组装车间安装无功补偿装置的意义

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  【摘 要】文章较详细地制定了组装车间低压分散就地补偿的方案,根据计算确定补偿容量,并详细论述了安装无功补偿装置的意义。
  【关键词】低压分散就地补偿;功率因数;无功功率
  前言:
  无功就地补偿技术是一种先进、有效的节能技术,在发达国家已被普遍采用,有的还把它列入行业技术法规中,如《美国国家电气法规NEC-460》、《日本电气学会标准JEC-8001-1982》等。随着电力电子器件、大功率可控硅器件的问世和计算机技术的飞速发展,近年来,采用数字微处理器为核心的智能化无功功率动态补偿控制器和智能复合开关已成为当前低压无功补偿装置的必然趋势,它能自动跟踪无功功率需求的变化,实现电容器组的平滑投切,因而无合闸涌流,无分闸过电压,且不受投切次数的限制,这是无功补偿技术的质的飞跃,实现了全自动、长寿命、免维护、安全可靠的无功动态补偿,使供电系统可以始终处于理想的工况下运行。
  在我国,供电部门一般要求新建企业的月平均功率因数达到0.9以上。当企业的自然总平均功率因数较低,单靠提高用电设备的自然功率因数达不到要求时,应采用必要的无功功率补偿设备进一步提高企业的功率因数。
  JKL4C系列无功功率自动补偿控制器是采用先进的单片机技术设计而成,参数可由用户自行整定,数码管动态显示电网功率因数,直观显示各种设置参数。具有自动运行或手动运行两种投切方式和连续工作、循环投切或编码投切三种工作方式;预置组数2~12路任意设置;取样信号相序自动鉴别和转换;投功组数、COSΦ预置、延时时间、过压功除门限等参数可由用户自行整定;适用于谐波含量较大的恶劣现场工作;还兼有投入、切除、过压等动作执行提示,其结构合理,使用方便,可广泛应用于低压电网无功补偿控制系统。适用于0.4kV、50Hz低压电网无功补偿自动化控制。采用JKL4C系列无功补偿装置5-8个月即可收回初期投资,并且保护装置齐全可靠,出现过补时自动退出运行,经济效益显著。
  1车间现状
  1.1车间用电量大
  组装车间是一个闭环工序,其运作量大概为1000组/天,年耗电量上百万kwh,其中由于大量无功功率的存在,降低了供配电系统的供电能力,造成大量电能的损害浪费。此外,组装块生产并不像混捏、成型、焙烧及铝电解过程复杂,因为这些工段通常存在原料的变化。在组装工段中,往往侧重于降低能耗及生产周期,而对工艺过程控制的关注及资源投入较少。
  1.2供电线路损耗大
  在组装车间大力推广无功就地补偿技术的应用,确保车间供配电系统安全、合理、经济地运行。采用无功功率补偿提高电动机功率因数,不但能消除因无功损耗电网增加的有功损耗,同时,也降低了有功损耗,使电动机综合效率也相应提高1.5%——2%以上。
  2无功补偿的配置原则、原理及选型
  2.1无功功率补偿的配置原则
  电力系统运行的经济性和电能质量与无功功率有着密切的关系,大量的感性负荷和电网中的无功功率损耗,要求系统提供足够的无功功率,否则电网电压将下降,电能质量得不到保证。同时,无功功率的不合理分配,也将造成线损增加,降低电力系统运行的经济性。根据电力网无功功率消耗的规则,各级网络和输配电设备都要消耗一定数量的无功功率,尤以低压配电网(0.4KV)所占比重最大。为了最大限度地减少无功功率的传输损耗,提高输配电设备的效率,无功补偿设备的配置,应按分级补偿,就地平衡的原则,合理布局。
  1、高压补偿与低压补偿结合,以低压为主;
  2、集中补偿与分散补偿结合,以分散为主(为了有效地降低线损,必须做到无功功率在哪里发生,就应在哪里补偿);
  3、调压与降损相结合,以降损为主(对于无功补偿的主要目的是改善功率因数,减少线损,调压只是一个辅助作用)。
  从以上补偿原则看出,补偿装置愈接近电动机或其他电力设备,无功电流通过的变配电设备愈少,通过的线路愈短,补偿愈彻底,节能效果愈显著。
  无功功率补偿可采用高压集中补偿和低压分散就地补偿。由于组装车间用电负荷分散及补偿容量比较小,一般采用低压分散就地补偿方式较适合。低压电容器分散在车间补偿,能够减少配电设备容量及线路的截面,降低电能损耗。两种补偿方式的区域划分如图1所示。
  低压无功补偿有两种方法:(1)采用同步电机补偿;(2)采用并联电容器补偿。方法(1)中因为有旋转转子部分,维修工作量大,采用方法(2)比较经济适用,便于维护。
