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        鐵路變配電所功率因數(shù)提升方法研究與應(yīng)用

        2020-06-19 03:34:24中國鐵路上海局集團有限公司南京供電段
        上海鐵道增刊 2020年1期

        劉 浩 中國鐵路上海局集團有限公司南京供電段

        1 引言

        近年來,伴隨著我國鐵路事業(yè)的高速發(fā)展,國家對鐵路行業(yè)越來越重視,投資力度逐步增大,鐵路已經(jīng)成為國民經(jīng)濟的重要命脈。鐵路電力系統(tǒng)為是保障整個鐵路生產(chǎn)的重要設(shè)施,在電力系統(tǒng)中,合理的提升功率因數(shù)是一個重要的應(yīng)用方法。《全國供電規(guī)則》要求,供電的工業(yè)用戶和高壓供電的電力行業(yè)用戶,其功率因數(shù),必須達到90%以上。國家對功率因數(shù)采取了相應(yīng)的獎懲措施,功率因數(shù)低于上述要求的,會額外增加電費支出;功率因數(shù)高于上述要求的,會減少電費支出。基于上述原因,探究如何提升鐵路變配電所的功率因數(shù),不僅可以保障供配電所的良好運行,也對提高供配電所運行效率和有效減少經(jīng)濟支出有良好的促進作用和重要意義,促進鐵路電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運營。因此,探索提升鐵路變配電所功率因數(shù)是一項必須開展的工作。

        2 變配電所功率因數(shù)概念及意義

        在鐵路供配電所中,功率因數(shù)與鐵路用電的經(jīng)濟成本密切相關(guān),為了減少單位經(jīng)濟支出、節(jié)約用電,必須探索提升供配電系統(tǒng)的功率因數(shù),以下介紹功率因數(shù)的相關(guān)概念和提高功率因數(shù)的意義。

        2.1 功率因數(shù)的相關(guān)概念

        功率因數(shù)的概念與正弦交流電路中的電阻元件、電感元件和電容元件密切相關(guān)。本節(jié)先探究三大基本電路元件在正弦交流電路中的應(yīng)用,最后給出功率因數(shù)的概念。

        2.1.1 正弦交流電路中的三大基本電路元件

        三大基本電路元件是指電阻元件、電感元件和電容元件,探索三大基本電路元件在正弦交流電路中的作用、建立科學(xué)合理的向量模型是為研究如何提升配電所功率因數(shù)的提供了理論基礎(chǔ)和研究方向。以下給出三大基本電路元件在正弦交流電路中的性質(zhì):

        (1)電阻元件模型

        電阻元件是影響電路負(fù)載的重要元件,電路中的負(fù)載產(chǎn)生的熱損耗,歸結(jié)于電阻;用電器上吸收的電能轉(zhuǎn)換為其他形式的能量,在當(dāng)期轉(zhuǎn)換過程不可逆的前提下,也歸結(jié)于電阻。電阻元件是實際電路中能耗因素的抽象和表征,電阻元件一般用R 表示。電阻元件在正弦電路中的模型如下:

        由上述兩公式可得:電阻元件上的瞬時電壓和瞬時電流關(guān)系應(yīng)遵循歐姆定律,即時對應(yīng)關(guān)系在相位上應(yīng)為同相關(guān)系。

        (2)電感元件模型

        在電動機和變壓器等電氣設(shè)備中,核心的部件均為漆包線繞制而成的線圈。線圈通電時會發(fā)熱,具備電阻的成分。同時線圈通電后,又會建立磁場,亦具備電感的成分。若一個線圈的發(fā)熱電阻很少可以忽略不計時,可以把這個線圈模擬為純電感元件電路。電感元件在正弦交流電路中的模型為:

        由上述兩式比較可得:電感元件上的電壓、電流存在著相位正交關(guān)系,并且電壓總是超前電流90°。這種相位關(guān)系從物理現(xiàn)象上可以解釋為:只要線圈中通過交變電流,必然立刻在線圈中引起電磁感應(yīng)現(xiàn)象,在線圈兩端產(chǎn)生自感電壓,根據(jù)楞次定律,將產(chǎn)生阻礙作用。從而推遲了電流在線圈中通過的時間,用相位反應(yīng)就是電流滯后電壓90°。

