功功率是由于电容上的电流IC超前电压90°引起的,和电感由于电流滞后引起的无功功率正好相反。
在纯电容电路中,当电容器两端的电压发生变化时,电容器极板上的电量也需随着变化,电流的大小取决于电压变化的快慢和电压的大小没有关系,相位上流过电容的电流总是超前电容两端的电压90°
我们可以看到在感性负荷的两端并联电力电容器可以提高功率因数,但并不改变感性功率负载的有功功率。只是得到同样的有功功率所需的视在功率减少了。
三、无功补偿方式
理论上而言,无功补偿最好的方式是在哪里需要的无功,就在哪里补偿,整个系统将没有无功电流的流动。但在实际电网当中这是不可能做到的。因为无论是变压器、输电线路还是各种负载,均会需要无功。所以实际电网当中就补偿装置的安装位置而言有如下几种补偿方式:①变电所集中补偿;②配电线路分散补偿;③负荷侧集中补偿;④用户负荷的就地补偿。
对于低压配网无功补偿,通常采用负荷侧集中补偿方式,即在低压系统(如变压器的低压侧)利用自动功率因数调整装置,随着负荷的变化,自动地投入或切除电容器的部分或全部容量。
(一)补偿容量的确定
考虑到动力类负荷,估计配变的功率因数在0.75左右,设计在满负荷状态下功率因数提高到0.90
假设配变容量为S,补偿前有功功率、无功功率和功率因数角分别为P1、Q1、和φ1,补偿后有功功率、无功功率和功率因数角分别为P2、Q2和φ2,Qb为需补偿的容量。由此可得出应补偿的容量为: Qb=Q1-Q2 =S×sinφ1-S×sinφ2 =S×(0.661-0.436) =0.225S 补偿百分比为:η%=Qb/S×100%=22.5% 根据电网的运行经验可以得出,补偿容量一般为变压器额定容量的20%～30%。
(二)补偿方式的选择
补偿方式分为三相共补、分相补偿和混合补偿(即共补加分补),一般而言当需要补偿的容量超过60kvar时,采用混合补偿是比较合适的,即可照顾到三相之间的不平衡,与分相补偿的效果完全相同,又可以降低成本。
(三)补偿级数的选择
补偿级数(即补偿电容器的分组数量)越多,补偿的精度越高,但随着补偿级数的增加,装置的成本会大幅度提高,而且设备的体积也会增大。综合考虑补偿精度、成本、箱体体积等因素,一般采用11级非常容量补偿,前9级为等容量以满足基本补偿,后2级为小容量以提高补偿精度。
四、无功补偿的效益
在现代用电企业中,在数量众多、容量大小不等的感性设备连接于电力系统中,电网传输功率除有功功率外,还需无功功率。
(一)节省企业电费开支
提高功率因数对企业的直接经济效益是明显的,因为国家电价制度中,从合理利用有限电能出发,对不同企业的功率因数规定了要求达到的不同数值,低于规定的数值,需要额外多收电费,高于规定数值,可相应地减少电费。使用无功补偿不但减少初次投资费用,而且减少了运行后的基本电费。
(二)降低系统的能耗
补偿前后线路传送的有功功率不变,P= UICOSφ,由于COSφ提高,补偿后的电压U2稍大于补偿前电压U1,为分析问题方便,可认为U2≈U1从而导出I1COSφ1=I2COSφ2。即I1/I2=COSφ2/COSφ1,这样线损P减少的百分数为:ΔP%= (1-I2/I1)×100% =(1-COSφ1/ COSφ2)×100%
当功率因数从0.70～0.85提高到0.95时,由上式可求得有功损耗将降低20%～45%。
(三)改善电压质量
