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無功補償對節能降損的重要性
2015-03-25 14:57:55  瀏覽次數:
電網中的電力負荷如電動機、變壓器等,大部分屬于感性負荷,在運行過程中需向這些設備提供相應的無功功率。在電網中安裝并聯電容器等無功補償設備以后,可以提供感性電抗所消耗的無功功率,減少了電網電源向感性負荷提供由線路輸送的無功功率。由于減少了無功功率在電網中的流動,因此可以降低線路和變壓器因輸送無功功率造成的電能損耗,提高功率因數,達到節能降損的目的。近幾年來,棗莊電網進行無功補償的工作實踐進一步證明,無功補償是一項投資少,收效快的節能降損措施,對節能降損起到非常重要的作用。
  電網功率因數是指電網中的視在功率供給有功功率的消耗所占百分數。在電網的運行中,我們所希望的是功率因數越高越好,如能做到這一點,則電路中的視在功率將大部分用來供給有功功率,以減少無功功率的消耗。功率因數的高低,對于電力系統發、供、用電設備的充分利用,有著顯著的影響。適當提高功率因數,不但可以減少無功功率在電網上的流動,改善電壓質量,降低中低壓電網的供電損耗,充分的發揮發、供電設備的生產能力,而且可以提高用戶用電設備的工作效率,減少用戶的電能損耗,為用戶本身節約電能。因此,做好無功補償工作,提高各級電網的功率因數,降低電網的電能損耗,其社會效益及經濟效益都會是非常顯著的。
  1 進行無功補償的主要原因
  1.1 電力變壓器和異步電動機是耗用無功功率的主要設備
  變壓器消耗無功的主要成份是它的空載無功功率,它和負載率的大小無關。因而,為了減少變壓器的無功功率消耗,就不應讓變壓器空載運行或長其處于低負載運行狀態。異步電動機的定子與轉子間的氣隙是決定異步電動機需要較多無功的主要因素。而異步電動機所耗用的無功功率是由其空載時的無功功率和一定負載下無功功率增加值兩部分所組成。所以要減少異步電動機的無功功率消耗,就要防止電動機的空載運行并盡可能提高負載率。
  1.2 供電電壓超出規定范圍也會對電網無功功率造成很大的影響
  當供電電壓高于額定值的10%時,由于磁路飽和的影響,無功功率將增長得很快,據有關資料統計,當供電電壓為額定值的110%時,一般工廠的無功將增加35%左右。當供電電壓低于額定值時,無功功率也相應減少。但供電電壓降低會影響電氣設備的正常工作。所以,應當采取措施使電力系統的供電電壓盡可能保持穩定。
  由于以上原因,會造成電網無功缺額較大,使電網損耗增加。因此,應進行無功補償,實現無功的就地平衡,達到降損節能的目的。
 2 進行無功補償的一般方法
  無功補償可分為集中補償和就地補償,集中補償主要是在變電站低壓側母線上集中安裝電容器組;就地補償主要有三種方法:隨機補償、隨器補償、跟蹤補償。
  2.1 集中補償
  集中補償主要是在變電站低壓側母線上集中安裝的電容器組。它是通過無功電壓綜合自動控制裝置來自動控制電容器組的投切或根據無功潮流分布及電壓情況進行綜合判斷來投切電容器組。
  集中補償的優點:投資少,見效快,既能有效地補償變壓器的空載無功損耗,使該部分無功就地平衡,又能補償變壓器低壓側母線上所帶用戶負荷中的無功缺額,使低壓母線上的無功就地平衡。
  2.2 就地補償
  2.2.1 隨機補償
  隨機補償就是將低壓電容器組與電動機并接,通過控制、保護裝置與電機,同時投切。隨機補償適用于補償電動機的無功消耗,以補勵磁無功為主,此種方式可較好地限制農網無功峰荷。
  隨機補償的優點是:用電設備運行時,無功補償投入,用電設備停運時,補償設備也退出,而且不需頻繁調整補償容量。具有投資少、占位小、安裝容易、配置方便靈活,維護簡單、事故率低等。
  2.2.2 隨器補償
  隨器補償是指將低壓電容器通過低壓保險接在配電變壓器二次側,以補償配電變壓器空載無功的補償方式。配變在輕載或空載時的無功負荷主要是變壓器的空載勵磁無功,配變空載無功是農網無功負荷的主要部分,對于輕負載的配變而言,這部分損耗占供電量的比例很大。
  隨器補償的優點:接線簡單、維護管理方便、能有效地補償配變空載無功,使該部分無功就地平衡,從而提高配變利用率,降低無功網損,具有較高的經濟性,是目前補償無功最有效的手段之一。
 2.2.3 跟蹤補償
  跟蹤補償是指以無功補償投切裝置作為控制保護裝置,將低壓電容器組補償在大用戶0.4kV母線上的補償方式。適用于100kVA以上的專用配變用戶,可以替代隨機、隨器兩種補償方式,補償效果好。
  跟蹤補償的優點是運行方式靈活,運行維護工作量小,比前兩種補償方式壽命相對延長、運行更可靠。但缺點是控制保護裝置復雜、首期投資相對較大。但當這三種補償方式的經濟性接近時,應優先選用跟蹤補償方式。
  3 無功補償對線路損耗的作用
  在線路的負載中存在著大量感性負載,在輸送同樣的有功功率下,負載電流會提高,而線路損耗與電流的平方成正比增加。要降低線路損耗,就必須減少負載電流。
 三相電路中,功率損耗ΔP的計算公式為:
  △P=3I2R
  由于進行了無功補償,可使補償點以前的線路中通過的無功電流減小,減少了無功在電網中流動,線路中功率損耗大大下降,從而使線路的供電能力增加。因此,加強對線路的無功補償是降低線路損耗的一個重要措施。
  4 無功補償對變壓器損耗的影響
  在有功負荷一定,當無功功率缺額時,功率因數就要下降,變壓器損耗率(△A%)必然要增大。即
 
