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        某輸電系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償容量分析計(jì)算

        2018-04-26 11:01:00顏建全石強(qiáng)
        關(guān)鍵詞:無(wú)功補(bǔ)償功率因數(shù)

        顏建全 石強(qiáng)

        摘 要:輸電系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償,因?yàn)樘岣吡擞脩?hù)的功率因數(shù),所以也就提高了電工設(shè)備的利用率。而從另一個(gè)角度講,輸電系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償,由于減少了電力網(wǎng)絡(luò)的有功損耗,合理地控制電力系統(tǒng)的無(wú)功功率流動(dòng),因此也就提高了電力系統(tǒng)的電壓水平,改善了電能的質(zhì)量。除此之外,在動(dòng)態(tài)的無(wú)功補(bǔ)償裝置上,配置適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)器,可以改善電力系統(tǒng)的的動(dòng)態(tài)性能,從而也提高了輸電線路的輸電性能和穩(wěn)定性。所以本文從提高電力系統(tǒng)的使用效率出發(fā),對(duì)于已知輸電系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償計(jì)算,以達(dá)到提高電能使用效率的目的。

        關(guān)鍵詞:無(wú)功補(bǔ)償;功率因數(shù);備用容量

        中圖分類(lèi)號(hào):TM421 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        1 無(wú)功補(bǔ)償原理

        在交流電路中,由電源供給負(fù)載的電功率有兩種;一種是有功功率,一種是無(wú)功功率。有功功率是保持用電設(shè)備正常運(yùn)行所需的電功率,是將電能轉(zhuǎn)換為其他形式能量(機(jī)械能、光能、熱能)的電功率。

        無(wú)功功率比較抽象,它是電路內(nèi)電場(chǎng)與磁場(chǎng)的交換,在電氣設(shè)備中建立和維持磁場(chǎng)的電功率。它不對(duì)外作功,而是轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰俊7彩怯须姶啪€圈的電氣設(shè)備,要建立磁場(chǎng),就要消耗無(wú)功功率。然而它不是無(wú)用功率,它的用處很大。電動(dòng)機(jī)需要建立和維持旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng),從而帶動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng),電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)就是靠從電源取得無(wú)功功率建立的。變壓器也同樣需要無(wú)功功率,才能使變壓器的一次線圈產(chǎn)生磁場(chǎng),在二次線圈感應(yīng)出電壓。因此,沒(méi)有無(wú)功功率,電動(dòng)機(jī)就不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng),變壓器也不能變壓,交流接觸器不會(huì)吸合。

        2 變電站基本情況敘述

        發(fā)電機(jī): PN=50MW,cosφ=0.85,VN=10.5kV

        變壓器T-1 每臺(tái):SN=31.5MVA, ?P0=38.5kW,?Ps=148kW,I0%=0.8, Vs%=10.5,kT=121/10.5

        變壓器T-2 變比kT=110/11,其余參數(shù)同T-1

        線路每回每公里 r0=0.165Ω, x0=0.409Ω, b0=2.82×10-6 S

        根據(jù)無(wú)功功率平衡需要確定無(wú)功補(bǔ)償容量。

        3 相關(guān)參數(shù)計(jì)算以及等效電路圖繪制

        3.1 電力系統(tǒng)的組成

        自從電能產(chǎn)生以后,電能作為一種新型的能源迅速走進(jìn)了人們的生活。由于其轉(zhuǎn)換形式多樣(如可以通過(guò)機(jī)械能,光能,化學(xué)能等轉(zhuǎn)換為電能)。而傳輸也相對(duì)便捷易于實(shí)現(xiàn),因此電能在工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及交通運(yùn)輸業(yè)等方面都有著廣泛應(yīng)用。同時(shí)電能作為原動(dòng)力的一種,可以大大的促進(jìn)先關(guān)領(lǐng)域的機(jī)械化,所以提高電氣化水平,以電能代替其他形式的能源是節(jié)約總能源消耗的一種有效途徑。

        而發(fā)電廠是將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能的工廠,電能通過(guò)變壓器和不同級(jí)別的輸電線路輸送到各個(gè)用戶(hù),再通過(guò)各種用電設(shè)備即可完成能量之間的相互轉(zhuǎn)換。而電力系統(tǒng)中的輸送電力網(wǎng)絡(luò),我們俗稱(chēng)輸電網(wǎng),其主要包含升壓變壓器,降壓變壓器以及輸電等級(jí)不同的輸電線路。其主要輸送方式一般也為交流輸送。

