无功功率补偿并电容器

题目：无功功率补偿和并联电容器目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第一章绪论3\o"CurrentDocument"11研究背景3\o"CurrentDocument"1.2无功装置的发展状况4\o"CurrentDocument"第二章无功补偿的原理5\o"CurrentDocument"2.1无功补偿的原理5\o"CurrentDocument"2.2无功补偿的意义5\o"CurrentDocument"3确定容量的一般方法7\o"CurrentDocument"2.4无功补偿装置的选择8\o"CurrentDocument"第三章无功补偿的投切方式9\o"CurrentDocument"1无功补偿的投切器件9\o"CurrentDocument"2瞬时投切方式10\o"CurrentDocument"第四章并联电容器12\o"CurrentDocument"4.1并联电容器简介12\o"CurrentDocument"4.2使用电容器的优点12\o"CurrentDocument"3并联电容器无功补偿的配置方法13\o"CurrentDocument"4.4电容器的安装要求13\o"CurrentDocument"4.5并联电容器的日常维护144.6电容器组投入和退出运彳亍154.7例子15\o"CurrentDocument"第五章总结20第一章绪论1.1研究背景目前，我国的电网，特别是广大的低压电网，普遍存在功率因数较低，电网线损较大的情况。导致此现象的主要原因是众多的感性负载用电设备设讣落后，功率因数较低，比如我国的电动机消耗的电能占全部发电量的70%,而山于设计和使用方面的原因我国的电动机的功率因数往往较低，一般约为cosWn.70o在这种情况下，采用无功补偿节能技术，对提高电能质量和挖掘电网潜力是十分必要的，世界各国都把无功补偿作为电网规划的重要组成部分。从我国电网功率因数和补偿深度来看，我国与世界发达国家有不小的差距。因此大力推广无功补偿技术是非常必要的，世界各国都把无功补偿作为电网规划的重要组成部分。从我国电网功率因数和补偿深度来看，我国与世界发达国家有不小差距。因此大力推广补偿技术是非常必要的，并且从以下数据，我们也能看出无功补偿所能带来的巨大经济效益。2007年，我国年总发电量为32559亿千瓦时，统计线损率为877陪但是这个数字没有包含相当大的110千伏、35千伏、10千伏的输电线损及0.38千伏的低压电网线损。据报道，估计实际的统计线损率约为15%即2007年全国年线损量约为4800亿千瓦时，设全国的理论线损与统计线损相一致，其中可变线损约占理论总线损的80%,则每年可以降低线损约为300亿千瓦时。设当前全国电力网总负荷的当前功率因数cos®二0.85，采用无功功率补偿后，把电力网总负荷的功率因数提高到cos中二0.95，则每年可以降低线损约为390亿千瓦时，按0.5元每千瓦时计，价值约为185亿元，设2007年全国电网的最大负荷利用小时数为5000小时，则电网的最大负荷约为2亿千瓦时，当用无功功率补偿法把功率因数cos(P二0.85,提高到cos(P二0.95,全国电网需总补偿总量约为0.58亿千瓦。当前无功功率补偿装置设备主要为电力电容器，设无功补偿设备每千瓦的平均综合造价为50元，则全国无功补偿装置的总投资约为29亿元。应当指出，节省240亿千瓦时约相当于一座400万千瓦火电厂的年发电量，而建一座400万千瓦的火电厂需综合费用约为300亿元，同时每年需燃烧煤约为1200万吨，每年产生C0：和S0?等有害物质约为600万吨。