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淺談低壓配電無功補償
發布時間：2019-03-12 訪問：9294
本文就低壓配電系統中常見的無功補償進行介紹,主要內容包括:無功補償的基本原理,無功補償的作用和主要措施。
一、無功補償的原理
無功補償主要包括視在功率、無功功率、有功功率以及功率因數,同時還要了解它們之間的相互聯系,在電路中的作用。
(一)視在功率
視在功率是指交流電源(發電機或變壓器)的額定容量,也就是通常說的一個工廠或一個家庭各個時間段的用電量;它包括負載的有功功率和無功功率。
(二)無功功率
無功功率是按電磁感應原理工作的某個交流供用電設備和交流電源之間的能量交換,這種能量互換的最大值稱為無功功率。如果用電設備為感性,則無功功率就是感性負載的磁場能和交流電源提供的電能交換;如果用電設備為容性則無功功率就是容性負載的電場能和交流電源的電能的互換。
(三)有功功率
有功功率是指設備做功和發熱用掉的那部分功率,例如礦熱爐加熱,用掉的熱能,電動機帶動齒輪轉動的動能等。有功功率一般用P表示,常用單位KW
(四)視在功率、無功功率、有功功率之間的關系。
有功功率和無功功率都是視在功率一部分,它們之間的關系為:S2=P2+Q2 即:S=√P2+Q2
(五)功率因數
在物理學中根據電磁感應原理,我們知道當不斷變化的電流(交流電)通過電感時,電感要產生感應電動勢,由于感應電動勢總是阻礙電流的變化,也就是說感應電動勢既阻礙電流增大,也阻礙電流減小,所以在相位上電感上的電流總是落后90°,而同時有功電流IR在相位上和電壓是同步的,當電源輸出電壓U變化時: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
式中可以知道當COSφ增大時,有功功率就增加,當COSφ減小時有功功率就減小,由于COSφ能夠反應出交流電源發出的功率(S)的利用效率,所以我們把COSφ稱為功率因數,功率因數就是有功功率P和視在功率S的比值,既:COSφ=P/S
二、提高功率因數的辦法
提高功率因數的方法常用的是補償法,一般都采用電力電容器來補償用電設備需要的無功功率,這就稱為電容無功補償法。
理想的電容器在電路是不消耗電能的,它只是從電源吸收電能轉換成電場能,再把電場能轉換成電能還給電源,完成它與電源之間的能量互換,因此電容上的功率也是無功功率,只是它的無功功率是由于電容上的電流IC超前電壓90°引起的,和電感由于電流滯后引起的無功功率正好相反。
在純電容電路中,當電容器兩端的電壓發生變化時,電容器極板上的電量也需隨著變化,電流的大小取決于電壓變化的快慢和電壓的大小沒有關系,相位上流過電容的電流總是超前電容兩端的電壓90°
我們可以看到在感性負荷的兩端并聯電力電容器可以提高功率因數,但并不改變感性功率負載的有功功率。只是得到同樣的有功功率所需的視在功率減少了。
三、無功補償方式
理論上而言,無功補償最好的方式是在哪里需要的無功,就在哪里補償,整個系統將沒有無功電流的流動。但在實際電網當中這是不可能做到的。因為無論是變壓器、輸電線路還是各種負載,均會需要無功。所以實際電網當中就補償裝置的安裝位置而言有如下幾種補償方式:①變電所集中補償;②配電線路分散補償;③負荷側集中補償;④用戶負荷的就地補償。
對于低壓配網無功補償,通常采用負荷側集中補償方式,即在低壓系統(如變壓器的低壓側)利用自動功率因數調整裝置,隨著負荷的變化,自動地投入或切除電容器的部分或全部容量。
(一)補償容量的確定
考慮到動力類負荷,估計配變的功率因數在0.75左右,設計在滿負荷狀態下功率因數提高到0.90
假設配變容量為S,補償前有功功率、無功功率和功率因數角分別為P1、Q1、和φ1,補償后有功功率、無功功率和功率因數角分別為P2、Q2和φ2,Qb為需補償的容量。由此可得出應補償的容量為: Qb=Q1-Q2 =S×sinφ1-S×sinφ2 =S×(0.661-0.436) =0.225S 補償百分比為:η%=Qb/S×100%=22.5% 根據電網的運行經驗可以得出,補償容量一般為變壓器額定容量的20%～30%。
(二)補償方式的選擇
補償方式分為三相共補、分相補償和混合補償(即共補加分補),一般而言當需要補償的容量超過60kvar時,采用混合補償是比較合適的,即可照顧到三相之間的不平衡,與分相補償的效果完全相同,又可以降低成本。