  2.2采用并联电容器补偿的工作原理
  (1)补偿原理
  所谓无功功率通俗地讲就是不消耗电能的用电设备所消耗的功率。比如把一只电容器接入交流电路中,电路就会对电容器进行充放电,这样就形成电流,充电时电容器畜存电能,放电时电容器把电能又还给电源,这样电容器这个用电设备本身并不消耗电能,然而它却有功率(功率等于电压乘以电流强度),这就是无功功率,电容器虽然不消耗电能,但是因为有电流,所以电力线路上会消耗电能(电线都有电阻),对供电的电源变压器来说更是一种负担,因为变压器的容量(它能提供的功率)是有限的,无功功率会占用变压器的容量,使正常供电受到限止。同样,把一只电感器接入交流电路,也会产生无功功率。在交流电路中,纯电阻负荷中的电流IR与电压同相位,纯电感负荷中的电流IL滞后电压90°,而纯电容负荷中电流IC则超前电压90°,电容中的电流与电感中的电流相差180°,其电流相互抵消。电力系统中的负载,50%以上是电感、电阻性负载,因此总电流I将滞后于电压一个角度φ。这时在电动机上并联电容器,使感性负载与容性负载的作用相互抵消,这对电力线路和变压器来说就没有无功功率的影响了。无功补偿装置说白了就是配套的电容器(由许多只电容器并联而成),它由自动控制设备自动接入电路,既不会补偿不足,也不会补偿过头。   (2)功率损耗与功率因数的关系
  在电网中,平衡三相系统的功率为:P=1.732×UIcosφ
  传输线路中的电流为:I=P/(1.732×Ucosφ)
  在P、U基本恒定的情况下,电流I与功率因数cosφ成反比,即I∝1/cosφ
  而网络中的功率损耗△P∝I2即△P∝1/cos2φ
  功率损耗与功率因数的平方成反比,因此改善功率因数将对电网损耗的降低起显著效果。
  (3)线路功率损耗降低率与功率因数的关系
  假设供电电压基本不变,补偿前的负荷电流为I1,功率因数为cosφ1,补偿后的负荷电流为I2,功率因数为cosφ2,线路电阻为R,则线路损耗为:
  补偿前线损:△P1=I12R补偿后线损:△P2=I22R
  设补偿前后的负荷有功功率不变,则由
  P1=1.732×UI1cosφ1=1.732×UI2cosφ2=P2可得I2=(cosφ1/cosφ2)I1
  将此式代人△P2=I22R可得△P2=I12(cosφ1/cosφ2)2R
  则补偿后线路功率损耗降低率为:
  δP=〔(△P1-△P2)/△P1〕×100%=〔1-(cos2φ1/cos2φ2)〕×100%
  δP是加装无功补偿装置后线路损耗的降低率
  2.3无功就地补偿装置容量的选择
  为了使感性负载得到有效的无功补偿,选择电容补偿装置的容量很关键,补偿容量过小不能取得最佳的经济效益,过大会造成过补偿,切除时会产生过电压。
  (1)方法一根据电动机实际负荷选
  QC=P(tgφ1–tgφ2)=P{〔(1/cos2φ1)-1〕1/2-〔(1/cos2φ2)-1〕1/2}
  QC:电动机所需补偿容量单位kvar;
  P:补偿前电动机输入的有功功率的平均值单位kw;
  cosφ1、cosφ2:电动机补偿前后的平均加权功率因数值;
  补偿前后负荷的有功功率不变,补偿后无功功率的损耗降低了,由此可得:
  P1=1.732×UI1cosφ1=1.732×UI2cosφ2=P2
  加装无功补偿前,功率因数为cosφ1=0.75,加装无功补偿后,车间的功率因数因确保在0.95—0.98,经济效益将达到最佳,为留有余量,此时补偿后的功率因数值取0.95为妥。
  2.4组装车间用电负荷
  因组装车间共由711#、712#两台变压器互为备用供电,计算负荷1273kW。所以711#变压器所需补偿容量QC1为:
  P11=1.732×UI1cosφ1=1.732×380×960×0.75=473875.2(W)×10-3=473.88(kw)
  由功率因数速算表可得:
  tgφ1=0.882tgφ2=0.328
  QC1=P11(tgφ1–tgφ2)=473.88(0.882-0.328)=262.53(kvar)
  712#变压器所需补偿容量QC2为:
  P12=1.732×UI1cosφ1=1.732×380×1120×0.75=552854.4(w)×10-3=552.85(kw)
  由功率因数速算表可得:
  tgφ1=0.882tgφ2=0.328
