電氣設(shè)備中的無功功率補償
2021-04-09 10:09安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院
電子世界 2021年13期
安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 袁 昕 劉 旭
我們生活中常見的電動機(jī)、變壓器都利用了電磁感應(yīng)原理，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。但是在兩種能量的轉(zhuǎn)化過程中需要依靠交變磁場來實現(xiàn)響應(yīng)的轉(zhuǎn)化目的，也就是說電能和機(jī)械能不能直接進(jìn)行轉(zhuǎn)換。交變磁場以及感應(yīng)磁通過程中消耗的功率就是無功功率，但是這里所指的無功功率與物理中的無用功率是兩個概念，物理中的無用功率主要是指消耗的能量以熱能的形式排放，之所以被稱之為無用功率其實就是沒有任何顯示意義。不過無功功率與機(jī)械能、熱能之間都不存在轉(zhuǎn)化關(guān)系，但是無功功率卻是很多用電設(shè)備正常工作所需的；如果供電系統(tǒng)中存在無功功率供應(yīng)不足的情況就會導(dǎo)致用電設(shè)備無法正常工作。
1 無功功率補償?shù)哪康?/h2>1.1 影響功率因數(shù)的主要因素
（1）在整個電力系統(tǒng)中對于無功功率需求較大的設(shè)備就是電感性設(shè)備。這些設(shè)備主要以感應(yīng)電爐、異步電動機(jī)為主，因此要想解決無功功率不足的問題不能夠僅僅通過提高電力系統(tǒng)的無功功率供給來進(jìn)行解決，因為這種解決方式將帶來較大的資金消耗，違反了經(jīng)濟(jì)性原則，必須要對這些設(shè)備的運行狀態(tài)以及相關(guān)特征進(jìn)行透徹的研究與分析，然后再根據(jù)分析的結(jié)果來確定解決無功功率需求不足的問題。通過對用電部門發(fā)布的調(diào)查數(shù)據(jù)報告進(jìn)行分析可知異步電動機(jī)在工礦企業(yè)中所消耗的無功功率占到了70%；對于異步電動機(jī)而言，運行狀態(tài)下如果沒有與負(fù)載進(jìn)行連接其內(nèi)部的無功功率占總功率的百分比大概為70%。因此解決異步電動機(jī)功率因素低的方法就是增加異步電動機(jī)的負(fù)載，企業(yè)的設(shè)備管理人員需要避免異步電動機(jī)長期處于空載狀態(tài)。
（2）對于變壓器而言其運行狀態(tài)下無功功率所占的比例一般在10%～15%之間，變壓器處于滿載狀態(tài)下消耗的無功功率是空載狀態(tài)下的3倍。所以要想緩解電力系統(tǒng)的供電壓力以及增加用電設(shè)備的功率因素就需要對變壓器的運行狀態(tài)進(jìn)行控制，避免其處于空載狀態(tài)。
（3）如果輸入用電設(shè)備的電壓大于設(shè)備的額定電壓就會導(dǎo)致用電設(shè)備的功率因素下降。根據(jù)檢測的結(jié)果可知，如果供電系統(tǒng)輸送給用電設(shè)備的電壓值超過額定電壓的10%就會使得用電設(shè)備消耗的無功功率上升35%，造成這一現(xiàn)象的主要原因是磁路飽和。雖然電力系統(tǒng)中的供電電壓值比用電設(shè)備額定電壓值小時會使得功率因素增加，而且消耗的無功功率也會降低，不過用電設(shè)備的輸入電壓不能夠達(dá)到額定值就會導(dǎo)致其功能受到干擾，不具備正常運轉(zhuǎn)的能力，這顯然是不可取的一種解決方法。只有將供電電壓控制在一定的范圍內(nèi)，避免其出現(xiàn)較大范圍的浮動才是正確的解決方法。
1.2 提高自然功率因數(shù)的方法
