淺析10kV配電網(wǎng)無(wú)功功率補(bǔ)償
2021-08-10 07:38:06鄭州電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院任萬(wàn)英
電力設(shè)備管理 2021年7期
鄭州電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 任萬(wàn)英 馬 銳
1 無(wú)功功率的意義及無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑?/h2>
電氣設(shè)備的功率分為有功功率、無(wú)功功率和視在功率。電氣設(shè)備要想正常工作，就需要一個(gè)能使它做功的功率，這個(gè)功率就是有功功率、即對(duì)外做功的功率。而無(wú)功功率用來(lái)在電氣設(shè)備中建立和維持磁場(chǎng)的電功率，即對(duì)外不做功，所以被稱(chēng)之為“無(wú)功”。
電網(wǎng)中的有電磁線(xiàn)圈的電氣設(shè)備不僅需要消耗有功功率，還需要無(wú)功功率，有繞組的電氣設(shè)備如變壓器、電抗器、接觸器的工作原理都是電磁感應(yīng)原理，即都需要有一個(gè)磁場(chǎng)才能工作、才能進(jìn)行電磁能量的轉(zhuǎn)換，在交換的過(guò)程中必然會(huì)產(chǎn)生電流，這個(gè)電流就是無(wú)功電流，有無(wú)功電流就會(huì)消耗無(wú)功功率[1]。因此無(wú)功功率決不是無(wú)用功率，如果離開(kāi)了無(wú)功各種電動(dòng)機(jī)就不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，變壓器也不會(huì)變換電壓，正常運(yùn)行時(shí)，如果電網(wǎng)中的無(wú)功功率不夠用，電氣設(shè)備就沒(méi)有足夠的無(wú)功功率，就不能建立維持正常工作的磁場(chǎng)，即用電設(shè)備就不能維持在額定電壓下工作，用電設(shè)備的端電壓就要下降，電能質(zhì)量就得不到保證。用電設(shè)備工作效率下降，還有可能使系統(tǒng)崩潰。
現(xiàn)總結(jié)無(wú)功功率對(duì)發(fā)電、供電、用電產(chǎn)生的諸多不良影響：根據(jù)視在功率、有功功率和無(wú)功功率的關(guān)系可知，從電源發(fā)出在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臒o(wú)功功率越多，則電源發(fā)出的有功功率就會(huì)變少；由于無(wú)功功率的增大會(huì)導(dǎo)致功率因數(shù)降低，使電氣設(shè)備的效率不能充分發(fā)揮；電網(wǎng)中過(guò)多的傳輸無(wú)功功率將造成變壓器及線(xiàn)路的電壓降增大，使電網(wǎng)電壓偏移增大。
所有的感性負(fù)載也就是帶線(xiàn)圈的交流負(fù)載，通電后都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)自感電動(dòng)勢(shì)，根據(jù)楞次定律可知，這個(gè)自感電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的感應(yīng)電流會(huì)阻礙原電流的變化，這樣就會(huì)造成電流滯后電壓，電源就需更大的電流來(lái)中和這個(gè)感應(yīng)電流。電容器具有充放電功能，接入交流電后電容器就會(huì)不停的充放電，這樣會(huì)造成電流超前電壓滯后，正好可以補(bǔ)償電感性負(fù)載造成的電流滯后電壓超前。即減少了從電源發(fā)出的無(wú)功功率，也即減少無(wú)功功率在電源與負(fù)荷之間流通，降低了網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)功功率損耗，提高了電能質(zhì)量，達(dá)到補(bǔ)償目的。
2 無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆绞?/h2>
從理論分析可知無(wú)功補(bǔ)償是最好的方式：哪里需要無(wú)功就到哪里補(bǔ)償，這樣網(wǎng)絡(luò)中就不會(huì)有無(wú)功電流從電源到負(fù)載之間流動(dòng)。但在實(shí)際應(yīng)用中很難做到，電力系統(tǒng)中的大多數(shù)電氣設(shè)備都離不開(kāi)無(wú)功功率。以公共低壓配電網(wǎng)為例，經(jīng)常采用分散補(bǔ)償和集中補(bǔ)償兩種。對(duì)于不便采用分散補(bǔ)償?shù)?，可采用?fù)荷就地集中補(bǔ)償，在低壓系統(tǒng)(即變壓器的低壓側(cè))利用功率因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償裝置動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償[2]。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，電容器補(bǔ)償容量-般按變壓器容量的20%～30%?，F(xiàn)在很多低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置都采用綜合補(bǔ)償。無(wú)功補(bǔ)償裝置將依據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的電壓或電流，自動(dòng)投入或切除相應(yīng)容量的電容器。
由于電力系統(tǒng)是一個(gè)典型的非線(xiàn)性系統(tǒng)，電力負(fù)荷無(wú)時(shí)無(wú)刻不在變化，對(duì)無(wú)功的需求也在不斷變化，使電網(wǎng)中無(wú)功功率可能失去平衡。現(xiàn)總結(jié)一下無(wú)功功率補(bǔ)償方式如下：
2.1 并聯(lián)電容器