以线路末端只有一个集中负荷为例,假设线路电阻和电抗为R、X,有功和无功为P、Q,则电压损失ΔU为:△U=(PR+QX)/Ue×10-3(KV) 两部分损失:PR/Ue→输送有功负荷P产生的;QX/Ue→输送无功负荷Q产生的;配电线路:X=(2~4)R,△U大部分为输送无功负荷Q产生的,变压器:X=(5~10)R QX/Ue=(5~10)PR/Ue,变压器△U几乎全为输送无功负荷Q产生的。
可以看出,若减少无功功率Q,则有利于线路末端电压的稳定,有利于大电动机的起动。
(四)增加系统容量
三相异步电动机通过就地补偿后,由于电流的下降,功率因数的提高,从而增加了变压器的容量,计算公式如下:△S=P/COSφ1×[(COSφ2/COSφ1)-1]。
五、结语
一、无功补偿的原理
无功补偿主要包括视在功率、无功功率、有功功率以及功率因数,同时还要了解它们之间的相互联系,在电路中的作用。
(一)视在功率
视在功率是指交流电源(发电机或变压器)的额定容量,也就是通常说的一个工厂或一个家庭各个时间段的用电量;它包括负载的有功功率和无功功率。
(二)无功功率
无功功率是按电磁感应原理工作的某个交流供用电设备和交流电源之间的能量交换,这种能量互换的最大值称为无功功率。如果用电设备为感性,则无功功率就是感性负载的磁场能和交流电源提供的电能交换;如果用电设备为容性则无功功率就是容性负载的电场能和交流电源的电能的互换。
(三)有功功率
有功功率是指设备做功和发热用掉的那部分功率,例如矿热炉加热,用掉的热能,电动机带动齿轮转动的动能等。有功功率一般用P表示,常用单位KW
(四)视在功率、无功功率、有功功率之间的关系。
有功功率和无功功率都是视在功率一部分,它们之间的关系为:S2=P2+Q2 即:S=√P2+Q2
(五)功率因数
在物理学中根据电磁感应原理,我们知道当不断变化的电流(交流电)通过电感时,电感要产生感应电动势,由于感应电动势总是阻碍电流的变化,也就是说感应电动势既阻碍电流增大,也阻碍电流减小,所以在相位上电感上的电流总是落后90°,而同时有功电流IR在相位上和电压是同步的,当电源输出电压U变化时:S=UI,P=UIRQ=UIL,所以得到:I2=IR2+ IL2既:S2=P2+Q2S=√P2+Q2
IRIR UP
COSφ= ―― = ―― = ――
IIU S
有功功率P=S×COSφ
式中可以知道当COSφ增大时,有功功率就增加,当COSφ减小时有功功率就减小,由于COSφ能够反应出交流电源发出的功率(S)的利用效率,所以我们把COSφ称为功率因数,功率因数就是有功功率P和视在功率S的比值,既:COSφ=P/S
二、提高功率因数的办法
提高功率因数的方法常用的是补偿法,一般都采用电力电容器来补偿用电设备需要的无功功率,这就称为电容无功补偿法。
理想的电容器在电路是不消耗电能的,它只是从电源吸收电能转换成电场能,再把电场能转换成电能还给电源,完成它与电源之间的能量互换,因此电容上的功率也是无功功率,只是它的无功功率是由于电容上的电流IC超前电压90°引起的,和电感由于电流滞后引起的无功功率正好相反。
在纯电容电路中,当电容器两端的电压发生变化时,电容器极板上的电量也需随着变化,电流的大小取决于电压变化的快慢和电压的大小没有关系,相位上流过电容的电流总是超前电容两端的电压90°
我们可以看到在感性负荷的两端并联电力电容器可以提高功率因数,但并不改变感性功率负载的有功功率。只是得到同样的有功功率所需的视在功率减少了。
三、无功补偿方式
理论上而言,无功补偿最好的方式是在哪里需要的无功,就在哪里补偿,整个系统将没有无功电流的流动。但在实际电网当中这是不可能做到的。因为无论是变压器、输电线路还是各种负载,均会需要无功。所以实际电网当中就补偿装置的安装位置而言有如下几种补偿方式:①变电所集中补偿;②配电线路分散补偿;③负荷侧集中补偿;④用户负荷的就地补偿。