        3.2 電阻和電抗

        3.2.1 輸電線的電阻

        一般來(lái)說(shuō),有色金屬導(dǎo)線的單位長(zhǎng)度的電阻和電路中的電阻定義相同,所以其電阻值和金屬的長(zhǎng)度、導(dǎo)體的電阻率成正比關(guān)系,與橫截面成反比關(guān)系,即:

        (1)

        其中r為導(dǎo)線的單位長(zhǎng)度電阻;ρ為導(dǎo)線的材料電阻率;A為橫截面積。

        在一般電力系統(tǒng)計(jì)算中,由于導(dǎo)線的實(shí)際面積比標(biāo)稱(chēng)面積略小并且由于集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的存在,導(dǎo)線內(nèi)電流一般都會(huì)分布不均衡,所以實(shí)際電阻率會(huì)略大于這理論上的 直流電阻率。

        3.2.2 輸電線的電抗

        由于導(dǎo)線中通過(guò)三相對(duì)稱(chēng)電流時(shí),會(huì)產(chǎn)生交變的磁場(chǎng),所以在三項(xiàng)輸電線路中每項(xiàng)線路都會(huì)存在自感和互感,所以根據(jù)安培環(huán)路定律,最終可以得到單導(dǎo)線單位長(zhǎng)度的電抗為:

        (2)

        其中,r為導(dǎo)線半徑,μr為導(dǎo)線的相對(duì)磁導(dǎo)率;Dm為三項(xiàng)導(dǎo)線的幾何距離。

        3.3 變壓器

        3.3.1 理想變壓器

        一般來(lái)說(shuō),我們所謂的理想變壓器是指繞組電阻為零,鐵芯磁導(dǎo)率無(wú)窮大的一種理想形式。同時(shí)在理想變壓器中也不會(huì)計(jì)算漏磁通(鐵芯的一次二次繞組相交鏈的磁通);不計(jì)鐵芯損耗。但是實(shí)際中,這種理想狀態(tài)的變壓器是不存在的,所以在計(jì)算雙繞組變壓器時(shí),會(huì)進(jìn)行如下考慮:

        (1)計(jì)算繞組電阻。

        (2)鐵芯磁導(dǎo)率為有限值。

        (3)磁通不完全由鐵芯構(gòu)成。

        (4)計(jì)算鐵芯的有功和無(wú)功損耗。

        3.3.2 變壓器相關(guān)參數(shù)計(jì)算

        (1)阻抗計(jì)算

        變壓器的阻抗公式一般可以寫(xiě)為:

        (3)

        其中,RT為變壓器每項(xiàng)繞組的總電阻,UN為額定電壓,PK為額定功率,SN為額定容量。

        (2)導(dǎo)納的計(jì)算

        電力系統(tǒng)中,變壓器歷次之路的導(dǎo)納可以用如下公式表示:

        (4)

        其中:BT為變壓器導(dǎo)納,IO為空載變壓器的電流百分?jǐn)?shù),SN為變壓器額定容量,UN為變壓器額定電壓。

        3.4 輸電系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算

        3.4.1 變壓器T-1并聯(lián)

        3.4.2 變壓器T-2并聯(lián)

        3.4.3 輸電線路

        ZL=RL+jXL=0.5×(0.165+j0.409)×100Ω

        =(8.25+j20.45)Ω

        3.4.4 等效電路(圖1)

        圖1等效電路圖

        4 電力系統(tǒng)的穩(wěn)定

        4.1 電力系統(tǒng)穩(wěn)定的條件

        為了保證電力系統(tǒng)的有效運(yùn)行,電力系統(tǒng)的穩(wěn)定必須滿足以下條件:

        (1)在滿足經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行的前提下,必須要保證每一臺(tái)發(fā)電機(jī)的輸出接近預(yù)選設(shè)定值。

        (2)確保鏈路先潮流低于線路熱極限和電力系統(tǒng)穩(wěn)定極限。

        (3)確保中暑節(jié)點(diǎn)母線上的電壓水平在允許范圍內(nèi),必須是用無(wú)功功率補(bǔ)償來(lái)達(dá)到。

        (4)區(qū)域電網(wǎng)是互聯(lián)系統(tǒng)的一部分,必須執(zhí)行合同規(guī)定的輸送計(jì)劃。

        (5)用障礙前的潮流控制策略使事故擾動(dòng)效應(yīng)最小化。

        4.2 潮流計(jì)算與電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行

        所謂的潮流是指發(fā)電機(jī)母線上的功率被注入網(wǎng)絡(luò),而在配電站的母線上接入負(fù)荷,期間功率在網(wǎng)絡(luò)間流動(dòng),這種流動(dòng)的功率在電力生產(chǎn)部門(mén)成為潮流。而配電網(wǎng)的潮流計(jì)算式配電網(wǎng)絡(luò)分析的基礎(chǔ),配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu),無(wú)功功率的優(yōu)化以及狀態(tài)估計(jì)或處理都屬于配電網(wǎng)潮流計(jì)算的一部分。

