電氣設(shè)備中的無功功率補(bǔ)償
2021-04-09 10:09:47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(shí)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(shí)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(bǔ)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?yàn)檫@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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(shí)現(xiàn)的，而無須購買補(bǔ)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(yùn)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(bǔ)償方法
2.1 無功功率的人工補(bǔ)償裝置
并聯(lián)電容器是工程實(shí)踐過程中比較常見的一種進(jìn)行無功功率補(bǔ)償?shù)姆椒?。主要包括三種并聯(lián)電容器的補(bǔ)償方法：
（1）高壓集中補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)償裝置的安裝方法
（1）低壓個別補(bǔ)償
所謂低壓個別補(bǔ)償?shù)膶?shí)際含義是當(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(dú)為制定用電設(shè)備服務(wù)。這種無功功率補(bǔ)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(bǔ)償
低壓集中補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)償。低壓集中補(bǔ)償方式相對于其他補(bǔ)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(bǔ)償方式的實(shí)踐運(yùn)用也非常廣泛。
（3）高壓集中補(bǔ)償
進(jìn)行高壓集中補(bǔ)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(shí)現(xiàn)無功功率補(bǔ)償。這種補(bǔ)償方式的特征非常明顯就是補(bǔ)償點(diǎn)與實(shí)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(bǔ)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(bǔ)償和分組補(bǔ)償
（1）集中補(bǔ)償
這種裝設(shè)方式與分散補(bǔ)償方式相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
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(bǔ)償容量，避免在總的補(bǔ)償水平上產(chǎn)生過補(bǔ)償或欠補(bǔ)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(bǔ)償。
②集中補(bǔ)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(yùn)行時間長，利用率高，補(bǔ)償效益就高；而且集中補(bǔ)償方式在運(yùn)行維護(hù)上較為方便，事故率相對減少，相應(yīng)的提高了補(bǔ)償效益。
缺點(diǎn)：
這種方式只能減少裝設(shè)點(diǎn)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(bǔ)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(bǔ)償
優(yōu)點(diǎn)：
①分組不常有利于對無功進(jìn)行內(nèi)部分區(qū)控制，實(shí)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(shí)行分車間考核用電指標(biāo)的用戶，分組補(bǔ)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(bǔ)償高；分組補(bǔ)償也比單臺電動機(jī)易于控制和管理。
缺點(diǎn)：
①不如集中補(bǔ)償便于管理。
②如果在車間裝設(shè)電容器未能分組，則補(bǔ)償容量無法調(diào)整，可能會出現(xiàn)過補(bǔ)償或欠補(bǔ)償。
③如果只進(jìn)行分組補(bǔ)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(bǔ)償?shù)囊淮涡酝顿Y大于集中補(bǔ)償。
補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)償相結(jié)合，以分散補(bǔ)償為主；調(diào)節(jié)補(bǔ)償與固定補(bǔ)償相結(jié)合，以固定補(bǔ)償為主；高壓補(bǔ)償和低壓補(bǔ)償相結(jié)合，以低壓補(bǔ)償為主。實(shí)現(xiàn)提高功率與降損并重為目的。
3 無功補(bǔ)償初步計算
假設(shè)在進(jìn)行補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)償前后的數(shù)據(jù)對比分析可知補(bǔ)償后功率因數(shù)是0.921，因此功率因數(shù)目標(biāo)值得以實(shí)現(xiàn)。
4 無功補(bǔ)償?shù)暮锰?/h2>
（1）補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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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