        (3)電容元件模型

        電工電子技術(shù)中應(yīng)用的電容器、電磁特性與理想的電容元件相似度較高,在工業(yè)界可以使用其來模擬純電容元件電路。電容元件在正弦交流電路中的模型為:

        兩公式比較可得,電容元件上的電壓、電流之間存在著相位正交關(guān)系,電流超前電壓90°。這種相位關(guān)系從物理現(xiàn)象上解釋:電容支路上首先要有移動的電荷存在才能形成電容極間的電壓變化。這種先后順序的因果效應(yīng)用,相位來反映就是電流超前電壓90°。

        2.1.2 功率因數(shù)

        了解了三大基本電路元件在正弦交流電路中的性質(zhì)模型后,本節(jié)引入功率因數(shù)的概念。功率因數(shù)還與正弦交流電路中的有功功率、無功功率和視在功率的概念密切相關(guān),以下給出相關(guān)符號及定義。

        本節(jié)用到的符號如下:

        U:電壓的有效值

        I:電路的有效值

        φ:電壓與電流的相位差

        有功功率亦稱之為平均功率,即在數(shù)值上等于瞬時功率在一個周期內(nèi)的平均值,實際上也是指能量轉(zhuǎn)換過程中不可逆的那部分功率,即為消耗的功率。鑒于上述定義,電阻元件又稱為消耗功率的元器件。有功功率定義為:

        在上式中,P為有功功率,常用單位為瓦(W)和千瓦(kW)。

        這樣我們就得出了功率因數(shù)的計算方法。而在上式子中,S為視在功率,主要意義是指正弦交流電路中的供電系統(tǒng)中的電源輸出的總功率。視在功率的常用單位為伏安(VA)和千伏安(kVA)。視在功率的定義為:

        無功功率一般用Q表示。無功功率是指在電路內(nèi)部磁場與電場交換時,進行電磁能量交換的功率,無功功率的常用單位為乏(var)和千乏(kvar)。無功功率只能交換能量而不消耗能量,將吸收的電能轉(zhuǎn)化為磁場能或者把磁場能以電能的形式還給電路。無功功率也可以理解為,只交換不消耗的能量轉(zhuǎn)換規(guī)模。鑒于上述定義,電感元件又稱為儲能元器件。無功功率的定義為:

        由有功功率、無功功率和視在功率的定義可知,由有功功率、無功功率和視在功率之間滿足直角三角形關(guān)系,即:

        下面給出功率因數(shù)的定義。功率因數(shù)是指有功功率和視在功率的比值,在交流電路中,實際上就是電壓與電流相位差的余弦值,功率因數(shù)一般用λ 來表示。由功率因數(shù)、有功功率、無功功率和視在功率的定義可知,功率因數(shù)計算公式滿足:

        2.2 提高功率因數(shù)的意義

        了解了三大基本電路元件的模型和功率因數(shù)、有功功率、無功功率和視在功率的定義及計算方法后,可以得出以下概念,如果在負(fù)載上的電流和電壓之間的相位角沒有差別(即φ=0時),根據(jù)上述公式可以推導(dǎo)出數(shù)值有功功率等于視在功率,即純電阻電路。其中,圖1 表示為交流電壓電流的正弦示意圖。

        圖1 相位差為0 時交流電壓電流的正弦示意圖

        此外,如果負(fù)載上的電流和電壓之間的相位差為90°(即φ=90 時),可以得到數(shù)值視在功率等于無功功率即純電感或電容電路。圖2 和圖3 表示了相位差為90°時的交流電壓電流正弦圖,其中圖2 為電流滯后電壓90°的情形,峰值低者為電壓曲線;圖3 為電流超前電壓90°的情形。

        圖2 相位差為90°時交流電壓電流的正弦示意圖(電流滯后電壓)

        圖3 相位差為90°時交流電壓電流的正弦示意圖(電流超前電壓)

