低压电网的无功补偿

./低压电网的无功补偿摘要：近年来,电力负荷增长迅速,造成电力供应紧张的现象,部分省市甚至出现拉闸限电,这对供电公司来讲,尽可能提高输配电设备的能力显得尤为重要；电力用户对电能的质量要求不断提高；减少电费开支、降低生产成本始终是电力用户一个目标。这些都对提高功率因数提出了迫切的要求。功率因素是反映电源输出的视在功率有效利用程度的一个基本概念,是用电设备的一个重要指标。提高用户的功率因数,对于提高电力运行的经济效益和节约电能都具有重要意义。由于目前我国在配网中普遍采用的变电所低压母线集中补偿和配电变压器低压侧集中补偿等方式,不能补偿低压电网中大量的无功损耗。本文针对低压网的特点,从工程实际出发,提出了低压线路无功补偿方式及灵敏度分析法与无功分量直接分析法两种计算方法,以确定补偿电容的最佳安装位置和容量,并讨论了实际应用中电容器的在线动态控制。计算表明,在低压线上投入无功补偿后,大大降低了线损,经济效益显著,可以推广采用。电网中的电力负荷如电动机、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,导致电网中出现大量的无功电流。无功电流产生无功功率,给电网带来额外负担且影响供电质量。因此采用无功补偿,提高功率因数、节约电能、减少运行费用、提高电能质量是很有效的措施。本文对无功补偿的种类、特点、作用以及实际应用中所产生的经济效益等进行了论述。关键词:低电压；无功补偿；节电技术；功率因数；经济效益论文类型：调研报告1绪论1.1电力客户功率因数的现状在数值上,功率因数就是有功功率和视在功率的比值,既cosΦ=P/S。要提高功率因数,就必须尽可能地减少无功功率在使用过程中的消耗。功率因素提高后,可以减少输送电流,减少设备的成本,提高设备资源的利用率,减少资源的浪费。而功率因数降低,会使线路的电压损失增加,结果负载端的电压下降,严重影响电动机、空调及其它用电设备的正常运行。特别是在用电高峰季节,功率因数太低,会出现大面积的电压偏低,对工业生产带来很大损失,并严重影响居民的正常生活。在配电网络中,电力客户消耗无功功率约占55%～65%,其余的无功功率是消耗在配电网中。因此,提高功率因数,减少无功功率在配电网络中的输送,要尽可能地实现就地补偿、就地平衡。按照"分级补偿,就地平衡"的原则,为了鼓励电力客户实现无功功率的就地平衡,《供电营业规则》第四十一条对用户应达到的功率因数做出了明确的要求,并通过《功率因数调整电费管理办法》加以经济鼓励。但在日常工作中,仍然发现有很多客户不能达到规定的标准。即造成了电力客户既多支出电费,又影响了电网安全和电能质量。2011年国网公司对电力用户无功管理现状的调查研究报告数据反映出不达标的客户三分之二以上,无功管理急需完善和改进。1.2功率因数的概念功率因数的大小是与电路的负荷性质有关的,如白炽灯泡、电阻炉等电阻负荷的功率因数为1,一般具有电感或电容性负载的电路,功率因数都小于1。功率因数是电力系统的一个重要技术数据。功率因数是衡量电气设备效率高低的一个常用系数。功率因数低,说明电路用于交变磁场转换的无功功率大,从而降低了设备的利用率,增加了供电线路损失。所以,供电部门对用电单位的功率因数就有一定的标准要求。2无功补偿2.1无功补偿的基本原理把具有容性功率负荷的装置与具有电感性功率负荷并联接同一电路,能量在两种负荷之间相互交换。这样,感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率相互补偿。无功补偿的作用和原理可由图1．1来解释：图1.1无功补偿原理设电感性负荷需要从电源吸取的无功功率为,装设无功补偿装置后,补偿无功功率为,使电源输出的无功功率减少为,功率因数由提高到,视在功率减少到。视在功率的减少可相应减少供电线路的截面和变压器的容量,降低供用电设备的投资。