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无功补偿对节能降损的重要性
2015-03-25 14:57:55  浏览次数:
电网中的电力负荷如电动机、变压器等,大部分属于感性负荷,在运行过程中需向这些设备提供相应的无功功率。在电网中安装并联电容器等无功补偿设备以后,可以提供感性电抗所消耗的无功功率,减少了电网电源向感性负荷提供由线路输送的无功功率。由于减少了无功功率在电网中的流动,因此可以降低线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗,提高功率因数,达到节能降损的目的。近几年来,枣庄电网进行无功补偿的工作实践进一步证明,无功补偿是一项投资少,收效快的节能降损措施,对节能降损起到非常重要的作用。
  电网功率因数是指电网中的视在功率供给有功功率的消耗所占百分数。在电网的运行中,我们所希望的是功率因数越高越好,如能做到这一点,则电路中的视在功率将大部分用来供给有功功率,以减少无功功率的消耗。功率因数的高低,对于电力系统发、供、用电设备的充分利用,有着显著的影响。适当提高功率因数,不但可以减少无功功率在电网上的流动,改善电压质量,降低中低压电网的供电损耗,充分的发挥发、供电设备的生产能力,而且可以提高用户用电设备的工作效率,减少用户的电能损耗,为用户本身节约电能。因此,做好无功补偿工作,提高各级电网的功率因数,降低电网的电能损耗,其社会效益及经济效益都会是非常显著的。
  1 进行无功补偿的主要原因
  1.1 电力变压器和异步电动机是耗用无功功率的主要设备
  变压器消耗无功的主要成份是它的空载无功功率,它和负载率的大小无关。因而,为了减少变压器的无功功率消耗,就不应让变压器空载运行或长其处于低负载运行状态。异步电动机的定子与转子间的气隙是决定异步电动机需要较多无功的主要因素。而异步电动机所耗用的无功功率是由其空载时的无功功率和一定负载下无功功率增加值两部分所组成。所以要减少异步电动机的无功功率消耗,就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率。
  1.2 供电电压超出规定范围也会对电网无功功率造成很大的影响
  当供电电压高于额定值的10%时,由于磁路饱和的影响,无功功率将增长得很快,据有关资料统计,当供电电压为额定值的110%时,一般工厂的无功将增加35%左右。当供电电压低于额定值时,无功功率也相应减少。但供电电压降低会影响电气设备的正常工作。所以,应当采取措施使电力系统的供电电压尽可能保持稳定。
  由于以上原因,会造成电网无功缺额较大,使电网损耗增加。因此,应进行无功补偿,实现无功的就地平衡,达到降损节能的目的。
 2 进行无功补偿的一般方法
  无功补偿可分为集中补偿和就地补偿,集中补偿主要是在变电站低压侧母线上集中安装电容器组;就地补偿主要有三种方法:随机补偿、随器补偿、跟踪补偿。
  2.1 集中补偿
  集中补偿主要是在变电站低压侧母线上集中安装的电容器组。它是通过无功电压综合自动控制装置来自动控制电容器组的投切或根据无功潮流分布及电压情况进行综合判断来投切电容器组。
  集中补偿的优点:投资少,见效快,既能有效地补偿变压器的空载无功损耗,使该部分无功就地平衡,又能补偿变压器低压侧母线上所带用户负荷中的无功缺额,使低压母线上的无功就地平衡。
  2.2 就地补偿
  2.2.1 随机补偿
  随机补偿就是将低压电容器组与电动机并接,通过控制、保护装置与电机,同时投切。随机补偿适用于补偿电动机的无功消耗,以补励磁无功为主,此种方式可较好地限制农网无功峰荷。
  随机补偿的优点是:用电设备运行时,无功补偿投入,用电设备停运时,补偿设备也退出,而且不需频繁调整补偿容量。具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活,维护简单、事故率低等。
  2.2.2 随器补偿
  随器补偿是指将低压电容器通过低压保险接在配电变压器二次侧,以补偿配电变压器空载无功的补偿方式。配变在轻载或空载时的无功负荷主要是变压器的空载励磁无功,配变空载无功是农网无功负荷的主要部分,对于轻负载的配变而言,这部分损耗占供电量的比例很大。
  随器补偿的优点:接线简单、维护管理方便、能有效地补偿配变空载无功,使该部分无功就地平衡,从而提高配变利用率,降低无功网损,具有较高的经济性,是目前补偿无功最有效的手段之一。
 2.2.3 跟踪补偿
  跟踪补偿是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置,将低压电容器组补偿在大用户0.4kV母线上的补偿方式。适用于100kVA以上的专用配变用户,可以替代随机、随器两种补偿方式,补偿效果好。
  跟踪补偿的优点是运行方式灵活,运行维护工作量小,比前两种补偿方式寿命相对延长、运行更可靠。但缺点是控制保护装置复杂、首期投资相对较大。但当这三种补偿方式的经济性接近时,应优先选用跟踪补偿方式。
  3 无功补偿对线路损耗的作用
  在线路的负载中存在着大量感性负载,在输送同样的有功功率下,负载电流会提高,而线路损耗与电流的平方成正比增加。要降低线路损耗,就必须减少负载电流。
 三相电路中,功率损耗ΔP的计算公式为:
  △P=3I2R
  由于进行了无功补偿,可使补偿点以前的线路中通过的无功电流减小,减少了无功在电网中流动,线路中功率损耗大大下降,从而使线路的供电能力增加。因此,加强对线路的无功补偿是降低线路损耗的一个重要措施。
  4 无功补偿对变压器损耗的影响
  在有功负荷一定,当无功功率缺额时,功率因数就要下降,变压器损耗率(△A%)必然要增大。即
 