  式中:△P0為變壓器空載有功損耗,kW;Pf為實際有功負荷,kW;△Pk為負載損耗,kW。
  空載損耗大小與功率因數變化無關,負載損耗大小與功率因數的平方成反比,與負荷成正比。當負荷不變時,負載損耗與功率因數的變化有關。
  5 無功補償對提高功能因數、降低電能損耗的作用
  有功功率、無功功率、視在功率之間的關系如圖1所示
 
 
  式中
  S——視在功率,kVA
  P——有功功率,kW
  Q——無功功率,kvar
  φ角為功率因數角,它的余弦(cosφ)是有功功率與視在功率之比即cosφ=P/S稱作功率因數。
 由功率三角形可以看出,在有功功率一定的情況下,用電功率因數cosφ越小,則所需的無功功率越大。如果無功功率不是由電容器提供,則必須由輸電系統供給,為滿足用電的要求,供電線路和變壓器的容量需增大。這樣,不僅增加供電投資、降低設備利用率,也將增加線路損耗。為此,國家供用電規則規定:無功電力應就地平衡,用戶應在提高用電自然功率因數的基礎上,設計和裝設無功補償設備,并做到隨其負荷和電壓變動及時投入或切除,防止無功倒送。還規定用戶的功率因數應達到相應的標準,否則供電部門可以拒絕供電。因此,無論對供電部門還是用電部門,對無功功率進行自動補償以提高功率因數,防止無功倒送,從而節約電能,提高運行質量都具有非常重要的意義。
  無功補償的基本原理是把具有容性功率負荷的裝置與感性功率負荷并聯接在同一電路,能量在兩種負荷之間相互交換。這樣,感性負荷所需要的無功功率可由容性負荷輸出的無功功率補償。
  如圖2 所示圖中
 
  P——有功功率
  S1——補償前的視在功率
  S2——補償后的視在功率
  Q1——補償前的無功功率
  Q2——補償后的無功功率
  φ1——補償前的功率因數角
  φ2——補償后的功率因數角
  由圖示可以看出,在有功功率P一定的前提下,進行無功功率補償以后(補償量Qc=Q1-Q2),功率因數角由φ1減小到φ2,則cosφ2>cosφ1提高了功率因數。
  電網元件中功率損耗百分數為ΔP%,計算如下:  
ΔP%=(1- cosφ12/cosφ22)×100
由此可推算出提高功率因數與降低有功損耗百分率的關系如下表:
  提高功率因數與降低有功損耗百分率典型數據計算表
 