        通過上述分析可以得知,提高負(fù)載的功率因數(shù)后,能夠使上級電源的容量得有效的利用,從而有效減少輸電線路的線損和電壓損耗。鑒于供電公司對鐵路變配電所的功率因數(shù)考核十分嚴(yán)格,包括對電費的收取會嚴(yán)格根據(jù)功率因數(shù)的高低對電價做出相應(yīng)調(diào)整,因此,必須采用有效的方法降低鐵路供電系統(tǒng)的功率因數(shù),從而達到降低鐵路變配電所用戶和上級供電公司的運行成本的目的。

        3 提升功率因數(shù)的方法及應(yīng)用

        有效提升功率因數(shù),實現(xiàn)節(jié)約電量和降低運行成本是鐵路電力系統(tǒng)必須開展的工作。本節(jié)以上海鐵路局集團公司堯化門貨場10 kV 配電所2#電源線為實際案例,進行技術(shù)分析,探索有效的改造施工,發(fā)現(xiàn)提升功率因數(shù)的方法。實踐中,通過遠(yuǎn)程智能抄表系統(tǒng)采集了2018 年1-12 月份的供電數(shù)據(jù)。

        如表1 所示,在供電數(shù)據(jù)中,1-8 月份的功率因數(shù)均未達到供電公司要求的0.9 以上,存在大量的額外經(jīng)濟開銷。因此,我們的采用了系列方法,來嘗試提升功率因數(shù)。根據(jù)功率因數(shù)的相關(guān)定義,我們采取以下過程進行計算,并尋求功率因數(shù)不高的原因,步驟如下:

        表1 堯化門貨場2#電源線2018 年1-8 月份供電數(shù)據(jù)

        統(tǒng)計1-8 個月正向電量有功總和,計算為:

        上式中ai為1-8 每月有功數(shù)據(jù)。另,計算每日平均有功功率:

        此外,統(tǒng)計1-8 個月正向電量無功總和為:

        每日平均無功功率計算為:

        Q=W2/(243*24)=99.65kvar

        每日平均視在功率計算為:

        最后,計算每日平均功率因數(shù)為:

        由上述過程可發(fā)現(xiàn)堯化門貨場10 kV 配電所2#電源1-8 月份功率因數(shù)不高的主要原因是無功功率過高。發(fā)現(xiàn)原因后,提出了相應(yīng)的改造方案:即更改補償方法,在堯化門貨場10 kV 配電所在2#電源母線段并入一臺三相并聯(lián)電抗器,設(shè)備型號選擇BKS-100/10 ,容量選擇100 kvar。

        發(fā)現(xiàn)具體原因并對設(shè)施做了相應(yīng)改造后,為了驗證改造方案的有效性,是否能夠提升功率因數(shù),我們通過遠(yuǎn)程智能抄表系統(tǒng)繼續(xù)采集了2018 年10-12 月份的供電數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)內(nèi)容如表2 所示。

        表2 堯化門貨場2#電源線2018 年10-12 月份供電數(shù)據(jù)

        采集到表2 中的數(shù)據(jù)后,為了驗證有效性,我們繼續(xù)按照對1-8 月份數(shù)據(jù)相同的計算步驟求出了10-12 月份的功率因數(shù),最終得到的結(jié)果為: 。此外,我們根據(jù)全年的電量和功率因數(shù)數(shù)據(jù),繪制了電量和功率因數(shù)分析圖(圖 4)。

        圖4 電量和功率因數(shù)分析圖

        結(jié)果表明,2018 年9 月施工改造并聯(lián)投入電抗器后,功率因數(shù)達到90%以上,能夠有效實現(xiàn)節(jié)約支出的目標(biāo),亦驗證了本次更改補償方式改造的合理性與可行性。

        4 結(jié)束語

        本文首先對功率因數(shù)相關(guān)概念和性質(zhì)進行了研究和分析,給出了功率因數(shù)的有效計算方法,分析了提升功率因數(shù)的意義和作用。其次,結(jié)合上海鐵路局集團公司堯化門貨場10 kV 配電所2#電源線運行的實際案例和數(shù)據(jù),給出了功率因數(shù)的計算方法和問題分析步驟。最后,探索通過改變補償方式來提升供配電所的功率因數(shù)。結(jié)果表明,對現(xiàn)場設(shè)施進行改造后,功率因數(shù)可達到90%以上,有效實現(xiàn)了節(jié)約經(jīng)濟支出的目的,為同類項目提供了技術(shù)參考。

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