  式中:△P0为变压器空载有功损耗,kW;Pf为实际有功负荷,kW;△Pk为负载损耗,kW。
  空载损耗大小与功率因数变化无关,负载损耗大小与功率因数的平方成反比,与负荷成正比。当负荷不变时,负载损耗与功率因数的变化有关。
  5 无功补偿对提高功能因数、降低电能损耗的作用
  有功功率、无功功率、视在功率之间的关系如图1所示
 
 
  式中
  S——视在功率,kVA
  P——有功功率,kW
  Q——无功功率,kvar
  φ角为功率因数角,它的余弦(cosφ)是有功功率与视在功率之比即cosφ=P/S称作功率因数。
 由功率三角形可以看出,在有功功率一定的情况下,用电功率因数cosφ越小,则所需的无功功率越大。如果无功功率不是由电容器提供,则必须由输电系统供给,为满足用电的要求,供电线路和变压器的容量需增大。这样,不仅增加供电投资、降低设备利用率,也将增加线路损耗。为此,国家供用电规则规定:无功电力应就地平衡,用户应在提高用电自然功率因数的基础上,设计和装设无功补偿设备,并做到随其负荷和电压变动及时投入或切除,防止无功倒送。还规定用户的功率因数应达到相应的标准,否则供电部门可以拒绝供电。因此,无论对供电部门还是用电部门,对无功功率进行自动补偿以提高功率因数,防止无功倒送,从而节约电能,提高运行质量都具有非常重要的意义。
  无功补偿的基本原理是把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路,能量在两种负荷之间相互交换。这样,感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率补偿。
  如图2 所示图中
 
  P——有功功率
  S1——补偿前的视在功率
  S2——补偿后的视在功率
  Q1——补偿前的无功功率
  Q2——补偿后的无功功率
  φ1——补偿前的功率因数角
  φ2——补偿后的功率因数角
  由图示可以看出,在有功功率P一定的前提下,进行无功功率补偿以后(补偿量Qc=Q1-Q2),功率因数角由φ1减小到φ2,则cosφ2>cosφ1提高了功率因数。
  电网元件中功率损耗百分数为ΔP%,计算如下:  
ΔP%=(1- cosφ12/cosφ22)×100
由此可推算出提高功率因数与降低有功损耗百分率的关系如下表:
  提高功率因数与降低有功损耗百分率典型数据计算表
 
