貴州吉兆電氣工程技術(shù)有限公司
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高低壓節能控制系統淺論低壓無(wú)功補償必要性與方法
本文主要從無(wú)功補償的作用、工作原理、意義、補償方法的確定等多個(gè)方面, 詳細介紹了低壓無(wú)功補償的設計問(wèn)題, 闡述了電氣設計的最優(yōu)化、規范化知識,對于電氣施工安裝實(shí)踐具有重要的指導作用。
1 引言
當今社會(huì )能源成本的不斷上升,無(wú)功補償可以改善電能質(zhì)量,降低電能損耗,低壓節能控制系統減少用戶(hù)的電費支出,是一項投資少,收效快的節能措施。而且在工廠(chǎng)供電系統中,絕大多數用電設備都具有電感的特性。(諸如:感應電動(dòng)機、電力變壓器,電焊機等)這些設備不僅需要從電力系統吸收有功功率,還要吸收無(wú)功功率以產(chǎn)生這些設備正常工作所必需的交變磁場(chǎng)。然而在輸送有功功率一定的情況下,無(wú)功功率增大,就會(huì )降低供電系統的功率因數。因此,功率因數是衡量企業(yè)供電系統電能利用程度及電氣設備使用狀況的一個(gè)具有代表性的重要指標。而如何進(jìn)行是本文要探討的課題
2 國內外的研究現狀
目前在國內電網(wǎng)采用的電容補償技術(shù)主要是集中補償與就地補償技術(shù)。就地補償技術(shù)主要適用于負荷穩定,不可逆且容量較大的異步電動(dòng)機補償,其它各種場(chǎng)合仍主要采用集中補償技術(shù)。常用的補償裝置有同步調相機和靜止補償裝置,早期的無(wú)功功率補償裝置主要為同步調相機,多為高壓側集中補償。靜止補償器的基本作用是連續而迅速地控制無(wú)功功率,即以快速的響應,通過(guò)發(fā)出或吸收無(wú)功功率來(lái)控制它所連接的輸電系統的節點(diǎn)電壓。 在我國電力工業(yè)發(fā)展過(guò)程中,因多年“重發(fā)電,輕供電”思想的影響,造成電網(wǎng)建設落后,結構不合理,導致城市和農村配電網(wǎng)無(wú)功補償不足,電能質(zhì)量不高等。系統無(wú)功對電壓影響大。無(wú)功功率的不足或過(guò)大,將引起系統電壓的下降或上升,從而造成電能的損失和浪費十分嚴重。從微觀(guān)角度看,隨著(zhù)電網(wǎng)容量的擴增,用戶(hù)家用電器感性負載的不斷增加,使得城市配電網(wǎng)公用變低壓側功率因數較低。從宏觀(guān)角度來(lái)看,低壓節能控制系統整個(gè)電網(wǎng)的無(wú)功潮流分布不平衡,目前國內無(wú)功補償主要采用變電站集中補償和企業(yè)就地補償兩種形式。這兩種形式都是基于某一個(gè)采樣點(diǎn)的無(wú)功情況進(jìn)行補償,不能綜合考慮整個(gè)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)運行情況,而無(wú)功潮流在整個(gè)電網(wǎng)上是動(dòng)態(tài)分布的,傳統的補償方法無(wú)法解決無(wú)功潮流分布不平衡,電壓波動(dòng)大等問(wèn)題。目前主要存在問(wèn)題是控制規律簡(jiǎn)單,抗干擾能力差,由于戶(hù)外工作環(huán)境相對惡劣,裝置的可靠性和控制精度難以滿(mǎn)足現場(chǎng)運行的要求,不具備通訊功能,不能實(shí)現全電網(wǎng)的無(wú)功優(yōu)化對電能質(zhì)量進(jìn)行在線(xiàn)監視,此外還存在著(zhù)采用有觸點(diǎn)繼電器進(jìn)行電容器投切控制時(shí)產(chǎn)生的電網(wǎng)波動(dòng)大,無(wú)功功率補償產(chǎn)品的工作壽命低的缺點(diǎn),難以滿(mǎn)足現代化電力系統“綠色”環(huán)保的需要。 隨著(zhù)電力電子技術(shù),特別是大功率可開(kāi)斷器件技術(shù)的發(fā)展,國外開(kāi)發(fā)不同結構類(lèi)型的靜止無(wú)功功率補償裝置。無(wú)功補償系統的安裝都是基于全電網(wǎng)的無(wú)功平衡和最優(yōu)效率,一般包括電網(wǎng)重要節點(diǎn)補償和設備就地補償兩種。補償系統都采用先進(jìn)的電腦控制,自動(dòng)化程度高。 對比國內外在補償技術(shù)上的差距,根據我們電力系統的現狀,迫切需要我們對無(wú)功補償技術(shù)進(jìn)行更進(jìn)一步的研究和設計。