例如一台1000千伏安的变压器,当负荷的功率因数为0.7时,可供700千瓦的有功负荷,当负荷的功率因数提高到0.9时,可供900千瓦的有功功率。同一台变压器,因为负荷的功率因数的提高而可多供200千瓦负荷,是相当可观的。可见,因采用无功补偿措施后,电源输送的无功功率减少了,相应的也使电网和变压器中的功率损耗的下降,从而提高了供电效率。由电压损耗计算公式可知,采用无功补偿措施后,因通过电力网无功功率的减少,降低了电力网中的电压损耗,提高了用户处的电压质量。并联电容器的无功补偿作用和原理,也可以用图1.2加以说明。图1.2并联电容器的补偿电流向量图图中的用电负荷总电流可以分解为有功电流分量,和无功电流分量<电感性的>。当并联电容器投入运行时,流入电容器的容性电流与方向相反,故可抵消一部分使电感性电流分量降低为,总电流由降为,功率因数也由提高到。这时,负荷所需的无功功率全部由补偿电容供给,电网只需供给有功功率。根据有功电流与无功电流的定义,还可以用图1.3理解电力系统中无功补偿的作用与原理。图1.3电力系统无功补偿原理图设负荷实际吸收的电流为,为了使输电线路上流过纯有功电流,则需要在负荷端接入一个无功补偿器,补偿器提供的电流为,则这里的就是无功电流,这就是电力系统中进行无功补偿的要点。这是完全的补偿,线路上的电流是为产生负载实际功率<平均功率>而携带能量最小的电流,因而在线路上造成的损失是最小的。此时,的波形和相同,即电压和电流的相位相同。2.2无功补偿的意义通过改善功率因数,减少了线路中总电流和供电系统中的电气元件,如变压器、电器设备、导线等的容量,因此不但减少了投资费用,而且降低了本身电能的损耗。〔1减少电力损失,一般工厂动力配线依据不同的线路及负荷情况,其电力损耗约2%--3%左右,使用电容提高功率因数后,总电流降低,可降低供电端与用电端的电力损失。〔2改善供电品质,提高功率因数,减少负载总电流及电压降。于变压器二次侧加装电容可改善功率因数提高二次侧电压。〔3延长设备寿命。改善功率因数后线路总电流减少,使接近或已经饱和的变压器、开关等机器设备和线路容量负荷降低,因此可以降低温升增加寿命〔温度每降低10℃,寿命可延长1倍〔4最终满足电力系统对无功补偿的监测要求,消除因为功率因数过低而产生的罚款。3无功功率补偿的种类和特点分类3.1常用补偿方式提高功率因数问题的实质就是减少用电设备的无功功率需要量。因此,影响功率因数的主要因素有三种,一是异步电动机和电力变压器是耗用无功功率的主要设备；二是供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响；三是电网频率的波动也会对异步电机和变压器的磁化无功功率造成一定的影响。针对影响功率因数的一些主要因素,要寻求一些行之有效的、能够使低压电网功率因数提高的一些实用方法,使低压电网能够实现无功的就地平衡,达到降损节能的效果。常采用地方式有三种：随机补偿、随器补偿、跟踪补偿[1]。随机补偿,是指将低压电容器组与电动机并联,通过控制、保护装置与电机共同投切。随机补偿适用于补偿电动机的无功消耗,以补偿励磁为主,此种方式可较好的限制用电单位的无功负荷。随机补偿地优点是：用电设备运行时,无功补偿投入；用电设备停止运补偿装置也退出,不需要频繁调整补偿容量。更具有投资少、占位小、配置灵活、维护简单方便、事故率低等优点。为防止电机推出时产生自激过电压,补偿容量一般不大于电机的空载无功。随器补偿,是指将低压电容器通过低压保险接在配电变压器二次侧,以补偿配电变压器空载无功的补偿方式。配变在轻载或空载时的无功负荷主要是变压器的空载励磁无功,配变空载无功是用电单位无功负荷的主要部分,对于轻负载的配变而言,这部分损耗占供电量的比例很大,从而导致电费单价的增加,从而导致电费单价的增加。随器补偿的优点是：接线简单、维护管理方便、能有效地补偿配变空载无功,限制农网无功基荷,是该部分的无功就地平衡,从而提高配电变压器利用率,降低无功网损,提高用户的功率因数,改善用户的电压质量,具有较高的经济性,是目前无功补偿最有效的方法之一。