对于低压配网无功补偿,通常采用负荷侧集中补偿方式,即在低压系统(如变压器的低压侧)利用自动功率因数调整装置,随着负荷的变化,自动地投入或切除电容器的部分或全部容量。
(一)补偿容量的确定
考虑到动力类负荷,估计配变的功率因数在0.75左右,设计在满负荷状态下功率因数提高到0.90
假设配变容量为S,补偿前有功功率、无功功率和功率因数角分别为P1、Q1、和φ1,补偿后有功功率、无功功率和功率因数角分别为P2、Q2和φ2,Qb为需补偿的容量。由此可得出应补偿的容量为: Qb=Q1-Q2 =S×sinφ1-S×sinφ2 =S×(0.661-0.436) =0.225S 补偿百分比为:η%=Qb/S×100%=22.5% 根据电网的运行经验可以得出,补偿容量一般为变压器额定容量的20%～30%。
(二)补偿方式的选择
补偿方式分为三相共补、分相补偿和混合补偿(即共补加分补),一般而言当需要补偿的容量超过60kvar时,采用混合补偿是比较合适的,即可照顾到三相之间的不平衡,与分相补偿的效果完全相同,又可以降低成本。
(三)补偿级数的选择
补偿级数(即补偿电容器的分组数量)越多,补偿的精度越高,但随着补偿级数的增加,装置的成本会大幅度提高,而且设备的体积也会增大。综合考虑补偿精度、成本、箱体体积等因素,一般采用11级非常容量补偿,前9级为等容量以满足基本补偿,后2级为小容量以提高补偿精度。
四、无功补偿的效益
在现代用电企业中,在数量众多、容量大小不等的感性设备连接于电力系统中,电网传输功率除有功功率外,还需无功功率。
(一)节省企业电费开支
提高功率因数对企业的直接经济效益是明显的,因为国家电价制度中,从合理利用有限电能出发,对不同企业的功率因数规定了要求达到的不同数值,低于规定的数值,需要额外多收电费,高于规定数值,可相应地减少电费。使用无功补偿不但减少初次投资费用,而且减少了运行后的基本电费。
(二)降低系统的能耗
补偿前后线路传送的有功功率不变,P= UICOSφ,由于COSφ提高,补偿后的电压U2稍大于补偿前电压U1,为分析问题方便,可认为U2≈U1从而导出I1COSφ1=I2COSφ2。即I1/I2=COSφ2/COSφ1,这样线损P减少的百分数为:ΔP%= (1-I2/I1)×100% =(1-COSφ1/ COSφ2)×100%
当功率因数从0.70～0.85提高到0.95时,由上式可求得有功损耗将降低20%～45%。
(三)改善电压质量
以线路末端只有一个集中负荷为例,假设线路电阻和电抗为R、X,有功和无功为P、Q,则电压损失ΔU为:△U=(PR+QX)/Ue×10-3(KV) 两部分损失:PR/Ue→输送有功负荷P产生的;QX/Ue→输送无功负荷Q产生的;配电线路:X=(2~4)R,△U大部分为输送无功负荷Q产生的,变压器:X=(5~10)R QX/Ue=(5~10)PR/Ue,变压器△U几乎全为输送无功负荷Q产生的。
可以看出,若减少无功功率Q,则有利于线路末端电压的稳定,有利于大电动机的起动。
(四)增加系统容量
三相异步电动机通过就地补偿后,由于电流的下降,功率因数的提高,从而增加了变压器的容量,计算公式如下:△S=P/COSφ1×[(COSφ2/COSφ1)-1]。
五、结语
在配电网中进行无功补偿、提高功率因数和做好无功优化,是一项建设性的节能措施。本文简要分析了无功补偿的方法和无功功率补偿容量的选择方法以及无功补偿后的良性影响。在实际设计中,要具体问题具体分析,使无功补偿应用获得最大的效益。