  6 無功補償對節能降損的重要作用實例分析
  電容器安裝容量的選擇,可根據使用目的的不同,按改善功率因數,提高運行電壓和降低線路損失等因素來確定。
  按改善功率因數確定補償容量的方法簡便、明確,為國內外所通用。根據功率補償圖(如圖2)中功率之間的向量關系,可以求出無功補償容量Qc,
  或      (kvar)
  式中
  P——最大負荷月的平均有功功率,kW;
  tgφ1、tgφ2——補償前后功率因數角的正切值;
  cosφ1、cosφ2——補償前后功率因數值。
近幾年來,棗莊電網特別是中低壓電網進行了很大改造和完善,單就提高中低壓電網功率因數這項工程進行了很大投資,同時也降低了電能損耗,取得了很高的經濟效益。下面舉幾個實例加以分析:
  6.1 110kV洪續變電站正常運行方式為一臺50MVA變壓器運行,10kV側有功負荷為12MW,無功負荷為6Mvar,10kV側功率因數為0.89,因一期工程沒有安裝電容器組,所以功率因數偏低。根據這種情況,我們列入了專項節能降損資金,裝設了一組4800kvar的電容器組。將電容器組投入運行后。無功功率負荷得到了充分的補償,補償后的功率因數cosφ2為:
  cosφ2=cos[arctg(Q1-QC)/P]
  =cos[arctg(6000-4800)/12000]
  =0.99
  由于功率因數的提高,使功率損耗下降了不少。現計算如下:
  功率因數從cosφ1提高到cosφ2,有功負載損耗降低百分率為:
  ΔP%=((1- cosφ12/cosφ22)•100
  =[1-0.892/0.992 ]*100
  =19.18%
  由此看來,投入了4800kvar的電容器組后,使功率因數提高了10個百分點,而使洪續變電站有功負載損耗降低了19.18%,每年可降低電能損耗約90萬kWh,這是非常可觀的經濟效益。
  6.2 山亭供電部10kV桑西線,有功負荷為800kW、無功負荷為450kVAR、功率因數為0.87,整條線路線損率較高。近幾年來我們開展了降低工程,為降低線損,要使功率因數提高到0.95,需要在10kV桑西線上加裝多大的電容器進行補償?這樣,線損率能降低多少?現計算如下:
  加裝的電容器補償容量為:
 
  =800[0.57-0.33]=192(kvar)
  線損率降低百分率為:
  ΔP%=(1- cosφ12/cosφ22)•100
  =[1-0.872/0.952]*100
  =16.13%
  由此看來,功率因數由0.87提高到0.95,需要加裝的電容器容量為192(kvar),而使線損率降低百分率為16.13%。
  6.3 薛城供電部#16配電變壓器容量為300kVA,負荷功率為200kW,功率因數為0.85,為降低有功損耗,將功率因數提高到0.95,需要加裝多大的電容器補償容量(kvar)?由此能降低多少有功負載損耗百分率?
  電容器補償容量由:
 
  =200[0.62-0.33]=58(kvar)
  有功負載損耗降低百分率為:
ΔP%=((1- cosφ12/cosφ22)×100
  =[1-0.852/0.952]×100
  =19.94%
  由此看來,該配電變壓器功率因數由0.87提高到0.95,需要加裝的電容器容量為58(kvar),而使有功負載損耗降低百分率為19.94%。
  通過以上幾個實例可以看出,在中低壓電網中加裝適當容量的無功補償電容器,可以提高功率因數;而提高功率因數又可以降低電網的電能損耗,從而帶來很大的經濟效益。近幾年來,我們充分利用城農改造的機會,在變電站集中裝設無功補償電容器,在全網配電系統合理裝設了無功補償電容器。使全網配電系統功率因數由原來的0.89提高到0.92,全網有功損耗降低百分率為6.35%,每年降低電能損耗1800萬kWh,折合經濟效益為900萬元。
 7 結束語
  文中主要分析了進行無功補償對電網中的線路、變壓器等設備節能降損的重要作用。并通過列舉了工作中的一些實例,驗證了進行無功補償可以提高電網的功率因數,降低電能損耗。通過計算,用數據證明了進行無功補償對節能降損的重要作用和取得顯著的經濟效益。
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