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浅谈交流电路无功功率补偿  

2009-10-27 14:20:22|  分类: 功率补偿 |  标签: |举报 |字号 订阅

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摘要:本文首先结合课本谈了笔者对交流电路功率关系的理解,在此基础上介绍了无功补偿的益处、基本补偿原理和应用,以及技术经济效益分析。

关键词:瞬时功率、平均功率、无功功率、视在功率、电感性及电容性能量、补偿容量

引言:1995年,我国年总发电量10000亿千瓦*时,据报道,估计实际的统计损实率为15%,即1995年全年线损电量约为1500亿千瓦*时。设当年全国的理论线损失与统计线损失相一致,其中可变线损失约占理论总线损的80%,则年可变线损电量越为1200亿千瓦*时。设全国电力网各元件负荷的加权功率因数提高到cosφ1=0.85,采用无功功率补偿办法把电力网各原件负荷的加权功率因数提高到cosφ2=0.95,则每年可以降低线损约240亿千瓦*时,按0.5元每千瓦*时计,价值约120亿元。设1995年全国电网的最大负荷利用小时数为5000小时,则电网的最大负荷约为2亿千瓦,当用无功功率补偿法把功率因数由cosφ1=0.85提高到cosφ2=0.95,全国电网需总补偿容量约为0.58亿千乏。当前无功功率补偿法设备主要为电力电容器,设无功补偿设备每千乏的平均综合造价为50元,则全国无功补偿设备的总投资约为29亿元。应当指出,节省240亿千瓦*时的电能约相当于一座400万千瓦火电厂的年发电量,而建造一座400万千瓦的火电厂需综合费用约300亿元,同时每年需燃煤约1200万吨,每年产生CO2SO2 等有害物质约600万吨。由此可见,产生相同的电力,无功功率补偿的费用约为新建电厂费用的10%,而无功功率补偿设备的费用仅约需两个月无功功率补偿的降损节电费用即可全部回收。

1. 对于交流电路功率关系的理解

1.1瞬时功率 P(t)=UIcosφ(1-cos2φ)+Uisinφsin2ωt

   平均功率 P=UIcosφ=U(R)I(R)                 单位:瓦   由电阻产生

   无功功率Q=UIsinφ=UL-UC))Isinφ    单位:伐 由电感、电容产生

   视在功率 S=UI

    有功功率是一平均值,为无源网络所消耗的功率。无功功率是一个交换功率的幅值,它虽然没有为网络所“耗能”,但他反映了网络内部与外部交换能量的能力的大小。

当网络中电压超前电流时,φ0,则网络中为感性,无功功率Q0,习惯上理解为网络“吸收”感性无功功率,相当于“发出”容性无功功率;若网络中超前电流超前电压时,φ0,则网络中为容性,无功功率Q0,习惯上理解为网络“吸收”容性无功功率,相当于网络“发出”感性无功功率。“发出”与“吸收”无功功率的意义不同于有功功率的吸收和发出,这里只是一种习惯的说法。

1.2 关于无功功率的几点解释

1)尽管无功功率说明一个元件的平均功率为零,但它代表了在电感或电容中储存及释放磁场能量或电场能量所需要的真实功率,每周期两次。

2)电力网中,在电源、电感元件和电容元件之间发生能量的交换。与无功功率相关的能量是储存的电感性及电容性能量之和。

3)电力系统中某些点之间由于无功功率不断来回地交换引起发电、输电及供配电设备上的电压损耗及功率损失。由于电力系统的效率及电压调整十分重要,因此无功功率在电力系统的传输是头等重要的。

4)无功功率Q的符号。根据无功功率的定义式Q=Uisinφ,对于单个感抗为X(L) 的纯电感元件来说(相当于φ=π/2,Q(L)=UI(L)I(L)sinφ=U(L)I(L)0 即感性负荷Q(L)的符号为正,或者说感性负载吸收无功功率,亦可称为无功负荷。

对于单个容抗为X(c)的纯电容元件来说,φ=π/2,所以有:

Q(C)=U(c)I(c)sinφ=U(c)I(c)0 即容性负荷Q(c)的符号为负,或者说容性负荷供给无功功率,亦可称无功电源。

5)电感、电容的无功功率与它们储存的能量的关系。电感、电容储存的磁场能量、电场能量的最大值分别为W(Lmax)W(Cmax),

所以有Q(L)=U(L)I(L)=ωW(Lmax)Q(C)=U(C)I(C)=ωW(Cmax)

表明它们的无功功率不仅与频率成正比,而且与它们所存储的能量的最大值有关。

2.   无功功率的补偿原理

设补偿后无功功率为Qc,使电源输送的无功功率减少为Q`=QQc,功率因数由cosφ提高到cosφ`,视在功率S减少到S`,视在功率的减小可相应减小供电线路的截面和变压器的容量,降低供用电设备的投资。

可知,采用无功补偿措施后,因为通过电力网无功功率的减少,降低了电力网中的电压损耗,提高了用户的电压质量。

可根据补偿前后功率因数的变化而确定补偿容量Qc的计算公式为

Qc=P(tanφ1tanφ2)=Pqc(千乏)

负荷(P+JQ)电压损失ΔU简化计算如下:
                          
ΔU=(PR+QX)/U            (1)

安装补偿设备容量Qc后,线路电压降为ΔU1,计算如下:
                         
ΔU1=[PR(QQc)X]/U     (2)

很明显,ΔU1<ΔU,即安装补偿电容后电压损失减小了。由式(1)(2)可得出接入无功补偿容量Qc后电压升高计算如下:
                         
ΔU-ΔU1=QcX/U            (3)

由于越靠近线路末端,线路的电抗X越大,因此从(3)式可以看出,越靠近线路末端装设无功补偿装置效果越好。

3.无功补偿的作用及获得途径

3.1无功补偿的作用主要有:

(1)提高电网及负载的功率因数,降低设备所需容量,减少不必要的损耗。

(2)稳定电网电压,提高电网质量。而在长距离输电线路中安装合适的无功补偿装置可提高系统的稳定性及输电能力。

(3)在三相负载不平衡的场合,可对三相视在功率起到平衡作用。

3.2提供无功功率的途径大致有以下几种:

(1)同步发电机:调整励磁电流,使其在超前功率因数下运行,输出有功功率的同时输出无功功率;

(2)同步电动机:与同步发电机一样可提供无功;

(3)同步调相机:当同步电机空载运行而仅向电网输送无功功率时,便被称为调相机。

(4)静止无功补偿装置:早期为饱和电抗器型的,目前较先进的采用了自换相变流电路。

(5)并联电容器:可提供超前的无功功率以补偿感性负荷,多装于降压变电所,还可就地补偿。

在配网中,无论是工业负荷还是民用负荷,大多为感性,所有感性负荷都要消耗无功功率,所以往往采用电容器补偿的方式。尤其是在400V的低压配网中,由于并联电容器简单经济,再配以智能型的无功功率补偿控制器,使得补偿方式方便灵活,补偿容量更趋合理。

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