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无功功率的基本原理及其补偿方法

北极星电力网技术频道    作者:佚名   2007/12/26 21:44:24   

 关键词:  变压器 无功功率 无功

摘要:交流异步电机广泛用于工业与民用系统。但不少电机负荷率低,常处于轻载或空载状态,无功功率消耗比有功功率大,电能浪费严重。因此采用无功补偿,提高功率因数、节约电能、减少运行费用是很有效的措施。本文对无功补偿的种类、特点、作用、经济效益等进行了论述。
关键词:无功功率补偿的技术经济特点  交流异步电机在工业与民用建筑系统中应用广泛。在民用范围中运行机械多为连续运行,不调速,操作不频繁的场合,如风机、水泵、冷冻机多为结构简单,易维护的异步电动机。在工矿企业中,不少电动机负荷率低,经常处于轻载或空载状态,功率因数普遍不高。负荷率低,则功率因数愈低,无功功率相对于有功功率的百分比更大,显著地浪费电能。因此对异步电动机采用无功功率补偿以提高功率因数,节约电能,减少运行费用,提高电能质量,符合我国节约能源的国策,同时亦给企业带来经济效益。  1 无功功率补偿的种类和特点  1.1 集中补偿  在高低压配电所内设置若干组电容器,电容器接在配电母线上,补偿供电范围内的无功功率,如图1所示。1.2 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,对附近的电动机进行无功补偿,如图2所示。  1.3 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。图3为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。图3a为经常操作者,采用接触器;为非经常操作者,采用空气断路器;为高压电容器直接单独就地补偿,宜采用真空开关。图4为不采用控制设备,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。如采用控制设备,如图5所示,为控制式单独就地补偿,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。  2 无功功率补偿的作用  2.1 改善功率因数及相应地减少电费  根据国家水电部,物价局颁布的“功率因数调整电费办法”规定三种功率因数标准值,相应减少电费:  (1)高压供电的用电单位,功率因数为0.9以上。  (2)低压供电的用电单位,功率因数为0.85以上。  (3)低压供电的农业用户,功率因数为0.8以上。  根据“办法”,补偿后的功率因数以分别不超出0.95、0.94、0.92为宜,因为超过此值,电费并没有减少,相反初次设备增加,是不经济的。  2.2 降低系统的能耗  功率因数的提高,能减少线路损耗及变压器的铜耗。  设R为线路电阻,ΔP1为原线路损耗,ΔP2为功率因数提高后线路损耗,则线损减少  ΔP=ΔP1-ΔP2=3R(I12-I22)(1)   比原来损失减少的百分数为  (ΔP/ΔP1)×100%=1-(I2/I1)2·100%(2)   式中,I1=P/(3U1cosφ1),I2=P/(3U2cosφ2)补偿后,由于功率因数提高,U2>U1,为分析方便,可认为U2≈U1,则  θ=[1-(cosφ1/cosφ2)2]·100%(3)   当功率因数从0.8提高至0.9时,通过上式计算,可求得有功损耗降低21%左右。在输送功率P=3UIcosφ不变情况下,cosφ提高,I相对降低,设I1为补偿前变压器的电流,I2为补偿后变压器的电流,铜耗分别为ΔP1,ΔP2;铜耗与电流的平方成正比,即  ΔP1/ΔP2=I22/I12  由于P1=P2,认为U2≈U1时,即  I2/I1=cosφ1/cosφ2可知,功率因数从0.8提高至0.9时,铜耗相当于原来的80%。  2.3 减少了线路的压降  由于线路传送电流小了,系统的线路电压损失相应减小,有利于系统电压的稳定(轻载时要防止超前电流使电压上升过高),有利于大电机起动。  2.4 增加了供电功率,减少了用电贴费  对于原有供电设备来讲,同样的有功功率下,cosφ提高,负荷电流减小,因此向负荷传输功率所经过的变压器、开关、导线等配电设备都增加了功率储备,发挥了设备的潜力。对于新建项目来说,降低了变压器容量,减少了投资费用,同时也减少了运行后的基本电费。  3 就地补偿与集中补偿的技术经济分析  3.1 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,如图6所示。