        通常情況下,輸電線路上的電壓在輕載時(shí)較高,接入重載時(shí)會(huì)較低。而這個(gè)過(guò)程往往需要電壓調(diào)整,也就是當(dāng)負(fù)載由輕載變?yōu)闈M載時(shí)需要調(diào)整線路的電壓來(lái)滿足運(yùn)行的需求。一般來(lái)說(shuō)超高壓輸電線路的電壓要維持額定電壓的±5%以?xún)?nèi);低壓維持在額定電壓的10%以?xún)?nèi)。

        5 無(wú)補(bǔ)償功率平衡計(jì)算

        用負(fù)荷功率計(jì)算變壓器繞組損耗和線路損耗有

        所以發(fā)電機(jī)端的輸電系統(tǒng)總功率需求為:

        所以此時(shí)無(wú)功缺額達(dá)到

        (37.618-26.196)Mvar=11.422Mvar

        因此根據(jù)無(wú)功功率缺額的初步計(jì)算,在T-2低壓側(cè)設(shè)置10Mvar補(bǔ)償容量,補(bǔ)償前負(fù)荷功率因數(shù)為0.8,則補(bǔ)償后的負(fù)荷功率因數(shù)為0.895??紤]到補(bǔ)償后香爐和變壓器繞組損耗還會(huì)減小,所以發(fā)電機(jī)能在額定功率因數(shù)附近運(yùn)行。

        6 補(bǔ)償后的功率平衡計(jì)算

        6.1 無(wú)功功率平衡

        在常見(jiàn)的電力系統(tǒng)中,無(wú)功功率電源除了發(fā)電機(jī)以外還有調(diào)相機(jī)、電容器、靜止補(bǔ)償器等分散在各個(gè)變電站內(nèi)。而在電力系統(tǒng)中為了保證用功功率的 平衡,系統(tǒng)往往會(huì)只有一個(gè)頻率,所以有功功率平衡為在一個(gè)頻率下的平衡。另一方面,在電力系統(tǒng)中除了保持有功平衡以外還要保持無(wú)功平衡,無(wú)功平衡要滿足眾多節(jié)點(diǎn)的電壓需求,同時(shí)也要滿足全系統(tǒng)的平衡需求以及地區(qū)的平衡需求。因此我們不妨這樣理解無(wú)功平衡,電力系統(tǒng)的電源必須發(fā)出足夠的無(wú)功功率以滿足網(wǎng)絡(luò)損耗的需求。而無(wú)功功率的不足往往會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)電壓的下降。

        6.2 無(wú)功功率平衡公式

        電力系統(tǒng)中無(wú)功功率平衡和有功功率平衡類(lèi)似,其表示可以用如下公式表示

        (5)

        其中:ΣQGC表示電源供應(yīng)的無(wú)功功率;ΣQL表示負(fù)載消費(fèi)的無(wú)功功率;ΔQΣ表示無(wú)功功率損耗。

        6.3 無(wú)功功率管理措施

        無(wú)功功率的 管理一般包含以下5點(diǎn):

        (1)電力用戶(hù)的功率因數(shù)達(dá)到0.95以上。

        (2)分散安裝電容器,就地供應(yīng)無(wú)功功率。

        (3)在一次二次變電所的低壓母線上安裝電容器,在變電所安裝調(diào)相機(jī)。

        (4)對(duì)于水、火聯(lián)合供電的電網(wǎng),在豐水期用火電機(jī)組調(diào)相運(yùn)行;枯水期用水電機(jī)組調(diào)相運(yùn)行,提供感性無(wú)功功率。

        (5)同步電機(jī)過(guò)勵(lì)運(yùn)行,供給感性無(wú)功功率。

        6.4 基于本系統(tǒng)的無(wú)功率補(bǔ)償計(jì)算

        所以補(bǔ)償后的負(fù)荷功率為

        輸電系統(tǒng)要求的發(fā)電機(jī)輸出功率為

        此時(shí)發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)為cosφ=0.856,所以選擇的補(bǔ)償容量為合適容量。

        參考文獻(xiàn)

        [1]孫洪波.電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,1996.

        [2]DL755-2001,電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則[S].

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