跟踪补偿,是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置,将低压电容器组补偿在大用户0.4kV母线上的补偿方式,适用于100kVA及以上的专用配变电用户。跟踪补偿的优点是：可较好的跟踪无功负荷的变化,运行方式灵活,补偿效果好,但是费用高,且自动投切装置较随机、随器补偿的控制保护装置复杂,如有任一元件损坏,则可导致电容器不能投切。且主要适用于大容量大负荷的配变。上述三种补偿方式均可对特定种类无功负荷实现"就地平衡"的无功补偿,降损节能效果好。3.2根据电容器采取的补偿就电容器组安装方式可分为：集中补偿、组合就地补偿<分散就地补偿>、单独就地补偿.〔1集中补偿在高低压配电所内设置若干组电容器屏,电容器接在配电母线上,补偿供电范围内的无功功率。对高低压配电所供电的所有负荷进行补偿。多安装于用户主变电所,作为用户的主要的基础补偿。用于平衡全厂的无功容量。〔2组合就地补偿<分散就地补偿>电容器接在高压配电装置或动力箱的母线上,对此动力箱供电的电器设备进行无功补偿。多安装于用户车间变电所或车间动力箱,是用户的重要补偿方式。用于平衡车间内部的无功容量。〔3单独就地补偿将电容器装于箱内,放置在电动机附近,对其单独补偿。电容器直接接在电动机端子上或保护设备末端,一般不需要电容器用的操作保护设备,称为直接单独就地补偿。经常操作者,采用接触器；非经常操作者,采用空气断路器同时启动被补偿设备；高压电容器直接单独就地补偿,宜采用真空开关。不采用控制设备,由电动机控制开关操作,但电容器必须采用内装熔丝或另装熔断器。采用控制设备,多用于降压起动或有可逆运行等有特殊操作要求的电动机。是用户大型用电设备的重点补偿。4无功补偿装置的发展状况4.1无功补偿发展历史近20年来,世界各地〔包括美国、法国、意大利、英国、俄罗斯、日本等国家发生的由于电压不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8.14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,无功不能仅靠远距离传输,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出发,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年南方电网的几次事故,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是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的补偿方式,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电机,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。在第一个工业用晶闸管出现之前,电子半导体由于功率过小,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变流技术的发展,新型的电力电子器件不断问世,由此引发了众多行业的变革,如交流变频调速技术的蓬勃发展。同样电力电子技术对无功补偿技术也带来了新的发展锲机。4.2无功补偿技术和电力电子技术的结合1．是作为投切电容器的开关。因为电力半导体开关的响应时间短<PS级>,所以能够选择电容的投切角度,实现零电压投切,避免了涌流的产生,提高了电容器使用的可靠性和电力系统的稳定性。现代并联电容器补偿装置中的输出回路就引进了该项技术。2．是作为无功输出的调节开关。由于电力电子器件的高开关频率,使其能够方便地控制电容器电流的导通角,从而实现无功的连续调节,快速跟踪负载无功的变化。静止型无功补偿器是其中的代表。