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摘 要:无功补偿是电网中提高系统运行电压,减小网损,提高系统稳定水平的有效手段。本文对无功补偿进行了总结,对目前无功补偿存在的问题及产生的效益进行了一定的探讨和研究。
关键词:电网;无功补偿
随着国民经济的迅速发展,用电量的增加,电网的经济运行日益受到重视。降低网损,提高电力系统输电效率和电力系统运行的经济性是电力系统运行部门面临的实际问题,也是电力系统研究的主要方向之一。特别是随着电力市场的实行,输电公司(电网公司)通过有效的手段,降低网损,提高系统运行的经济性,可给输电公司带来更高的效益和利润。电力系统无功功率补偿是电力系统安全经济运行研究的一个重要组成部分。
1.无功补偿概述
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。在电网中安装并联电容器等无功补偿设备以后,可以提供感性电抗所消耗的无功功率,减少了电网电源向感性负荷提供、由线路输送的无功功率,由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,这就是无功补偿。无功补偿可以提高功率因数,是一项投资少,收效快的降损节能措施。
2.无功补偿方式分类
配电网无功补偿的主要方式有五种:变电站补偿、配电线路补偿、随机补偿、随器补偿、跟踪补偿。
⑴变电站补偿:针对电网的无功平衡,在变电站进行集中补偿,补偿装置包括并联电容器、同步调相机、静止补偿器等,主要目的是平衡电网的无功功率,改善电网的功率因数,提高系统终端变电所的母线电压,补偿变电站主变压器和高压输电线路的无功损耗。这些补偿装置一般集中接在变电站10kV母线上,因此具有管理容易、维护方便等优点,缺点是这种补偿方式对10kV配电网的降损不起作用。
⑵配电线路补偿:线路无功补偿即通过在线路杆塔上安装电容器实现无功补偿。线路补偿点不宜过多;控制方式应从简,一般不采用分组投切控制;补偿容量也不宜过大,避免出现过补偿现象;保护也要从简,可采用熔断器和避雷器作为过流和过压保护。线路补偿方式主要提供线路和公用变压器需要的无功,该种方式具有投资小、回收快、便于管理和维护等优点,适用于功率因数低、负荷重的长线路。缺点是存在适应能力差,重载情况下补偿不足等问题。
⑶随机补偿:随机补偿就是将低压电容器组与电动机并接,通过控制、保护装置与电动机同时投切的一种无功补偿方式。县级配电网中有很大一部分的无功功率消耗在电动机上,因此,搞好电动机的无功补偿,使其无功就地平衡,既能减少配电线路的损耗,同时还可以提高电动机的出力。随机补偿的优点是用电设备运行时,无功补偿装置投入;用电设备停运时,补偿装置退出。更具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活、维护简单、事故率低的特点。适用于补偿电动机的无功消耗,以补励磁无功为主,可较好的限制配电网无功峰荷。年运行小时数在1000h以上的电动机采用随机补偿较其他补偿方式更经济。
⑷随器补偿:随器补偿是指将低压电容器通过低压熔断器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。配电变压器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,配电变压器空载无功是农网无功负荷的主要部分.随器补偿的优点是接线简单,维护管理方便,能有效地补偿配电变压器空载无功,限制农网无功基荷,使该部分无功就地平衡,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手段之一。缺点是由于配电变压器的数量多、安装地点分散,因此补偿工作的投资比较大,运行维护工作量大。
⑸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用户配电变压器低压侧的补偿方式。这种补偿方式,部分相当于随器补偿的作用,主要适用与100kVA及以上的专用配电变压器用户。跟踪补偿的优点是可较好地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或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。其主要适于大容量大负荷的配变。
3.配电网无功补偿现存的几个问题
随着人们对配网建设的重视和无功补偿技术的发展,低压侧无功补偿技术在配电系统中也开始普及。从静态补偿到动态补偿,从有触点补偿到无触点补偿,都取得了丰富的运行经验。但是,在实践过程中也暴露出一些问题,必须引起重视。
(1)补偿方式问题。