(三)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,而且設備的體積也會增大。綜合考慮補償精度、成本、箱體體積等因素,一般采用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。
四、無功補償的效益
在現代用電企業中,在數量眾多、容量大小不等的感性設備連接于電力系統中,電網傳輸功率除有功功率外,還需無功功率。
(一)節省企業電費開支
提高功率因數對企業的直接經濟效益是明顯的,因為國家電價制度中,從合理利用有限電能出發,對不同企業的功率因數規定了要求達到的不同數值,低于規定的數值,需要額外多收電費,高于規定數值,可相應地減少電費。使用無功補償不但減少初次投資費用,而且減少了運行后的基本電費。
(二)降低系統的能耗
補償前后線路傳送的有功功率不變,P= UICOSφ,由于COSφ提高,補償后的電壓U2稍大于補償前電壓U1,為分析問題方便,可認為U2≈U1從而導出I1COSφ1=I2COSφ2。即I1/I2=COSφ2/COSφ1,這樣線損P減少的百分數為:ΔP%= (1-I2/I1)×100% =(1-COSφ1/ COSφ2)×100%
當功率因數從0.70～0.85提高到0.95時,由上式可求得有功損耗將降低20%～45%。
(三)改善電壓質量
以線路末端只有一個集中負荷為例,假設線路電阻和電抗為R、X,有功和無功為P、Q,則電壓損失ΔU為:△U=(PR+QX)/Ue×10-3(KV) 兩部分損失:PR/Ue→輸送有功負荷P產生的;QX/Ue→輸送無功負荷Q產生的;配電線路:X=(2~4)R,△U大部分為輸送無功負荷Q產生的,變壓器:X=(5~10)R QX/Ue=(5~10)PR/Ue,變壓器△U幾乎全為輸送無功負荷Q產生的。
可以看出,若減少無功功率Q,則有利于線路末端電壓的穩定,有利于大電動機的起動。
(四)增加系統容量
三相異步電動機通過就地補償后,由于電流的下降,功率因數的提高,從而增加了變壓器的容量,計算公式如下:△S=P/COSφ1×[(COSφ2/COSφ1)-1]。
五、結語
一、無功補償的原理
無功補償主要包括視在功率、無功功率、有功功率以及功率因數,同時還要了解它們之間的相互聯系,在電路中的作用。
(一)視在功率
視在功率是指交流電源(發電機或變壓器)的額定容量,也就是通常說的一個工廠或一個家庭各個時間段的用電量;它包括負載的有功功率和無功功率。
(二)無功功率
無功功率是按電磁感應原理工作的某個交流供用電設備和交流電源之間的能量交換,這種能量互換的最大值稱為無功功率。如果用電設備為感性,則無功功率就是感性負載的磁場能和交流電源提供的電能交換;如果用電設備為容性則無功功率就是容性負載的電場能和交流電源的電能的互換。
(三)有功功率
有功功率是指設備做功和發熱用掉的那部分功率,例如礦熱爐加熱,用掉的熱能,電動機帶動齒輪轉動的動能等。有功功率一般用P表示,常用單位KW
(四)視在功率、無功功率、有功功率之間的關系。
有功功率和無功功率都是視在功率一部分,它們之間的關系為:S2=P2+Q2 即:S=√P2+Q2
(五)功率因數
在物理學中根據電磁感應原理,我們知道當不斷變化的電流(交流電)通過電感時,電感要產生感應電動勢,由于感應電動勢總是阻礙電流的變化,也就是說感應電動勢既阻礙電流增大,也阻礙電流減小,所以在相位上電感上的電流總是落后90°,而同時有功電流IR在相位上和電壓是同步的,當電源輸出電壓U變化時: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
式中可以知道當COSφ增大時,有功功率就增加,當COSφ減小時有功功率就減小,由于COSφ能夠反應出交流電源發出的功率(S)的利用效率,所以我們把COSφ稱為功率因數,功率因數就是有功功率P和視在功率S的比值,既:COSφ=P/S
二、提高功率因數的辦法
提高功率因數的方法常用的是補償法,一般都采用電力電容器來補償用電設備需要的無功功率,這就稱為電容無功補償法。
理想的電容器在電路是不消耗電能的,它只是從電源吸收電能轉換成電場能,再把電場能轉換成電能還給電源,完成它與電源之間的能量互換,因此電容上的功率也是無功功率,只是它的無功功率是由于電容上的電流IC超前電壓90°引起的,和電感由于電流滯后引起的無功功率正好相反。