3．是引入电力电子变流技术,将变流器作为无功电源来调节无功的输入和输出,起到补偿负载无功的作用。经常用的是静止调相机和有源滤波器。5就地补偿与集中补偿的技术经济分析5.1电容补偿在技术上应注意的问题<1>防止产生自励采用电容器就地补偿电动机,切断电源后,电动机在惯性作用下继续运行,此时电容器的放电电流成为电动机的励磁电流,如果电容过补偿,就可使电动机的磁场得到自励而产生电压,因此,为防止产生自励,规程规定电容电流不大于0.9倍的励磁电流,在选用电容时一定要注意。<2>防止过电压当电容器补偿容量过大,会引起电网电压升高并会导致电容器损坏。是因为挂在电网上的电容器被电网充电使得Uc=Usinφ,同时电容器也不可长期在过电压下工作,以防电容器因过电压损坏、爆炸。我国对并联电容器国标规定是："工频长期过电压值最多不超过1.1倍额定电压。"<3>防止产生谐振电网中存在大量的感性负载,当进行无功补偿时,电感的感抗为XL=WL,电容的容抗为Xc=1/C,XL=XC时将产生谐振。L=1/C2πfL=1/2πfCf=1/2π√LC其谐振频率f=1/2π√LC,当谐振频率与电网频率50Hz相等时电网将产生谐振.电容和电感上的电压很高,将高于系统额定电压3至7倍,造成电气设备因过电压击穿损坏。<4>防止受到系统谐波影响对于有谐波源的供电线路,还应增设电抗器等措施,利用电抗器在高频时阻抗大的特点,使谐波影响不致造成电容器损坏。产生谐波的主要设备有整流设备、电弧性设备等。5.2提高功率因数注意的事项〔1提高功率因数时,不能影响负载的工作。如,将电容与负载串联,也能改变功率因数,但是负载将无法正常工作,所以用来提高电容器必须与负载并联。

〔2功率因数提高要适当,即在电路中投入的并联电容值不能过大。如并联电容值过大,降低功率因数,则并联电容器不能补偿电路中的无功电流起不到补偿作用；并联电容器太小,则效果不大。

〔3并联电容器尽量靠近负载端,并联电容器的耐压必须符合相应的要求。选用可自动调节的电容补偿屏,当负载变动时,可自动投切电容器。

6真实案例分析6.1真实案例案例一、鸿达木业是一家小厂,进行木料加工,使用一台S6-100KVA变压器,每月用电量有4000度左右,老板每度电支出2元左右,多次请人整改无功补偿设备,仍没有任何改善。经查询发现,该户功率因数长期仅在30％左右,有时甚至还不到8％。我计算了一下：考虑到变压器的损耗,就算低压功率因数补偿到达1,按照2011年10月有功电量3742kWH计算,总功率因数最高也只达到56.92%。所以要么更换变压器,要么加大用电量。建议用户更换新型节能型变压器。老板回答是：场地是租赁的,厂子生产量不大,只能这样用着了。案例二、在对功率因数较低的用户排查时,发现花果山风景区管理处有一台变压器的用电量特别少,功率因数特别低,查询抄表台账时发现该户有大量反向无功电量,现场检查时发现,即使在没用电的时候,仍有一组电容器在运行状态,现场实测表计的向量图中,电压落后电流,切除电容器后,电压仍然落后电流。经询问,这台变压器低压电缆供应周围的几百盏路灯用电,测量时,低压无用电负荷,而且路灯装有补偿装置。用户表示,这台变压器所在地区面临拆迁,就不愿再投资进行设备改善。确认路灯均装有单灯无功补偿装置后,决定将电容器柜隔离刀闸断开,该处功率因数基本能达到规定要求。案例三、XX安靠电动工具有限公司,2011年8月咨询电费猛增、电压波动太大,怀疑电网及电表问题,要求上门检查,通过查阅电费发票,发现2011年7月,该公司发生电费253200元,其功率因素为0.71,月增加电费9.5%,合人民币56700元。本人立即深入该公司了解情况,该公司有两台变压器,变压器容量都为500kVA,高供高计,高压室有5块屏,低压室有8块屏,其中有电容补偿屏2块,电容容量为400千乏〔kVar,采用的是低压集中无功自动补偿模式。发现该公司变电所有以下问题：〔1变电所值班电工请假一个月,但公司未安排其他人员进行用户变电所巡视检查。