山此可见，产生相同的电力，无功补偿的费用越为新建电厂费用的10%而且无功补偿设备的费用仅需两个月的无功功率补偿的将损节电费用即可全部收回。综上所述，无功补偿不仅具有如上述的节省投资、节省电力、节省燃料及污染等作用，同时还可以提高电力系统设备的供电能力，改善电压质量，减少用户电费开支，延缓用户的增容改造等作用。1.2无功装置的发展状况近儿十年来，世界各地发生的电压稳定和电压崩溃引发的大面积停电事故引起了各国的高度重视，持续了短短72小时的814美加大停电给美国造成了巨大的经济损失和社会影响，这次事故提醒人们，电网运行要有足够的无功备用容量，无功不能靠远距离传输，在电力市场环境下，必须制定统一的法规以激励独立发电商和运营商从维护整个系统安全性的角度提供充足的无功备用。在我国也曾多次发生电压崩溃事故，如1993年和1996年南方电网的儿次事故，这些事故都促使人们采取各种措施以维持电网稳定。早期的无功补偿装置为并联电容器和同步补偿器，多用在系统的高压侧进行集中补偿。至今并联电容器仍是一种主要补偿方式，应用范围广泛，只是控制器在不断的更新发展。同步补偿器的实质是同步机，当励磁电流发生改变时，电动机可随之平滑的改变输出无功电流的大小和方向，对电力系统的稳定运行有好处。但同步补偿器成本高，安装复杂，维护困难，使其推广使用受到限制。随着近代电力电子技术的出现和发展，无功补偿技术也随之发展。在工业用晶闸管出现之前，电子半导体山于功率过小，在直流传动，交流传动，电磁合闸，交流不间断电源和无功补偿等领域内一直没有得到应有的推广使用。晶闸管的出现标志着电力电子技术的诞生，并以此为起点，随着半导体制造技术和交流技术的发展，新型的电力电子技术对无功补偿技术也带来了新的发展契机。第二章无功补偿的原理电力网中的变压器和电动机是根据电磁感应原理工作的。磁场所具有的磁场能是山电源供给的。电动机和变压器在能量转换过程中建立交变磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等，这种功率称为感性无功功率。接在交流电网中的电容器，在一个周期内上半周的充电功率与下半周的放电功率相等，这种充电功率叫做容性无功功率。所以无功功率被使用于建立磁场和静电场，它存储于电感和电容中，通过电力网往返于电源和电感、电容之间。无功功率在电力网元件中流动，将会在电力网元件中引起电压损耗，降低电网的电任质量，增加电网的线损率。2.1无功补偿的原理电网输出的功率包括两部分;一是有功功率：直接消耗电能，把电能转变为机械能，热能，化学能或声能，利用这些能作功，这部分功率称为有功功率；二是无功功率：不消耗电能；只是把电能转换为另一种形式的能，这种能作为电气设备能够作功的必备条件，并且，这种能是在电网中与电能进行周期性转换，这部分功率称为无功功率，如电磁元件建立磁场占用的电能，电容器建立电场所占的电能电流在电感元件中作功时，电流滞后于电压90度而电流在电容元件中作功时，电流超前电压90度在同一电路中，电感电流与电容电流方向相反，互差180度.如果在电磁元件电路中有比例地安装电容元件，使两者的电流相互抵消，使电流的矢量与电压矢量之间的夹角缩小，从而提高电能作功的能力，这就是无功补偿的道理。2.2无功补偿的意义改善电能质量负荷(P+JQ)电压损失AU简化计算如下：△U二(PR+QX)/U(1)式中u——线路额定电压，kVP——输送的有功功率，kWQ----输送的无功功率，kvarR——线路电阻，QX——线路电抗，Q安装补偿设备容量Qc后，线路电压降为AU1，计算如下：△U1二[PR+(Q-Qc)x]/U(2)很明显，AU1<AU,即安装补偿电容后电压损失减小了。山式(1)、(2)可得出接入无功补偿容量Qc后电压升高计算如下：AU-AUl=QcX/U(3)由于越幕近线路末端，线路的电抗X越大，因此从(3)式可以看出，越靠近线路线路末端装设无功补偿装置效果越好。