目前很多部门无功补偿的出发点还放在用户侧,即只注意补偿用户的功率因数,而不是立足于降低电力网的损耗。如为提高某电力负荷的功率因数,增设1台补偿箱,这固然会对降损有所帮助。但是如果要实现有效的降损,必须通过计算无功潮流,确定各点的最优补偿量、补偿方式,才能使有限的资金发挥最大的效益。这是从电力系统角度考虑问题的方法。
(2)谐波问题。
电容器具备一定的抗谐波能力,但谐波含量过大时会对电容器的寿命产生影响,甚至造成电容器的过早损坏;并且由于电容器对谐波有放大作用,因而使系统的谐波干扰更严重。另外,动态无功补偿柜的控制环节,容易受谐波干扰影响,造成控制失灵。
因而在有较大谐波干扰,又需补偿无功的地点,应考虑添加滤波装置。这一问题普遍被忽视,致使一些补偿设备莫名其妙地损坏。因而做无功补偿设计时必须考虑谐波治理。
(3)无功倒送问题。
无功倒送是电力系统所不允许的,因为它会增加线路和变压器损耗,加重线路负担。对于接触器控制的补偿柜,补偿量是三相同调的;对于晶闸管控制的补偿柜,虽然三相的补偿量可以分调,但是很多厂家为了节约资金,只选择一相做采样和无功分析。于是在三相负荷不对称的情况下,就可能造成无功倒送。至于采用固定电容器补偿方式的用户,在负荷低谷时,也可能造成无功倒送。选择补偿方式时,应充分考虑这一点。
(4)电压调节方式的补偿设备带来的问题。
有些无功补偿设备是依据电压来确定无功投切量的,这有助于保证用户的电能质量,但对电力系统而言却并不可取。因为虽然线路电压的波动主要由无功量变化引起,但线路的电压水平是由系统情况决定的。当线路电压基准偏高或偏低时,无功的投切量可能与实际需求相去甚远,出现无功过补或欠补。
4.无功补偿的效益
通过合理配置无功补偿设备,不仅可使功率消耗减小,功率因数提高,还可以充分挖掘设备输送功率的潜力。
(1)无功补偿改善电能质量
电网中无功补偿设备的合理配置,与电网的供电电压质量关系十分密切。合理安装补偿设备可以改善电压质量。
负荷(P+JQ)电压损失ΔU简化计算如下:
ΔU=(PR+QX)/U(1)
式中:U-线路额定电压,kV
P-输送的有功功率,kW
Q-输送的无功功率,kvar
R-线路电阻,Ω
X-线路电抗,Ω
安装补偿设备容量Qc后,线路电压降为ΔU1,计算如下:
ΔU1=[PR+(Q-Qc)X]/U(2)
很明显,ΔU1<ΔU,即安装补偿电容后电压损失减小了。由式(1)、(2)可得出接入无功补偿容量Qc后电压升高计算如下:
ΔU-ΔU1=QcX/U(3)
由于越靠近线路末端,线路的电抗X越大,因此从(3)式可以看出,越靠近线路末端装设无功补偿装置效果越好。
(2)无功补偿降低电能损耗
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
由cosφ提高到cosφ1,因为P=UIcosφ,负荷电流I与cosφ成反比,又由于P=I2R,线路的有功损失与电流I的平方成正比。当cosφ升高,负荷电流I降低,即电流I降低,线路有功损耗就成倍降低。反之当负荷的功率因数从1降低到cosφ时,电网元件中功率损耗将增加的百分数为ΔPL%,计算如下:
ΔPL%=(1/cos2φ-1)?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下:
功率因数从1降低到左列数值0.95、0.9、0.85、0.8、0.75、0.7、0.65
电网元件中有功损耗增加百分数△%、11、23、38、56、 78、104、136
功率因数提高对降低有功功率损耗的影响如下:
功率因数由右列数值提高到0.95、0.6、0.65、0.7、0.75、 0.8、0.85、0.9
可变有功功率损耗降低的百分数60、53、46、38、29、20、 10
(3)无功补偿挖掘发供电设备潜力
①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ΔP计算如下:
ΔP=P1-P=S(cosφ1-cosφ)(5)
②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ΔS计算如下:
ΔS=S-S1=P(1/cosφ-1/cosφ1)(6)
可以减少供电设备容量占原容量的百分比为ΔS/S计算如下:
ΔS/S=(cosφ1-cosφ)/cosφ1=(1-cosφ/cosφ1)(7)
③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。
⑷无功补偿减少用户电费支出
①可以避免因功率因数低于规定值而受罚。
②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。
5.结束语