3 無(wú)功補償的工作原理
所有交流電網(wǎng)消耗兩種類(lèi)型的功率:有功功率(kW)和無(wú)功功率(kvar):
?。?)有功功率 P (kW) 是實(shí)際傳輸給電力負荷的能量,電力的有功功率轉化為機械動(dòng)力、熱和光,如:電機、燈具、加熱器和電腦等
?。?)無(wú)功功率Q (kvar) 僅用驅動(dòng)設備的磁場(chǎng),實(shí)現電場(chǎng)與磁場(chǎng)的轉換。產(chǎn)生無(wú)功功率的設備,如:電機和變壓器等。
?。?)視在功率S(kVA)是有功功率和無(wú)功功率矢量合。
電網(wǎng)的無(wú)功功率循環(huán),具有重要的技術(shù)和經(jīng)濟效應。對相同的有功功率P,較高的無(wú)功功率意味著(zhù)更高的視在功率和更高的電流。隨著(zhù)時(shí)間的推移,有功功率的循環(huán)會(huì )產(chǎn)生有功能量(kW時(shí)),隨著(zhù)時(shí)間的推移,無(wú)功功率的循環(huán)會(huì )產(chǎn)生無(wú)功能量(kW時(shí))。在一個(gè)電路中,除了有功的能量,還需要提供無(wú)功的能量。
正是由于這些原因,在負荷層面產(chǎn)生無(wú)功能源來(lái)避免不必要的網(wǎng)絡(luò )電流循環(huán),這就是所謂的“功率因數校正”。通過(guò)電容器的連接可以得到這種校正,電容器能夠補償被負載(如:發(fā)電機)所消耗的無(wú)功能量。其結果就是視在功率降低,功率因數提高,如下圖1所示。發(fā)電和輸電網(wǎng)絡(luò )被部分補償,減少功率損耗,使更多的傳輸能力可用。
4 無(wú)功功率補償的意義
4.1優(yōu)化的無(wú)功功率補償帶來(lái)經(jīng)濟效益和技術(shù)優(yōu)勢。
電費單上能夠體現的節省,排除無(wú)功電能的損失,低壓節能控制系統并且減少視在功率的需求,減少由變壓器和導線(xiàn)安裝所產(chǎn)生能量損失。例如630kVA的變壓器損失減少:PW = 6,500W,初始功率因數= 0.7。通過(guò)功率因數校正,我們得到最終功率因數= 0.98。能量損失變成:3316W,即減少49%。
4.2增加可用功率
應用一個(gè)提高功率因數的設備,可以?xún)?yōu)化電力設備。低壓變壓器的可用功率可以靠在低壓側合適的功率因數校正設備來(lái)提高。
4.3縮少安裝尺寸
安裝功率因數校正工具可以使導線(xiàn)的橫截面減小,因為對應相同的有功功率,補償設備會(huì )吸收更少的電流。
4.4降低設備的壓降
安裝電容器,可以使功率因數校正設備連接點(diǎn)以上的電壓降減少。這樣可以避免網(wǎng)絡(luò )過(guò)載,并且使諧波減少,降低您的成本。
5 確定補償的方法
5.1所需無(wú)功功率的計算
其目的是為了確定需要補償的無(wú)功功率Qc(kvar),以提高功率因數cosφ,并減少視在功率S。
當φ' < φ時(shí),我們得到:cosφ ' > cosφ 和 tgφ' < tgφ。如圖1所示
Qc可以由圖1推斷出的公式來(lái)確定:Qc = P. (tgφ - tgφ ')。 Qc:電容器組的功率,單位:kvar
P:有功功率,單位:kW
tgφ:補償之前,相位角φ的正切
tgφ' :補償之后,相位角φ的正切
5.2補償方式的選擇