降低电能损耗安装无功补偿主要是为了降损节能，如输送的有功P为定值，加装无功补偿设备后功率因数llJcos<P提高到cos<Pl,因为P二UIcos®，负荷电流I与cos<P成反比，乂由于P=I2R,线路的有功损失与电流I的平方成正比。当cos<P时，电网元件中功率损耗将增加的白分数为△PL%,li算如下：APL%=(l/cos2<P-l)•；100%(4)功率因数降低与功率损耗增加的百分数之间的关系如表1。表1功率因数从1降低到左列数值0.950.90.850.80.750.65电网元件中有功损耗增加百分数APL%1123385678104136功率因数提高对降低有功功率损耗的影响见表2表2功率因数由右列数值提高到0.930.60.650.70.750.80.850.9可变有功功率损耗降低的百分数60534638292010挖掘发供电设备潜力在设备容量不变的条件下，由于提高了功率因数可以少送无功功率，因此可以多送有功功率。可多送的有功功率AP计算如下：AP二P1-P二S(cosAl-cosW(5)如需要的有功不变，则由于需要的无功减少，因此所需要的配变容量也相应地减少AS计算如下：△S二S—S1二P(l/cos<P-l/cos<Pl)(6)可以减少供电设备容量占原容量的百分比为AS/S计算如下：△S/S二(cosAl-cosA)/cos(Pl=(1-cosW/cosWl)(7)安装无功补偿设备，可使发电机多发有功功率。系统采取无功补偿后，使无功负荷降低，发电机就可少发无功，多发有功，充分达到铭牌出力减少用户电费支出可以避免因功率因数低于规定值而受罚。可以减少用户内部因传输和分配无功功率造成的有功功率损耗，因而相应可以减少电费的支出2.3确定补偿容量的一般方法(-)从提高功率因数需要确定补偿容量设电网的最大负荷月的平均有功功率为Ppj,补偿前的功率因数为cos<P】，补偿后的功率因数为cos<p2,则所需要的补偿容量Qc的计算公式为：Qc二Ppj(tgp-tgp)若要求将功率因数山cos®提高的cos<P2而小于cos申3,则补偿容量Qc计算为：Ppj(tgVi-tgVs)WQcWPpj(tgp-tgp)从降低线路有功损耗需要来确定补偿容量设补偿前线路中的电流为匚，相应的有功电流为无功电流为补偿无功Q后线路中的电流为L,相应的有功电流无功电流为则：补偿前的线路损耗为：△P：二3lfR二3(Irl/cos®):R补偿后的线路损耗为：△Pp3L'R二3(/cos®):R则补偿后线损降低的百分值为：AP%=(APu-APi2)/APi2X100%=[l-(cos<Pi/cos®)勺X100%若根据要求AP%已经确定，则可求得：COSAP2=cosAl/v_△P则补偿容量可以按Qc二Ppj(tg<P-tg<P2)来计算从提高运行电压需要来确定补偿容量配电线路末端电压较低，通常是通过无功补偿来提高供电电压的，因此，有时要从提高线路电压来确定补偿容量。设补偿前线路电源电压为U”线路末端电压为U-线路输送的有功功率为P,无功功率为Q,电阻为R,电抗为X,则：U：=U1-(PR+QX)/U：补偿无功Qc后，线路末端电压升为IV则：IV二U厂[PR+(Q-Qc)X]/IV所以投入无功补偿后末端电压增量△!；为△U二IV-UpQcX/IV故补偿容量Qc二U/AU/X若为三相线路，则所需的补偿容量为Qc二UJAUt/X式中△!；’一一三相线路的线电压增量，KV三相线路的线电压，KV2.4无功补偿装置的选择选择哪一种补偿方式，还要依电网的状况而定，首先对所补偿的线路要有所了解，对于负荷较大且变化较快的工况，电焊机、电动机的线路采用动态补偿，节能效果明显。