因此,为防止产生自励,可按下式选用电容  QC=0.93UI0            (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。我国并联电容器国标规定:“工频长期过电压值最多不超过1.1倍额定电压。”因此必须符合QC<0.1Ss的条件。  (3)防止产生谐振。  (4)防止受到系统谐波影响。  对于有谐波源的供电线路,应增设电抗器等措施,使谐波影响不致造成电容器损坏。  3.2 两者比较  就地补偿较集中补偿,更具节能效果。  4 电容补偿控制及安装方式的选择  4.1 就地补偿与集中补偿的有关规定  (1)GB12497—90《三相异步电动机经济运行》第7.6条规定:50kW以上的电动机应进行功率因数就地补偿。  (2)GB3485—83《评估企业合理用电技术导则》第2.9条规定:100kW以上的电动机就地补偿无功功率。  (3)GB50052—95《供配电设计规范》第5.03及5.0.10规定。  (4)国外用电委员会法规与专业学报均有类似规定与刊载。  4.2 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,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。  4.3 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;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。
  4.4 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;为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。
5 电容补偿容量的选定
  5.1 集中补偿容量确定  先进行负荷计算,确定有功功率P30和无功功率Q30,补偿前自然功率因数为cosφ1,要补偿到的功率因数为cosφ2。则 QC=αP30(tgφ1-tgφ2) α为平均负荷因数。  5.2 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。可用式(4)计算。  6 结合工程实例谈电容补偿的应用  以某大型项目中能源中心为例,该项目设备装机容量约为21000多千瓦,其中高压电动机设备容量为5400多千瓦,其他低压设备容量为5000多千瓦。供电电源的电压等级为10kV。本着“节能、高效”的方针,初次尝试了采用燃汽轮机发电机组自发电,冷、热、电三联供,做到汽电共生,实现能源综合利用。经过经济分析,采用10kV作为高压电动机的供电电压等级,投资较省,同时亦减少变电环节,也就减少了故障点。根据负荷计算,共采用六路10kV电源,分别对高压电动机直配。  在这个项目中,高压电动机主要用于空调系统中的中央空调机组,以及主机的外部设备——冷冻水循环泵和冷却水循环泵多台设备。这些设备单机容量很大,离心机组单机最大达2810kW(共5台),小的870kW(共4台),冷冻水循环泵单机560kW(共9台),冷冻水循环泵单机亦有380kW(共3台),自然功率因数在0.8左右。如果在10kV配电室集中补偿电容,不采用高压无功自动补偿的话,如此大容量的电动机起、停会使10kV侧功率因数不稳定,有可能造成过补偿,引起系统电压升高。同时,从配电室至冷冻机房高压电动机的线路最近50m,最远140m,线路损耗相当可观,综合考虑到高压自动补偿元件、技术、价格均要求高,因此采用高压电容器就地补偿,与电动机同时投切。高压电容器组放置在电动机附近。这些电动机采用自耦降压起动方式,高压就地补偿装置以并联电容器为主体,采用熔断器做保护,装设避雷器用于过电压保护,串联电抗器抑制涌流和谐波。这样做,不仅提高了电动机的功率因数,降低了线路损耗,同时释放了系统容量,缩小了馈电电缆的截面,节约了投资。  对于低压设备,由二台1000kVA及二台1600kVA变压器配出,低压电机布置较分散,因此,在变电所变压器低压侧采用电容器组集中自动补偿。虽然一些低压电动机的容量也不小,就地补偿的经济效益亦有,但这些设备主要用于锅炉房和给排水设备,锅炉房的设备不如冷冻机房集中,环境较差,管理不便,因此,在低压配电室采用按功率因数大小自补偿是较合适的。  7 总结  对无功功率进行补偿的节能效果是有目共睹的,在应用的过程中,还应该在技术经济上综合考虑,根据具体情况进行分析,来决定是采用集中补偿还是就地补偿,还是两者综合采用,从而达到使电气设备经济运行的目的。

来源:中国电力资料网
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