低壓電網中無功補償技術的研究

摘要:通過技術改造,可使低于標準要求的功率因數達標,實現(xiàn)節(jié)約用電的目的。通過分析低壓電網中無功補償的作用和補償容量的選擇方法,闡明了采用無功補償技術提高低壓電網和用電設備的功率因數,已成為節(jié)電工作的一項重要措施。 　　0前言 　　各工業(yè)企業(yè)用電系統(tǒng)功率因數的高低, 直接影響整個電網的供電質量和發(fā)電系統(tǒng)的電能利用率。過低的功率因數,不僅使電力系統(tǒng)內的供電設備容量得不到充分利用,增加電力電網中輸電線路上的電能損耗,還會使線路的電壓損失增大,有時使得負荷端的電壓低于允許值, 嚴重影響異步電動機及其它用電設備的正常運行, 甚至損壞。電力系統(tǒng)功率因數的高低,已經成為電力系統(tǒng)的一項重要經濟指標。因此, 要求電力系統(tǒng)的各級都要根據分級就地平衡的原則,采取措施補償無功功率,提高功率因數。 　　為了降低無功功率提高功率因數,一般從2方面采取措施:一是提高自然功率因數;二是采用供應無功功率的設備來補償用電設備所需的無功功率,以提高其功率因數,稱為提高功率因數補償法。補償方法通常有3種: ( 1)采用同步電機補償; ( 2)采用同步調相機; (3)采用移相電容器補償。由于移相電容器是一種投資省、見效快、維護方便的無功電源,低壓電網常常選用移相電容器來提高功率因數。它包括固定電容器( FC)補償和自動投切電容器的動態(tài)補償以及兩者混合補償等方式。 　　1影響功率因數的主要因素 　　功率因數的產生主要是因為交流用電設備在其工作過程中,除消耗有功功率外, 還需要無功功率。當有功功率P一定時,如減少無功功率Q,則功率因數便能夠提高。在極端情況下, 當Q = 0時, 則其功率因數為1。因此提高功率因數問題的實質就是減少用電設備的無功功率需要量。 　　1. 1異步電動機和電力變壓器是耗用無功功率的主要設備 　　異步電動機的定子與轉子間的氣隙是決定異步電動機需要較多無功的主要因素。而異步電動機所耗用的無功功率是由其空載時的無功功率和一定負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機的功率因數就要防止電動機的空載運行并盡可能提高負載率。變壓器消耗無功的主要成份是它的空載無功功率,它和負載率的大小無關。因而,為了改善電力系統(tǒng)和企業(yè)的功率因數,變壓器不應空載運行或長期處于低負載運行狀態(tài)。 　　1. 2供電電壓超出規(guī)定范圍也會對功率因數造成很大的影響 　　當供電電壓高于額定值的10%時,由于磁路飽和的影響,無功功率將增長得很快, 據有關資料統(tǒng)計,當供電電壓為額定值的110%時,一般工廠的無功將增加35%左右[。當供電電壓低于額定值時,無功功率也相應減少,從而使它們的功率因數有所提高。但供電電壓降低會影響電氣設備的正常工作。所以,應當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電網頻率的波動也會對異步電機和變壓器的磁化無功功率造成一定的影響 　　當供電電網頻率降低時,異步電機和變壓器的勵磁電流將大為增加,引起系統(tǒng)的無功功率損耗增加,導致功率因數降低。 　　2低壓電網無功補償中的技術問題 　　2. 1無功補償的合理配置原則 　　從電力網無功功率消耗的基本狀況可以看出,各級網絡和輸配電設備都要消耗一定數量的無功功率,尤以低壓配電網所占比重最大。為了最大限度地減少無功功率的傳輸損耗,提高輸配電設備的效率,無功補償設備的配置應按以下原則合理布局: 　　(1)總體平衡與局部平衡相結合,以局部為主。 　　(2)電力部門補償與用戶補償相結合。 　　在低壓配電網絡中,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中[ ,因此,為了減少無功功率在網絡中的輸送,要盡可能地實現(xiàn)就地補償、就地平衡,所以必須由電力部門和用戶共同進行補償。 　　(3)分散補償與集中補償相結合,以分散為主。 　　分散補償,指在配電網絡中分散的負荷區(qū),如配電線路,配電變壓器和用戶的用電設備等進行的無功補償。集中補償, 是在變電所集中裝設較大容量的補償電容器,主要是補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,從而降低供電網絡的無功損耗,但不能降低配電網絡的無功損耗。 　　2. 2就地補償的優(yōu)點 　　(1)就地補償基波無功功率, 濾除諧波無功功率,降低了補償點到高壓公共連接點的供配電損耗,節(jié)能效果明顯。 　　(2)就地補償可以解決高壓補償不能解決的由于負載沖擊引起的低壓電網的網壓波動問題。 　　(3)進行就地補償后,降低了供配電系統(tǒng)的實際輸出容量,從而提高了低壓變壓器的供電能力,保證了設備運行的可靠性。 　　(4)就地補償幾乎不受背景諧波影響, 保證了補償裝置運行的可靠性和設計的準確性。 　　2. 3補償方式 　　2. 3. 