对于负荷相对平稳的线路应采用静态补偿方式，也可使用动态补偿装置。一般电焊工作时间均在儿秒钟以上，电动机启动也在儿秒钟以上，而动态补偿的响应时间在儿十毫秒，按40毫秒考虑则从40毫秒到5秒钟之内是一个相对的稳态过程，动态补偿装置能完成这个过程。第三章无功补偿的投切方式3.1无功补偿的投切器件（-）交流接触器控制投入型补偿装置。由于电容器是电压不能瞬变的器件，因此电容器投入时会形成很大的涌流，涌流最大时可能超过100倍电容器额定电流。涌流会对电网产生不利的干扰，也会降低电容器的使用寿命。为了降低涌流，现在大部分补偿装置使用电容器投切专用接触器，这种接触器有1组串联限流电阻与主触头并联的辅助触头，在接触器吸合的过程中，辅助触头首先接通，使电容器通过限流电阻接入电路进行预充电，然后主触头接通将电容器正常接入电路，通过这种方式可以将涌流限制在电容器额定电流的20倍以下。此类补偿装置价格低廉，可靠性较高，应用最为普遍。由于交流接触器的触头寿命有限，不适合频繁投切，因此这类补偿装置不适用频繁变化的负荷情况。（二）晶闸管控制投入型补偿装置。这类补偿装置就是SVC分类中的TSC子类。山于晶闸管很容易受涌流的冲击而损坏，因此晶闸管必须过零触发，就是当晶闸管两端电压为零的瞬间发出触发信号。过零触发技术可以实现无涌流投入电容器，另外山于晶闸管的触发次数没有限制，可以实现准动态补偿（响应时间在毫秒级），因此适用于电容器的频繁投切，非常适用于频繁变化的负荷情况。晶闸管导通电压降约为IV左右，损耗很大（以额定容量lOOKvar的补偿装置为例，每相额定电流约为145A,则晶闸管额定导通损耗为145X1X3=435W）,必须使用大面积的散热片并使用通风扇。晶闸管对电压变化率（dv/dt）非常敬感，遇到操作过电压及雷击等电压突变的悄况很容易误导通而被涌流损坏，即使安装避雷器也无济于事，因为避雷器只能限制电压的峰值，并不能降低电压变化率。此类补偿装置结构复杂，价格高，可鼎性差，损耗大，除了负荷频繁变化的场合，在其余场合儿乎没有使用价值。（三）复合开关控制投入型补偿装置。复合开关技术就是将晶闸管与继电器接点并联使用，山晶闸管实现电压过零投入与电流过零切除，山继电器接点来通过连续电流，这样就避免了晶闸管的导通损耗问题，也避免了电容器投入时的涌流。但是复合开关技术既使用晶闸管乂使用继电器，于是结构就变得相当复杂，并且山于晶闸管对dv/dt的敬感性也比较容易损坏。（四）同步开关（乂名选相开关）投入型补偿装置。同步开关技术是近年来最新发展的技术，顾名思义，就是使机械开关的接点准确地在需要的时刻闭合或断开。对于控制电容器的同步开关，就是要在开关接点两端电压为零的时刻闭合，从而实现电容器的无涌流投入，在电流为零的时刻断开，从而实现开关接点的无电弧分断。同步开关技术中拒绝使用可控硅，因此仍然不适用于频繁投切。但山于同步开关相比复合开关和交流接触器更节能、更安全可黑、更节约资源，且选相开关应用了单片机技术，不仅能通过RS485通讯控制方式对多至64路电容器进行控制，还具备通讯功能，可将基层单位的电测量信息实时发送到上级电网，为LI前国家正在发展的智能化电网无缝对接等诸多因素，可以预见：采用单片机控制磁保持继电器的LXK系列同步开关（或选相开关）必将替代复合开关和交流接触器成为无功补偿电容器投切开关的主流。3.2瞬时投切方式瞬时投切方式即人们熟称的〃动态〃补偿方式，应该说它是半导体电力器件与数字技术综合的技术结晶，实际就是一套快速随动系统，控制器一般能在半个周波至1个周波内完成采样、计算，在2个周期到来时，控制器已经发出控制信号了。通过脉冲信号使晶闸管导通，投切电容器组大约20-30毫秒内就完成一个全部动作，这种控制方式是机械动作的接触器类无法实现的。