导致自动补偿控制仪损坏长时间未被发现。〔2该公司当月生产任务不重,所以调整了生产班次,由三班改为长日班。所以白天流水线开得很足,晚上没有负荷。导致白天电容欠补,晚上又大量的过补,而计算无功电量是正向、反向无功电量的累加。〔3由于2011年7月,天气炎热,而变电所门窗紧闭不通风,导致白天室内温度偏高,有两只型号为BSMJ-0.4,容量为20千乏〔kVar的电容已烧坏,相对应的熔丝已烧断。通过查找问题,协助该公司加强整改,2011年的功率因数达到了0.93,电费获得奖励0.45%,电压也同步正常。6.2功率因数不达标原因分析经过以上案例,结合平时经验,我认为用户功率因数不合格的主要因素有以下几个方面：〔1电工理论水平低。创造最大利润是目标,所以业主不愿雇佣高水平电工,甚至不雇佣电工,造成变配电设备无人管理和维护,导致电力设备不是处于最佳运行状态。〔2无功补偿设备的故障不是及时排除。当无功补偿设备出现故障时,没有及时发现处理,造成欠补偿或过补偿的现象,当用电设备功率因数不高时,将影响功率因数水平。〔3用户不及时调整负荷偏相。在三相电流出现不平衡时,功率因数也随之不平衡,如果没有采用分相补偿,补偿控制器将按照取样相的数据进行补偿,另外两相就产生了误差,影响功率因数,在实际的运行中,较多电力客户就存在这个问题。〔4设备型号以及设备运行方式的不合理。如案例中用电量较小时,老式设备损耗大的缺点就显得让人难以接受；取样电流互感器与实际负荷不相匹配；单组电容器的容量过大；电容器投入、切除门限设置不太合适；无功补偿控制器的投切延时设置不对等等。〔5用电方式的不合理。如"大马拉小车"变电设备负载率很低；电感性用电设备就会长期轻载或空载等。〔6设计的先天缺陷。如设计出图不细致,对无功补偿容量的确定是采取估算法,当遇到一些功率因数较低的设备时,估算法取得的数字就小,很难达到规定的要求。7电容补偿的选择7.1电容补偿方式的选择采用并联电容器作为人工无功补偿,为了尽量减少线损和电压损失,宜进行分级管理、就地平衡,即低压部分的无功宜由低压电容器补偿,高压部分的无功宜由高压电容器补偿。对于容量较大,负荷平稳且经常使用的用电设备的无功功率,单独宜就地补偿。补偿基本无功的电容器组宜在配变电所内集中补偿,在有工业生产机械化自动化程度高的流水线、大容量机组的场所,宜分散补偿。7.2电容器组投切方式的选择电容器组投切方式分手动和自动两种对于补偿低压基本无功及常年稳定和投切次数少的高压电容器组,宜采用手动投切；对于负荷变化快<一般指非连续生产的>为避免过补偿或轻载时电压过高,易造成设备损坏的,宜采用自动投切。高、低压补偿效果相同时,宜采用低压自动补偿装置。7.3无功自动补偿的调节方式以节能为主者,采用无功功率参数调节；当三相平衡时,也可采用功率因数参数调节；以改善电压偏差为主者,应按电压参数调节；无功功率随时间稳定变化者,按时间参数调节。7.4电容补偿容量的选定7.4.1集中补偿容量确定先进行负荷计算,确定有功功率P和无功功率Q,补偿前自然功率因数为cosφ1,要补偿到的功率因数为cosφ2。在负荷无法确定时一般按变压器容量的30%来确定电容器的容量。则ΔQ=P<tgφ1－tgφ2>。7.4.2电动机就地补偿电容器容量确定就地补偿电容器容量选择的主要参数是励磁电流,因为不使电容器造成自励是选用电容器容量的必要条件。负载率越低,功率因数越低；极数愈多,功率因数越低；容量愈小,功率因数越低。但由于无功功率主要消耗在励磁电流上,随负载率变化不大,因此应主要考虑电动机容量和极数这两个参数,才能得到最佳补偿效果。一般按电动机励磁电流的0.9倍选用电容器。8农网改造降损的措施1、合理选择供电线路,避免迂回供电。0.4kV线路供电半径不宜大于0.5km,特殊情况下供电半径可以适当延长,但要保证电压质量和适度控制线损。2、合理选择导线的截面,按最大工作电流进行选择,并应适当考虑群众生活