對于自然功率因素的增加主要是通過科學(xué)的管理方法以及技術(shù)手段來實現(xiàn)的，而無須購買補償設(shè)備。相對于其他提高自然功率因素的方法而言，其主要的優(yōu)勢在于成本非常低。主要有以下幾種方法：
（1）嚴(yán)格遵循電動機(jī)使用手冊來進(jìn)行電動機(jī)的使用以及日常維護(hù)。
（2）定期對異步電動機(jī)進(jìn)行維修，確保其處于正常的運轉(zhuǎn)狀態(tài)。（3）盡可能的選擇同步電動機(jī)來代替異步電動機(jī)。
2 無功補償方法
2.1 無功功率的人工補償裝置
并聯(lián)電容器是工程實踐過程中比較常見的一種進(jìn)行無功功率補償?shù)姆椒?。主要包括三種并聯(lián)電容器的補償方法：
（1）高壓集中補償電容器的安裝位置是高壓電容器室中，而且直接和高壓母線連接。
（2）低壓集中補償電容器的安裝位置是低壓容器中，而且直接和低壓母線進(jìn)行連接。一般選擇放電電阻以及指示燈作為放電口。
（3）低壓分散補償電容器的安裝位置是與低壓配電箱連接在一起，還有另外一種連接方式就是和用電設(shè)備進(jìn)行并聯(lián)。該裝置主要是通過用電設(shè)備的繞組來完成放電。
2.2 無功補償裝置的安裝方法
（1）低壓個別補償
所謂低壓個別補償?shù)膶嶋H含義是當(dāng)用電設(shè)備的作用非常關(guān)鍵但是供電系統(tǒng)對于無功功率供給不足的情況下來通過低壓電容器和這些設(shè)備進(jìn)行并接以此來確保用電設(shè)備無功功率需求得到滿足。一般這種連接方式下電容器和設(shè)備在電路中處于同一斷路器的控制之下。主要是為了這些電容器單獨為制定用電設(shè)備服務(wù)。這種無功功率補償方式的主要優(yōu)勢在于成本比較低、對于技術(shù)要求不高、維護(hù)難度低、穩(wěn)定性高。
（2）低壓集中補償
低壓集中補償?shù)闹饕砭褪且揽康蛪洪_關(guān)把低壓電容器并接在低壓母線側(cè)，這種連接方式中起控制作用以及保護(hù)作用的裝置是無功補償投切裝置，其主要的動作條件就是所處線路上的無功負(fù)荷，如果無功負(fù)荷比較大就會使得投切裝置動作，從而對線路上的用電設(shè)備進(jìn)行無功功率補償。低壓集中補償方式相對于其他補償方式的主要優(yōu)勢在于管理難度低、接線非常便捷、網(wǎng)損非常低。這種補償方式的實踐運用也非常廣泛。
（3）高壓集中補償
進(jìn)行高壓集中補償時首先需要將電容器進(jìn)行并聯(lián)組合成電容器組。然后將電容器組連接在高壓母線上來實現(xiàn)無功功率補償。這種補償方式的特征非常明顯就是補償點與實際用電端的距離比較遠(yuǎn)，因此其的應(yīng)用場景就是用電設(shè)備處于電力輸送路徑的尾端，而處于這一位置的用電設(shè)備如果屬于高壓負(fù)荷的范疇就會導(dǎo)致對于電力系統(tǒng)中的無功需求降低而且還會通過電網(wǎng)來反饋一定的無功功率。一般會根據(jù)檢測到的負(fù)荷數(shù)據(jù)來作為投切的依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)，以此來確定投入使用的補償裝置數(shù)量，這種自動投切方式的主要好處在于能夠使得功率因數(shù)處于一個較高的水平，有利于節(jié)約成本。
2.3 集中補償和分組補償
（1）集中補償
這種裝設(shè)方式與分散補償方式相比，具有以下優(yōu)點：
①能方便的同電容器組的自動投切裝置配套，自動追蹤無功功率變化而改變用戶的補償容量，避免在總的補償水平上產(chǎn)生過補償或欠補償，從而使用戶功率因數(shù)始終保持在規(guī)定范圍之內(nèi)。在這種意義上講，可使用戶達(dá)到最優(yōu)補償。
②集中補償有利于控制用戶本身的無功潮流，避免受電力網(wǎng)的電壓變化或負(fù)荷變化而產(chǎn)生過大的電壓波動。當(dāng)電壓波動超過允許范圍時，可借助自動投切裝置調(diào)準(zhǔn)母線電壓水平，以改善電壓質(zhì)量。