动态补偿方式作为新一代的补偿装置有着广泛的应用前景。现在很多开关行业厂都试图生产、制造这类装置且有的生产厂已经生产出很不错的装置。当然与国外同类产品相比从性能上、元器件的质量、产品结构上还有一定的差距。动态补偿的线路方式LC串接法这种方式采用电感与电容的串联接法，调节电抗以达到补偿无功损耗的口的。从原理上分析，这种方式响应速度快，闭环使用时，可做到无差调节，使无功损耗降为零。从元件的选择上来说，根据补偿量选择1组电容器即可，不需要再分成多路。既然有这么多的优点，应该是非常理想的补偿装置了。但由于要求选用的电感量值大，要在很大的动态范围内调节，所以体积也相对较大，价格也要高一些，再加一些技术的原因，这项技术到口前来说还没有被广泛采用或使用者很少。采用电力半导体器件作为电容器组的投切开关，作为补偿装置所采用的半导体器件一般都采用晶闸管，其优点是选材方便，电路成熟乂很经济。其不足之处是元件本身不能快速关断，在意外情况下容易烧毁，所以保护措施要完善。当解决了保护问题，作为电容器组投切开关应该是较理想的器件。动态补偿的补偿效果还要看控制器是否有较高的性能及参数。很重要的一项就是要求控制器要有良好的动态响应时间，准确的投切功率，还要有较高的自识别能力，这样才能达到最佳的补偿效果。当控制器采集到需要补偿的信号发出一个指令（投入一组或多组电容器的指令），此时山触发脉冲去触发晶闸管导通，相应的电容器组也就并入线路运行。需要强调的是晶闸管导通的条件必须满足其所在相的电容器的端电压为零，以避免涌流造成元件的损坏，半导体器件应该是无涌流投切。当控制指令撤消时，触发脉冲随即消失，晶闸管零电流自然关断。关断后的电容器电压为线路电压交流峰值，必须山放电电阻尽快放电，以备电容器再次投入。元器件可以选单相晶闸管反并联或是双向晶闸管，也可选适合容性负载的固态接触器，这样可以省去过零触发的脉冲电路，从而简化线路，元件的耐压及电流要合理选择，散热器及冷却方式也要考虑周全。混合投切方式实际上就是静态与动态补偿的混合，一部分电容器组使用接触器投切，而另一部分电容器组使用电力半导体器件。这种方式在一定程度上可做到优势互补，但就其控制技术，U前还见到完善的控制软件，该方式用于通常的网络如工矿、小区、域网改造，比起单一的投切方式拓宽了应用范围，节能效果更好。补偿装置选择非等容电容器组，这种方式补偿效果更加细致，更为理想。还可采用分相补偿方式，可以解决山于线路三相不平行造成的损失。第四章并联电容器4.1.并联电容器简介并联电容器。原称移相电容器。主要用于补偿电力系统感性负荷的无功功率，以提高功率因数，改善电任质量，降低线路损耗，单相并联电容器主要山心子、外壳和出线结构等儿部分组成。用金属箔（作为极板）与绝缘纸或塑料薄膜叠起来一起卷绕，山若干元件、绝缘件和紧固件经过压装而构成电容芯子，并浸渍绝缘油。电容极板的引线经串、并联后引至出线瓷套管下端的出线连接片。电容器的金属外壳内充以绝缘介质油。电网中的电力负荷和电动机、变压器等，大部分属于感性负荷，在运行过程中需向这些设备提供相应的无功功率。在电网中安装并联电容器等无功补偿设备以后，可以提供感性负载所消耗的无功功率,减少了电网电源向感性负荷提供、山线路输送的无功功率，山于减少了无功功率在电网中的流动，因此可以降低线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗。4.2.使用电容器的优点可降低电费将补偿感应电力设备的负载，改善功率因数。要使功率因数达到自己所要求的数值时，可根据负载选择安装相应大小的电容器。安装后如功率因数得到改善，电费将会降低。能节省设备费用电容器的功率因数加大后，可减低电线中的电流量。