低壓電容器的安裝位置,確定了補償方式。低壓節能控制系統補償方式可能是集中補償(對全部設備)、分支補償(一個(gè)支路)、就地補償(對單個(gè)負載),或者是后兩者的組合方式。原則上,理想的補償方式應用于能量消耗點(diǎn)上,并且實(shí)時(shí)達到所需能量值。但在實(shí)際應用當中,技術(shù)和經(jīng)濟因素會(huì )制約補償方式的選擇。電容器組在配電網(wǎng)絡(luò )中的連接位置,由以下因素決定:
?。?) 全部補給對象(避免無(wú)功電能的損失,減少變壓器或電纜,避免電壓降)
?。?)工作方式(波動(dòng)負載的穩定)
?。?) 預知電容器給配電網(wǎng)絡(luò )帶來(lái)的影響
?。?)設備成本
5.2.1集中補償
電容器組安裝在需要補償的設備的首端,以便為下級全部設備提供無(wú)功電能。這種
配置適用于穩定且連續的負載系數。
5.2.2分支補償
電容器組安裝在饋電首端,為某一特定設備組提供補償。這種配置十分方便大型設
備。這種配置適用于負載系數不同的大面積車(chē)間廠(chǎng)房。
5.2.3對單一負載的就地補償
電容器組安裝在單一負載的進(jìn)線(xiàn)端(特別是大型電機)。這是一種理想的配置,因為無(wú)功電能產(chǎn)生在真正需要的地方,并可以按照需求進(jìn)行調節。
5.3電容器的控制方式選擇
根據性能需求和控制的復雜程度,選擇不同的補償方式:
5.3.1定值補償:無(wú)需調節,連接一個(gè)定值電容器組。電容補償容量≤15% Sn(變壓器容量)
該方式使用一個(gè)或多個(gè)電容器來(lái)提供一個(gè)恒定的補償??刂品绞接校?/p>
?。?)手動(dòng):由斷路器或負荷開(kāi)關(guān)來(lái)切換
?。?)半自動(dòng):由接觸器來(lái)控制
?。?)直接連接到一臺設備并切換這個(gè)連接
這些電容器應用于:
?。?)電感負載終端(主要是電機)
?。?)在提供眾多小型馬達和個(gè)別賠償的費用太昂貴歸納電器母線(xiàn)
?。?)在負載情況下的因素是合理的常數
5.3.2自動(dòng)調節補償:電容器分多步投切來(lái)達到要求。電容補償容量 > 15% Sn(變壓器容量)
這種補償方式提供自動(dòng)控制,低壓節能控制系統并根據設備的變化提供適當的無(wú)功功率來(lái)保持特定的功率因數。該設備應用于有功功率和/或無(wú)功功率變化相對較大的位置,例如:
?。?)在主配電盤(pán)的母線(xiàn)處
?。?)在大量饋線(xiàn)的終端
5.3.3根據工作環(huán)境和諧波影響,合理選擇電容器
需要根據工作環(huán)境選擇耐受程度不同的電容器。
工作環(huán)境對電容器的壽命有很大影響,選擇電容器時(shí)要遵循下列參數:
?。?)環(huán)境溫度 (?C)
?。?)需要考慮過(guò)電流、相關(guān)的電壓擾動(dòng),包括最大的持續過(guò)電壓值
?。?)每年最多的切換運行次數
?。?)要求的平均壽命
考慮諧波,根據不同的強度推薦不同的方案:
?。?)標準型電容器:適用于輕度諧波污染環(huán)境
?。?)過(guò)諧型電容器:適用于中度諧波污染環(huán)境,特別是電壓擾動(dòng)環(huán)境
?。?)調諧型電容器:與調諧電抗器配合使用,適用于重度諧波污染環(huán)境(大量非線(xiàn)性負載)。電抗器是必要的,以限制諧波電流循環(huán),同時(shí)避免共振
?。?)調諧濾波器:當網(wǎng)絡(luò )中主要都是非線(xiàn)性負載時(shí),要求抑制諧波?;诂F場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )測量和計算機仿真,需要特殊設計。
6 結論
綜上所述,不論是從節約電能,提高供電質(zhì)量,低壓節能控制系統還是從提高供電設備的供電能力而言,都必須對供電電網(wǎng)和設備進(jìn)行無(wú)功補償,以便改善功率因數,提高系統的供電能力,使供電用電系統在經(jīng)濟合理狀態(tài)下運行。