  6 无功补偿对节能降损的重要作用实例分析
  电容器安装容量的选择,可根据使用目的的不同,按改善功率因数,提高运行电压和降低线路损失等因素来确定。
  按改善功率因数确定补偿容量的方法简便、明确,为国内外所通用。根据功率补偿图(如图2)中功率之间的向量关系,可以求出无功补偿容量Qc,
  或      (kvar)
  式中
  P——最大负荷月的平均有功功率,kW;
  tgφ1、tgφ2——补偿前后功率因数角的正切值;
  cosφ1、cosφ2——补偿前后功率因数值。
近几年来,枣庄电网特别是中低压电网进行了很大改造和完善,单就提高中低压电网功率因数这项工程进行了很大投资,同时也降低了电能损耗,取得了很高的经济效益。下面举几个实例加以分析:
  6.1 110kV洪续变电站正常运行方式为一台50MVA变压器运行,10kV侧有功负荷为12MW,无功负荷为6Mvar,10kV侧功率因数为0.89,因一期工程没有安装电容器组,所以功率因数偏低。根据这种情况,我们列入了专项节能降损资金,装设了一组4800kvar的电容器组。将电容器组投入运行后。无功功率负荷得到了充分的补偿,补偿后的功率因数cosφ2为:
  cosφ2=cos[arctg(Q1-QC)/P]
  =cos[arctg(6000-4800)/12000]
  =0.99
  由于功率因数的提高,使功率损耗下降了不少。现计算如下:
  功率因数从cosφ1提高到cosφ2,有功负载损耗降低百分率为:
  ΔP%=((1- cosφ12/cosφ22)•100
  =[1-0.892/0.992 ]*100
  =19.18%
  由此看来,投入了4800kvar的电容器组后,使功率因数提高了10个百分点,而使洪续变电站有功负载损耗降低了19.18%,每年可降低电能损耗约90万kWh,这是非常可观的经济效益。
  6.2 山亭供电部10kV桑西线,有功负荷为800kW、无功负荷为450kVAR、功率因数为0.87,整条线路线损率较高。近几年来我们开展了降低工程,为降低线损,要使功率因数提高到0.95,需要在10kV桑西线上加装多大的电容器进行补偿?这样,线损率能降低多少?现计算如下:
  加装的电容器补偿容量为:
 
  =800[0.57-0.33]=192(kvar)
  线损率降低百分率为:
  ΔP%=(1- cosφ12/cosφ22)•100
  =[1-0.872/0.952]*100
  =16.13%
  由此看来,功率因数由0.87提高到0.95,需要加装的电容器容量为192(kvar),而使线损率降低百分率为16.13%。
  6.3 薛城供电部#16配电变压器容量为300kVA,负荷功率为200kW,功率因数为0.85,为降低有功损耗,将功率因数提高到0.95,需要加装多大的电容器补偿容量(kvar)?由此能降低多少有功负载损耗百分率?
  电容器补偿容量由:
 
  =200[0.62-0.33]=58(kvar)
  有功负载损耗降低百分率为:
ΔP%=((1- cosφ12/cosφ22)×100
  =[1-0.852/0.952]×100
  =19.94%
  由此看来,该配电变压器功率因数由0.87提高到0.95,需要加装的电容器容量为58(kvar),而使有功负载损耗降低百分率为19.94%。
  通过以上几个实例可以看出,在中低压电网中加装适当容量的无功补偿电容器,可以提高功率因数;而提高功率因数又可以降低电网的电能损耗,从而带来很大的经济效益。近几年来,我们充分利用城农改造的机会,在变电站集中装设无功补偿电容器,在全网配电系统合理装设了无功补偿电容器。使全网配电系统功率因数由原来的0.89提高到0.92,全网有功损耗降低百分率为6.35%,每年降低电能损耗1800万kWh,折合经济效益为900万元。
 7 结束语
  文中主要分析了进行无功补偿对电网中的线路、变压器等设备节能降损的重要作用。并通过列举了工作中的一些实例,验证了进行无功补偿可以提高电网的功率因数,降低电能损耗。通过计算,用数据证明了进行无功补偿对节能降损的重要作用和取得显著的经济效益。
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