使用强电流的电焊机或新机器时，安装此电容器，便能抑制因配装新机器而引起的电流上升现象；因此可以节省增设配电设备的成本提高生产量，保持质量功率因数得到改善后，电压下降或电压变动现象将会减少。低压进相电容器接上电动机后，因电压上升转矩加快，所以电压变动现象减少。致使电动机的运转速度稳定。因而使用电动机生产出的产品质量均匀。可加大配电系统的容量使用电容器后，提高了功率因数，减少了电线中电容器。因此可减轻配电机械（变压器或开关等）得负荷。安装低压进相电容器后，可使本有的配电机器不超负载，而且还能在配电系统增设新负载。对谐波有较强的抵抗能力具有较低的温度上升特性，所以对谐波有较强的抵抗能力。4・3.并联电容器无功补偿的配置方法作为规划或估算一个供电区域的无功补偿装置的容量可采用经济功率因数法，比较简单直观。对每一座变电站计算其无功补偿容量，以作为年度无功补偿计划安排时，最好采用经济传输无功负荷法计算，在经济效果方面比较合理，而且只要电网结构不变，数据可以长期应用。变电站母线集中补偿容量，应根据减少电压波动要求来计算，如计算结果远大于经济补偿容量时，应考虑采用其他调压手段。对电压质量合格的变电站一般不应设置集中补偿。分散补偿容量在各条公用配电线路上分配时，应采用补偿后的线路达到同一当量的原则，对于分布负荷的公用配电线路，建议按等负荷距原则简化成等值集中负荷线路，进行近似计算。为便于管理，每条配电线路上分散补偿装置的单组容量尽可能选为相同的，单组最大合理容量根据无功负荷密度和每组固定费用的等值电度大小来决淀，补偿点的位置应按半容量法则来决定，即在补偿点的线路上通过的无功负荷等于补偿容量的一半。当配电线路有较大的分支线时，应将补偿点选在无功负荷距较大的那个分支4.4电容器的安装要求电容器分层安装时，一般不超过三层，层间不应加隔板。电容器母线对上层构架的垂直距离不尖小于20cm,下层电容器的底部距地面应大于30cmo电容器构架间的水平距离不应小于0.5m,每台电容器之间的距离不应小于50cm,电容器的铭牌应面向通道。要求接地的电容器，其外壳应与金属构架共同接地。电容器应在适当部位设置温度计或贴示温蜡片，以便监视运行温度。电容器应装设相间及电容器内部元件故障的保护装置或熔断器;低压电容器组容量超过lOOkvar及以上者，可装设具有过电流脱扣器的空气自动断路器进行保护。电容器应有合格的放电装置。户外安装的电容器应尽量安装在台架上，台架底部距地面不应小于3口采用户外落地式安装的电容器组，应安装在变、配电所圉墙内的混凝土地面上，底面距地不小于0.4m。同时电容器组应安装在不低于1-7m的固定遮栏内，并具备有防止小动物进入的措施；8•总油量大于300kg的高压电容器组应配备设置专用电容器室。低压电容器及总油量在300kg以下的高压电容器，可装设在主要生产厂房内，但应设有单独的间隔，且通风良好。20台以下的电容器可装在配电室的单独间隔内，成套的电容器柜应靠一侧安装。高压电容器组和总容量在30kvar及以上的低压电容器组，每组应加装电流表。总容量在60kvar及以上的低压电容器组应加装电压表。高压电容器组总容量不大于lOOkvar时，可用跌落式熔断器保护和控制；100300kvar时应采用负荷开关保护和控制；大于300kvar时，应采用高压断路器保护和控制。4.5并联电容器的日常维护1、电容器组日常巡视检查项LI：检查电容器是否在额定电压和额定电流下运行，三相电流表指示值应平衡；套管完整清洁、无裂纹或放电现象；各连接线端子应紧密不松动及无发热现象；电容器外壳无变形及膨胀、渗漏油现象；电容器内部无异声；电容器外部无闪络；外壳接地完好；电容器室内应通风良好，运行环境温度不超过45°C；电容器的保护装置相应均全中投入运行；检查电容器的断路器、互感器、电抗器、放电线圈等应无异常。2、遇有以下情况时，应增加巡