③電容器組的基本容量是根據(jù)用戶正常負(fù)荷需要確定的，運行時間長，利用率高，補償效益就高；而且集中補償方式在運行維護(hù)上較為方便，事故率相對減少，相應(yīng)的提高了補償效益。
缺點：
這種方式只能減少裝設(shè)點以上線路和變壓器因輸送無功功率所造成的損耗，而不能減少用戶內(nèi)部通過配電線路向用電設(shè)備輸送無功功率所造成的損耗。其降損節(jié)電效益必然受到限制。這也就是說，集中補償容量再多，起作用僅限于減少變壓器本身及以上配電線路的無功損耗。
（2）分組補償
優(yōu)點：
①分組不常有利于對無功進(jìn)行內(nèi)部分區(qū)控制，實現(xiàn)無功負(fù)荷分區(qū)平衡，減少無功功率在變配電站以下配電線路中的流動，使內(nèi)部線損顯著降低。
②對于實行分車間考核用電指標(biāo)的用戶，分組補償有利于分車間加強(qiáng)無功電力管理，提高本車間的功率因數(shù)，降低產(chǎn)品單耗和生產(chǎn)成本。
③分組電容器的投切隨車間總的負(fù)荷水平而變化，其利用率較單臺補償高；分組補償也比單臺電動機(jī)易于控制和管理。
缺點：
①不如集中補償便于管理。
②如果在車間裝設(shè)電容器未能分組，則補償容量無法調(diào)整，可能會出現(xiàn)過補償或欠補償。
③如果只進(jìn)行分組補償，則用戶變壓器消耗無功功率必須由車間電容器向上倒送，或由電網(wǎng)輸送，顯然效果不好。
④分組補償?shù)囊淮涡酝顿Y大于集中補償。
補償方式的選擇原則：以移相電容器為主，全面規(guī)劃，合理布局，分散補償，就地平衡，自動控制，集中調(diào)節(jié)。
集中調(diào)節(jié)與分散補償相結(jié)合，以分散補償為主；調(diào)節(jié)補償與固定補償相結(jié)合，以固定補償為主；高壓補償和低壓補償相結(jié)合，以低壓補償為主。實現(xiàn)提高功率與降損并重為目的。
3 無功補償初步計算
假設(shè)在進(jìn)行補償之前有功功率是164.83KW，無功功率是101.65Kvar，視在計算負(fù)荷為193.65Kva。
通過表達(dá)式cos φ=Pc / Sc可以計算出功率因數(shù)值為0.85。
通過表達(dá)式：Qn.c=Pc(tanφ－tan'φ)能夠大致確定無功補償容量是70.21Kvar，功率因數(shù)的目標(biāo)值為0.92。
通過上述中補償前后的數(shù)據(jù)對比分析可知補償后功率因數(shù)是0.921，因此功率因數(shù)目標(biāo)值得以實現(xiàn)。
4 無功補償?shù)暮锰?/h2>
（1）補償無功功率，就是提高微電網(wǎng)的功率因數(shù)，這等同于提高微電網(wǎng)的效率，降低變壓器的負(fù)荷，減少變壓器的損耗。
（2）降低電網(wǎng)中的功率損耗和電能損失；通過無功補償，可以減少微電網(wǎng)的線路損耗，直接降低電能消耗，減少用電成本。
（3）改善電能質(zhì)量，提高用電設(shè)備的工作效率和降低故障率；無功補償可以提高電能質(zhì)量，使電壓和頻率更穩(wěn)定率，濾出一定的電力諧波，從而保證用電設(shè)備工作更穩(wěn)定，工作效率更高，降低電設(shè)備的故障率，等同于提高設(shè)備效益。
（4）減小變壓器等設(shè)備的投入，節(jié)省投資。微電網(wǎng)的功率因數(shù)提高以后，微電網(wǎng)的負(fù)載就降低，同樣的變壓器，可以給更多的設(shè)備供電，這就減少變電設(shè)備的投入，間接提高經(jīng)濟(jì)效益。
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