1低壓集中補償方式 　　目前,國內較普遍采用的一種無功補償方式,是在配電變壓器380 V側進行集中補償,在這種方式下,補償裝置通常采用微機控制的低壓并聯(lián)電容器柜,容量在幾十至幾百千伏不等,它是根據用戶負荷水平的波動,投入相應數量的電容器進行跟蹤補償。主要目的是提高專用變壓器用戶的功率因數,實現(xiàn)無功功率的就地平衡,對配電網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。 　　這種補償方式的投資及維護均由專用變壓器用戶承擔。目前國內各廠家生產的自動補償裝置通常是根據功率因數來進行電容器的自動投切,也有為了保證用戶電壓水平而以電壓為判據進行控制。這種補償方式雖然利于保證用戶的電能質量,但對電力系統(tǒng)并不可取。因為線路電壓的波動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。當線路電壓基準偏高或偏低時,無功功率的投切量可能與實際需求相差甚遠,可能出現(xiàn)無功功率補償過多或補償不足的情況。 　　2. 3. 2桿上無功補償方式 　　由于配電網中大量存在的公用變壓器沒有進行低壓補償,補償度受到限制。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,配電網網損居高難下。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行無功補償,以提高配電網功率因數,達到降損升壓的目的。由于桿上安裝的并聯(lián)電容器遠離變電站,容易出現(xiàn)保護不易配置,控制成本高,維護工作量大,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)化補償必須結合以下實際工程要求來進行: 　　(1)補償點宜少。一條配電線路上宜采用單點補償,不宜采用多點補償。 　　( 2)控制方式從簡。桿上補償不設分組投切。 　　(3)補償容量不宜過大。補償容量太大,將會導致配電線路在輕載時過電壓和過補償現(xiàn)象。桿上空間有限,太多的電容器同桿架設,既不安全,也不利于電容器散熱。 　　(4)接線宜簡單。最好是每相只配置一臺電容器裝置,以降低整套補償設備的故障率。 　　(5)保護方式也要簡化。分別用熔絲和氧化鋅避雷器分別作為過流保護和過電壓保護。 　　( 6)防止電容器安裝后產生諧振現(xiàn)象。 　　2. 3. 3用戶終端分散補償方式 　　目前,在我國城鎮(zhèn),低壓用戶的用電量大幅增長,企業(yè)、廠礦和小區(qū)等對無功功率需求都很大,直接對用戶末端進行無功補償,將最恰當地降低電網的損耗和維持網絡的電壓水平。GB50052—1995《供電系統(tǒng)設計規(guī)范》指出, 容量較大、負荷平穩(wěn)且經常使用的用電設備, 無功負荷宜單獨就地補償。這樣,對于企業(yè)和廠礦中的電動機,應該進行就地無功補償,即隨機補償。針對小區(qū)用戶終端,由于用戶負荷小,波動大,地點分散,無人管理,應該開發(fā)一種新型低壓終端無功補償裝置,并能滿足智能型控制、免維護、體積小、易安裝、功能完善、造價較低等的要求。 　　2. 4補償容量的確定 　　補償容量計算:現(xiàn)有功率因數為cos<1 ,要求提高后功率因數為cos<2 ,則 　　Qc = Pa v ( tgφ1 - tgφ2 ) =αPca ( tgφ1 - tgφ2 ) 　　式中: Pc a ———最大有功計算負荷, kW; 　　α———平均有功負荷系數; 　　tgφ1、tgφ2 ———補償前、后均權功率因數角的正切值。 　　在計算補償電力電容器的容量和個數時,應考慮到實際運行電壓可能與額定電壓不同,電容器能補償的實際容量將低于額定容量,此時需要對額定容量進行修正。電容器銘牌上的額定容量是在額定電壓時的無功容量, 如果電容器實際運行電壓不等于額定電壓,應按下式進行換算: 　　2. 5補償級數的選擇 　　補償級數(即補償電容器的分組數量)越多,補償的精度越高,但隨著補償級數的增加,裝置的成本會大幅度提高,而且箱殼的體積也會增大。綜合考慮補償精度、成本、箱體體積等因素,建議采用11級非常容量補償,前9級為等容量以滿足基本補償,后2級為小容量以提高補償精度。 　　2. 6投切控制方式的選擇 　　目前可分為三相共補和三相分補2種。三相共補是根據三相總的無功需求來投切電容器組,電容器接法為三角形。三相分補則是根據每相各自的無功需求投切電容器組,電容器接法為星形。控制方式包括三相共補的兩相控制方式和三相分補的三相控制方式。 　　為了盡可能地減小裝置的體積,簡化結構,提高裝置的可靠性,即將電容器按一定容量比進行分組,通過控制器的軟件對這些電容器組進行排列組合投切。 　　2. 7無功補償裝置的安裝 　　對于箱式變在設計時應考慮無功裝置及其安裝位置,而對于公共桿變,可選用柜(箱)式低壓無功補償裝置地面式安裝,裝置的底部加升高座,以便于進線。 　　3結語 　　文中集中探討了無功補償技術對用電單位的低壓配電網的影響以及提高功率因數所帶來的經濟效益,介紹了影響功率因數的主要因素和提高功率因數的方法,討論了如何確定無功功率的補償容量和補償方式,確保補償技術經濟、合理、安全可靠,以達到節(jié)約電能的目的。