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无功功率补偿基础知识
点击次数:34 发布时间:2019-08-13

无功功率补偿基础知识

 

1.什么是无功功率

        电网中电力设备大多是根据电磁感应原理工作的,他们在能量转换过程中建立交变的磁场,在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等。电源能量在通过纯电感或纯电容电路时并没有能量损耗,仅在负荷与电源之间往复交换,在三相之间流动,由于这种交换功率不对外做功,因此称为无功功率。

无功功率分为:

    感性无功:电流矢量滞后于电压矢量90度,如电动机、变压器、晶闸管变流设备等;

    容性无功:电流矢量超前于电压矢量90度,如电容器、电缆输配电线路等;

    基波无功:与电源频率相等的无功(50Hz);

    谐波无功:与电源频率不相等的无功。

        从物理概念来解释感性无功功率:由于电感线圈是贮藏磁场能量的元件,当线圈加上交流电压后,电压交变时,相应的磁场能量也随着变化。当电压增大,电流及磁场能量也就相应加强,此时线圈的磁场能量就将外电源供给的能量以磁场能量形式贮藏起来;当电流减小和磁场能量减弱时,线圈把磁场能量释放并输回到外面电路中。交流电感电路不消耗功率,电路中仅是电源能量与磁场能量之间的往复转换。

        从物理概念来解释容性无功功率:由于电容器是贮藏电场能量的元件,当电容器加上交流电压后,电压交变时,相应的电场能量也随着变化。当电压增大,电流及电场能量也就相应加强,此时电容器的电场能量就将外电源供给的能量以电场能量形式贮藏起来;当电压减小和电场能量减弱时,电容器把电场能量释放并输回到外面电路中。交流电容电路不消耗功率,电路中仅是电源能量与电场能量之间的往复转换。

 2.功率因数

        实际供用电系统中的电力负荷并不是纯感性或纯容性的,是既有电感或电容,又有电阻的负载。这种负载的电压和电流的相量之间存在着一定的相位差,相位角的余弦称为功率因数,又称力率,它是有功功率与视在功率之比。

三相功率因数的计算公式为:

式中:cosΦ——功率因数;P——有功功率,kW;Q——无功功率,kvar;S——视在功率,kVA

        功率因数通常分为自然功率因数、瞬时功率因数和加权平均功率因数三种。在三相对称电路中,各相电压、电流为对称,功率因数也相同。那么三相电路总的功率因数就等于各相的功率因数。

        我国对功率因数有一定要求,对供电公司的要求是110kV站,功率因数在0.95~0.98之间;220kV站,功率因数在0.95以上。对用户的要求是100kVA以上的变压器,功率因数大于0.9。对农灌的要求是100kVA以上的变压器,功率因数大于0.8。

3.无功补偿

        电力系统中,不但有功功率要平衡,无功功率也要平衡。有功功率、无功功率、视在功率之间的相量关系如图所示。

        由式cosΦ=P/S可知,在一定的有功功率下,功率因数cosΦ越小,所需的无功功率越大。为满足用电的需求,供电线路和变压器的容量就需要增加,这样不仅要增加供电投资、降低设备利用率,也将增加线路损耗。为了提高电网的经济运行效率,根据电网中的无功类型,人为的补偿容性无功或感性无功来抵消线路的无功功率。

        无功补偿的主要作用就是提高功率因数以减少设备容量和功率损耗、稳定电压和提高供电质量,在长距离输电中提高输电稳定性和输电能力以及平衡三相负载的有功和无功功率。安装并联电容器进行无功补偿,可限制无功功率在电网中的传输,相应减少了线路的电压损耗,提高了配电网的电压质量。无功补偿主要有以下几方面的作用。

1)提高电压质量

把线路中电流分为有功电流Ia和无功电流Ir,则线路中的电压损失:

式中:P——有功功率,kW;Q——无功功率,kvar;U——额定电压,kV;R——线路总电阻,Ω;XI——线路感抗,Ω

        因此,提高功率因数后可减少线路上传输的无功功率Q,若保持有功功率不变,而R、XI均为定值,无功功率Q越小,电压损失越小,从而提高了电压质量。

2)提高变压器的利用率,减少投资

功率因数由cosΦ1提高到cosΦ2提高变压器利用率为:

    由此可见,补偿后变压器的利用率比补偿前提高ΔS%,可以带更多的负荷,减少了输变电设备的投资。

3)减少用户电费支出

    a.可避免因功率因数低于规定值而受罚;

    b.可减少用户内部因传输和分配无功功率造成的有功功率损耗,电费可相应降低。

4)提高电力网传输能力

        有功功率与视在功率的关系式为:P=ScosΦ,可见在传输一定有功功率的条件下,功率因数越高,需要电网传输的功率越小。

4.无功补偿的安排方式

        集中补偿:装设在企业或地方总变电所6~35kV母线上,可减少高压线路的无功损耗,而且能提高本变电所的供电电压质量。

        分散补偿:装设在功率因数较低的车间或村镇终端变、配电所的高压或低压母线上。这种方式与集中补偿有相同的优点,但无功容量较小,效果较明显。

        就地补偿:装设在异步电动机或电感性用电设备附近,就地进行补偿。这种方式既能提高用电设备供电回路的功率因数,又能改变用电设备的电压质量。

        无功补偿的节能只是降低了补偿点至发电机之间的供电损耗,所以高压侧的无功补偿不能减少低压网侧的损耗,也不能使低压供电变压器的利用率提高。根据补偿理论,就地补偿的节能效果最为显著。集中补偿与分散补偿相结合,以分散补偿为主;调节补偿与固定补偿相结合,以固定补偿为主;高压补偿与低压补偿相结合,以低压补偿为主。

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