在純電容電路中,當電容器兩端的電壓發生變化時,電容器極板上的電量也需隨著變化,電流的大小取決于電壓變化的快慢和電壓的大小沒有關系,相位上流過電容的電流總是超前電容兩端的電壓90°
我們可以看到在感性負荷的兩端并聯電力電容器可以提高功率因數,但并不改變感性功率負載的有功功率。只是得到同樣的有功功率所需的視在功率減少了。
三、無功補償方式
理論上而言,無功補償最好的方式是在哪里需要的無功,就在哪里補償,整個系統將沒有無功電流的流動。但在實際電網當中這是不可能做到的。因為無論是變壓器、輸電線路還是各種負載,均會需要無功。所以實際電網當中就補償裝置的安裝位置而言有如下幾種補償方式:①變電所集中補償;②配電線路分散補償;③負荷側集中補償;④用戶負荷的就地補償。
對于低壓配網無功補償,通常采用負荷側集中補償方式,即在低壓系統(如變壓器的低壓側)利用自動功率因數調整裝置,隨著負荷的變化,自動地投入或切除電容器的部分或全部容量。
(一)補償容量的確定
考慮到動力類負荷,估計配變的功率因數在0.75左右,設計在滿負荷狀態下功率因數提高到0.90
假設配變容量為S,補償前有功功率、無功功率和功率因數角分別為P1、Q1、和φ1,補償后有功功率、無功功率和功率因數角分別為P2、Q2和φ2,Qb為需補償的容量。由此可得出應補償的容量為: Qb=Q1-Q2 =S×sinφ1-S×sinφ2 =S×(0.661-0.436) =0.225S 補償百分比為:η%=Qb/S×100%=22.5% 根據電網的運行經驗可以得出,補償容量一般為變壓器額定容量的20%～30%。
(二)補償方式的選擇
補償方式分為三相共補、分相補償和混合補償(即共補加分補),一般而言當需要補償的容量超過60kvar時,采用混合補償是比較合適的,即可照顧到三相之間的不平衡,與分相補償的效果完全相同,又可以降低成本。
(三)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,而且設備的體積也會增大。綜合考慮補償精度、成本、箱體體積等因素,一般采用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。
四、無功補償的效益
在現代用電企業中,在數量眾多、容量大小不等的感性設備連接于電力系統中,電網傳輸功率除有功功率外,還需無功功率。
(一)節省企業電費開支
提高功率因數對企業的直接經濟效益是明顯的,因為國家電價制度中,從合理利用有限電能出發,對不同企業的功率因數規定了要求達到的不同數值,低于規定的數值,需要額外多收電費,高于規定數值,可相應地減少電費。使用無功補償不但減少初次投資費用,而且減少了運行后的基本電費。
(二)降低系統的能耗
補償前后線路傳送的有功功率不變,P= UICOSφ,由于COSφ提高,補償后的電壓U2稍大于補償前電壓U1,為分析問題方便,可認為U2≈U1從而導出I1COSφ1=I2COSφ2。即I1/I2=COSφ2/COSφ1,這樣線損P減少的百分數為:ΔP%= (1-I2/I1)×100% =(1-COSφ1/ COSφ2)×100%
當功率因數從0.70～0.85提高到0.95時,由上式可求得有功損耗將降低20%～45%。
(三)改善電壓質量
以線路末端只有一個集中負荷為例,假設線路電阻和電抗為R、X,有功和無功為P、Q,則電壓損失ΔU為:△U=(PR+QX)/Ue×10-3(KV) 兩部分損失:PR/Ue→輸送有功負荷P產生的;QX/Ue→輸送無功負荷Q產生的;配電線路:X=(2~4)R,△U大部分為輸送無功負荷Q產生的,變壓器:X=(5~10)R QX/Ue=(5~10)PR/Ue,變壓器△U幾乎全為輸送無功負荷Q產生的。
可以看出,若減少無功功率Q,則有利于線路末端電壓的穩定,有利于大電動機的起動。
(四)增加系統容量
三相異步電動機通過就地補償后,由于電流的下降,功率因數的提高,從而增加了變壓器的容量,計算公式如下:△S=P/COSφ1×[(COSφ2/COSφ1)-1]。
五、結語
在配電網中進行無功補償、提高功率因數和做好無功優化,是一項建設性的節能措施。本文簡要分析了無功補償的方法和無功功率補償容量的選擇方法以及無功補償后的良性影響。在實際設計中,要具體問題具體分析,使無功補償應用獲得最大的效益。