  QC2=P12(tgφ1–tgφ2)=552.85(0.882-0.328)=306.28(kvar)
  方法二根据电动机额定功率选QC=(0.35~0.5)PnPn:电动机名牌额定功率之和
  因组装车间共由两台变压器供电,所以
  Pn1≈921.7kwQC1=(0.35~0.5)×921.7=322.6~460.8(kvar)
  Pn2≈1270.8kwQC2=(0.35~0.5)×1270.8=444.8~635.4(kvar)
  方法二适用于较大负荷的电动机,优点是非常简便,但对于轻负荷电动机,无功功率得不到有效补偿,估算误差较大。因此,以方法一所得结果进行无功补偿装置的选择。
  2.5补偿电容器的选择
  当电容器两端加以正弦交流电时,它发出的无功容量(或无功功率)为:
  QC=U2/Xc=2πfCU2
  若U以千伏计算,C以微法计算时,则QC=0.314CU2C=QC/0.314U2
  则(1)711#变压器所带设备补偿电容器的选择为:
  C1=QC1/0.314U2=262.53/(0.314×0.382)=262.53/0.045=5834(μF)
  如果选用BSMJ0.4—30—3系列自愈式并联电力电容器,额定容量为:30kvar(597μF)额定电流为:43.3A5834÷597=9.8≈10台
  需选用10台BSMJ0.4—30—3系列的电容器组成电容器组。
  (2)712#变压器所带设备补偿电容器的选择为:
  C1=QC1/0.314U2=306.28/(0.314×0.382)=306.28/0.045=6806.2(μF)
  如果选用BSMJ0.4—30—3系列自愈式并联电力电容器,额定容量为:30kvar(597μF)额定电流为:43.3A6806.2÷597=11.4≈10台
  需选用10台BSMJ0.4—30—3系列的电容器组成电容器组。
  2.6低压并联电容器组的保护
  根据设计要求,低压并联电容器组容量在100千乏以下时,应加装熔断器保护,熔断器应选用断流容量较大的RTO型熔断器,用切换电容接触器控制。低压并联电容组容量在100千乏以上时,应装设带有过流、短路自动脱扣的空气断路器保护。
  3节能效果的分析
  3.1加装补偿装置的优点
  使用20台BSMJ系列无功补偿电容器组成电容器组,补偿了无功功率,提高了功率因数;减少了线路中的总电流;减少了线路中的电压损失,改善了电压质量;降低了功率损耗和电能损耗;提高了设备的出力,有功功率P=S·cosφ,当用电设备的视在功率S一定时,功率因数cosφ升高,有功功率大,有功出力提高。
  3.2节电量分析
  按无功当量计算为0.1~0.15kw/kvar,即每投入1kvar的无功就地补偿可节约0.1~0.15kw的有功功率。所以节电量为:(0.1~0.15kw)×(473.88+552.85)=55.29~82.93kw
  月节电量为:30×24×(55.29~82.93)=39808.8~59709.6(kwh)
  年节电量为:477706~716515(kwh)
  线路降低功率损伤为:δP=〔1-(cos2φ1/cos2φ2)〕×100%=37.7%
  其中:cosφ1=0.75cosφ2=0.95
  即加装568.81kvar的无功补偿后,可使线路损耗下降37.7%,而年减少电量损失为477706~716515(kwh)。如果按现行用电价0.42元/千瓦时计算,全年直接减少电量损失而增加纯利润为:T=(477706~716515)×0.42元=19.11~30.09万元
  上述节能效果的计算属传统的计算方法,因为它计算的是平均值,并不能说明某一具体场合的实际情况,它只能作为我们补偿前的预测,而不应成为补偿后实际节电的计算依据。实际节电值会比计算值大得多,最小的相差一倍,最大的达到二十五倍。因为计算电动机无功就地补偿的节电效益时,必须考虑电动机效率提高所产生的节电效益。
  在组装车间加装无功就地补偿装置后,可有效地降低阳极炭块的成本,以期达到阳极炭块的能耗标准。
  参考文献:
  (1)工厂企业变电所实用技术〔M〕.周裕厚编著中国物资出版社1997年4月版
  (2)航空工业部第四规划设计研究院等编工厂配电设计手册〔M〕.水利电力出版社1982年9月
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