通过对电力系统无功电源的合理配置和对无功负荷的最佳补偿, 是电网中提高系统运行电压,减小网损,提高系统稳定水平的有效手段,使电力系统能够安全经济运行。
关键词:电网;无功补偿
随着国民经济的迅速发展,用电量的增加,电网的经济运行日益受到重视。降低网损,提高电力系统输电效率和电力系统运行的经济性是电力系统运行部门面临的实际问题,也是电力系统研究的主要方向之一。特别是随着电力市场的实行,输电公司(电网公司)通过有效的手段,降低网损,提高系统运行的经济性,可给输电公司带来更高的效益和利润。电力系统无功功率补偿是电力系统安全经济运行研究的一个重要组成部分。
1.无功补偿概述
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。在电网中安装并联电容器等无功补偿设备以后,可以提供感性电抗所消耗的无功功率,减少了电网电源向感性负荷提供、由线路输送的无功功率,由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,这就是无功补偿。无功补偿可以提高功率因数,是一项投资少,收效快的降损节能措施。
2.无功补偿方式分类
配电网无功补偿的主要方式有五种:变电站补偿、配电线路补偿、随机补偿、随器补偿、跟踪补偿。
⑴变电站补偿:针对电网的无功平衡,在变电站进行集中补偿,补偿装置包括并联电容器、同步调相机、静止补偿器等,主要目的是平衡电网的无功功率,改善电网的功率因数,提高系统终端变电所的母线电压,补偿变电站主变压器和高压输电线路的无功损耗。这些补偿装置一般集中接在变电站10kV母线上,因此具有管理容易、维护方便等优点,缺点是这种补偿方式对10kV配电网的降损不起作用。
⑵配电线路补偿:线路无功补偿即通过在线路杆塔上安装电容器实现无功补偿。线路补偿点不宜过多;控制方式应从简,一般不采用分组投切控制;补偿容量也不宜过大,避免出现过补偿现象;保护也要从简,可采用熔断器和避雷器作为过流和过压保护。线路补偿方式主要提供线路和公用变压器需要的无功,该种方式具有投资小、回收快、便于管理和维护等优点,适用于功率因数低、负荷重的长线路。缺点是存在适应能力差,重载情况下补偿不足等问题。
⑶随机补偿:随机补偿就是将低压电容器组与电动机并接,通过控制、保护装置与电动机同时投切的一种无功补偿方式。县级配电网中有很大一部分的无功功率消耗在电动机上,因此,搞好电动机的无功补偿,使其无功就地平衡,既能减少配电线路的损耗,同时还可以提高电动机的出力。随机补偿的优点是用电设备运行时,无功补偿装置投入;用电设备停运时,补偿装置退出。更具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活、维护简单、事故率低的特点。适用于补偿电动机的无功消耗,以补励磁无功为主,可较好的限制配电网无功峰荷。年运行小时数在1000h以上的电动机采用随机补偿较其他补偿方式更经济。
⑷随器补偿:随器补偿是指将低压电容器通过低压熔断器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。配电变压器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,配电变压器空载无功是农网无功负荷的主要部分.随器补偿的优点是接线简单,维护管理方便,能有效地补偿配电变压器空载无功,限制农网无功基荷,使该部分无功就地平衡,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手段之一。缺点是由于配电变压器的数量多、安装地点分散,因此补偿工作的投资比较大,运行维护工作量大。
⑸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用户配电变压器低压侧的补偿方式。这种补偿方式,部分相当于随器补偿的作用,主要适用与100kVA及以上的专用配电变压器用户。跟踪补偿的优点是可较好地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或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。其主要适于大容量大负荷的配变。
3.配电网无功补偿现存的几个问题
随着人们对配网建设的重视和无功补偿技术的发展,低压侧无功补偿技术在配电系统中也开始普及。从静态补偿到动态补偿,从有触点补偿到无触点补偿,都取得了丰富的运行经验。但是,在实践过程中也暴露出一些问题,必须引起重视。
(1)补偿方式问题。
目前很多部门无功补偿的出发点还放在用户侧,即只注意补偿用户的功率因数,而不是立足于降低电力网的损耗。如为提高某电力负荷的功率因数,增设1台补偿箱,这固然会对降损有所帮助。但是如果要实现有效的降损,必须通过计算无功潮流,确定各点的最优补偿量、补偿方式,才能使有限的资金发挥最大的效益。这是从电力系统角度考虑问题的方法。
(2)谐波问题。
电容器具备一定的抗谐波能力,但谐波含量过大时会对电容器的寿命产生影响,甚至造成电容器的过早损坏;并且由于电容器对谐波有放大作用,因而使系统的谐波干扰更严重。另外,动态无功补偿柜的控制环节,容易受谐波干扰影响,造成控制失灵。
因而在有较大谐波干扰,又需补偿无功的地点,应考虑添加滤波装置。这一问题普遍被忽视,致使一些补偿设备莫名其妙地损坏。因而做无功补偿设计时必须考虑谐波治理。
(3)无功倒送问题。
无功倒送是电力系统所不允许的,因为它会增加线路和变压器损耗,加重线路负担。对于接触器控制的补偿柜,补偿量是三相同调的;对于晶闸管控制的补偿柜,虽然三相的补偿量可以分调,但是很多厂家为了节约资金,只选择一相做采样和无功分析。于是在三相负荷不对称的情况下,就可能造成无功倒送。至于采用固定电容器补偿方式的用户,在负荷低谷时,也可能造成无功倒送。选择补偿方式时,应充分考虑这一点。
(4)电压调节方式的补偿设备带来的问题。
有些无功补偿设备是依据电压来确定无功投切量的,这有助于保证用户的电能质量,但对电力系统而言却并不可取。因为虽然线路电压的波动主要由无功量变化引起,但线路的电压水平是由系统情况决定的。当线路电压基准偏高或偏低时,无功的投切量可能与实际需求相去甚远,出现无功过补或欠补。
4.无功补偿的效益
通过合理配置无功补偿设备,不仅可使功率消耗减小,功率因数提高,还可以充分挖掘设备输送功率的潜力。
(1)无功补偿改善电能质量
电网中无功补偿设备的合理配置,与电网的供电电压质量关系十分密切。合理安装补偿设备可以改善电压质量。
负荷(P+JQ)电压损失ΔU简化计算如下:
ΔU=(PR+QX)/U(1)
式中:U-线路额定电压,kV
P-输送的有功功率,kW
Q-输送的无功功率,kvar
R-线路电阻,Ω
X-线路电抗,Ω
安装补偿设备容量Qc后,线路电压降为ΔU1,计算如下:
ΔU1=[PR+(Q-Qc)X]/U(2)
很明显,ΔU1<ΔU,即安装补偿电容后电压损失减小了。由式(1)、(2)可得出接入无功补偿容量Qc后电压升高计算如下:
ΔU-ΔU1=QcX/U(3)
由于越靠近线路末端,线路的电抗X越大,因此从(3)式可以看出,越靠近线路末端装设无功补偿装置效果越好。
(2)无功补偿降低电能损耗
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
由cosφ提高到cosφ1,因为P=UIcosφ,负荷电流I与cosφ成反比,又由于P=I2R,线路的有功损失与电流I的平方成正比。当cosφ升高,负荷电流I降低,即电流I降低,线路有功损耗就成倍降低。反之当负荷的功率因数从1降低到cosφ时,电网元件中功率损耗将增加的百分数为ΔPL%,计算如下:
ΔPL%=(1/cos2φ-1)?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下:
功率因数从1降低到左列数值0.95、0.9、0.85、0.8、0.75、0.7、0.65
电网元件中有功损耗增加百分数△%、11、23、38、56、 78、104、136
功率因数提高对降低有功功率损耗的影响如下:
功率因数由右列数值提高到0.95、0.6、0.65、0.7、0.75、 0.8、0.85、0.9
可变有功功率损耗降低的百分数60、53、46、38、29、20、 10
(3)无功补偿挖掘发供电设备潜力
①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ΔP计算如下:
ΔP=P1-P=S(cosφ1-cosφ)(5)
②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ΔS计算如下:
ΔS=S-S1=P(1/cosφ-1/cosφ1)(6)
可以减少供电设备容量占原容量的百分比为ΔS/S计算如下:
ΔS/S=(cosφ1-cosφ)/cosφ1=(1-cosφ/cosφ1)(7)
③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。
⑷无功补偿减少用户电费支出
①可以避免因功率因数低于规定值而受罚。
②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。
5.结束语
通过对电力系统无功电源的合理配置和对无功负荷的最佳补偿, 是电网中提高系统运行电压,减小网损,提高系统稳定水平的有效手段,使电力系统能够安全经济运行。