電網(wǎng)輸出的功率包括有功功率和無(wú)功功率。有功功率直接消耗電能，可把電能轉(zhuǎn)換成其他形式的能源。無(wú)功功率只是把電能轉(zhuǎn)換為另一種形式的能，不消耗電能。這種能是在電網(wǎng)中與電能進(jìn)行周期性轉(zhuǎn)換，如電磁元件建立磁場(chǎng)占用的電能，電容器建立電場(chǎng)用的電能，產(chǎn)生的電流在電感元件中作功，電流相位超前于電壓相位900。而電容中的電流作功時(shí)，電流與電壓的相位與電感中的相位相反，即電感電流與電容電流相位互差1800[3]。如果在電磁元件電路中有比例地安裝電容元件，使兩者的電流相互抵消，使它們之間的夾角縮小，從而提高電能作功的能力，這就是功補(bǔ)償。
2.2 同步調(diào)相機(jī)
相當(dāng)于一臺(tái)不帶任何負(fù)載的同步電動(dòng)機(jī)，它有專(zhuān)門(mén)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置，可強(qiáng)行勵(lì)磁穩(wěn)住電壓，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，過(guò)勵(lì)和欠勵(lì)磁時(shí)分別向系統(tǒng)供給感性無(wú)功功率和從系統(tǒng)吸收感性無(wú)功功率。任何電機(jī)都是由繞組和鐵芯組成的，在電氣上相當(dāng)于電感元件，作為同步電機(jī)也不例外，只不過(guò)同步電機(jī)不帶任何機(jī)械負(fù)載，把它接到系統(tǒng)中都會(huì)改變系統(tǒng)的電壓電流之間的相位，即改變發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率的性質(zhì)。而調(diào)相機(jī)的作用就是通過(guò)消耗系統(tǒng)中少量有功并改其系統(tǒng)變相位，發(fā)出容性無(wú)功。
2.3 并聯(lián)電抗器
高電壓等級(jí)線(xiàn)路的無(wú)功功率是線(xiàn)間電容起主要作用。這部分無(wú)功功率不僅關(guān)系到線(xiàn)路損耗，而且關(guān)系到線(xiàn)路的安全運(yùn)行，因此這部分無(wú)功功率是不能忽視的。對(duì)于長(zhǎng)距離超高壓輸電線(xiàn)路，這種電壓升高現(xiàn)象可能會(huì)達(dá)到不能容忍的程度，這時(shí)就要采用并聯(lián)電抗器補(bǔ)償，使電抗器的感性無(wú)功電流來(lái)抵消相與相之間的容性無(wú)功電流，從而保證線(xiàn)路的穩(wěn)定正常運(yùn)行。
2.4 無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用舉例
某10kV配電線(xiàn)路上共有配變90臺(tái)，總?cè)萘繛?7120kVA，平均功率因數(shù)為cosφ1=0.8，現(xiàn)對(duì)配電變壓器的空載無(wú)功損耗進(jìn)行補(bǔ)償，安裝容量按配電變壓器容量的6%計(jì)算。即Qc=Q%·Se=0.06Se，分別對(duì)配電變壓器進(jìn)行低壓電容器的安裝，試計(jì)算一年的經(jīng)濟(jì)效益（設(shè)每kVR電容器綜合安裝費(fèi)用K為50元，年最大利用小時(shí)數(shù)為8000小時(shí)，購(gòu)電價(jià)C=0.56元/度，負(fù)載率β=0.3，綜合線(xiàn)損率△A%=7.1%)。計(jì)算過(guò)程如下：
補(bǔ)償后系統(tǒng)的平均功率因數(shù)為：
線(xiàn)損率降低值為：
補(bǔ)償后減少損失的電量：
ΔA=β×Se×T年×cosφ1×ΔA%×ΔA1%=0.3×17120×8000×0.8×7.1%×19.9%=46.44(萬(wàn)度)，節(jié)約電費(fèi)為ΔC=ΔA×C=46.44×0.56=26(萬(wàn)元)，安裝電容器所需要的費(fèi)用C安裝=Q%×Se×K=0.06×17120×50=5.14(萬(wàn)元)。
提高設(shè)備輸出能力為：
從以上計(jì)算可看出，安裝電容器后用不到3個(gè)月的時(shí)間就可回收電容器的安裝費(fèi)用，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，電容器的檢修周期長(zhǎng)，所以其經(jīng)濟(jì)效益是很可觀(guān)的。所以通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償是降低線(xiàn)損很有效的方法[4]，也是將來(lái)農(nóng)網(wǎng)和城網(wǎng)改造的關(guān)鍵舉措。
3 無(wú)功功率過(guò)補(bǔ)償?shù)奈：按胧?/h2>
無(wú)功功率過(guò)補(bǔ)償?shù)奈：Γ簾o(wú)功功率過(guò)補(bǔ)償時(shí)使電壓升高，導(dǎo)致變壓器、電動(dòng)機(jī)、電力電容器等用電設(shè)備損耗增大，損耗增大會(huì)加速電氣設(shè)備的絕緣老化，絕緣老化加速就會(huì)影響電氣設(shè)備的使用壽命和運(yùn)行安全；無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備投入過(guò)多時(shí)，有可能會(huì)在負(fù)荷較低時(shí)出現(xiàn)全補(bǔ)償現(xiàn)象。過(guò)補(bǔ)償和全補(bǔ)償會(huì)隨著負(fù)荷的變化交替出現(xiàn)，容易產(chǎn)生諧振過(guò)電壓，對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不利影響；過(guò)補(bǔ)償會(huì)導(dǎo)致負(fù)載的性質(zhì)由感性變?yōu)槿菪?，配電線(xiàn)路中電流會(huì)隨過(guò)補(bǔ)償程度的加深而變大，電能質(zhì)量降低和線(xiàn)路損耗增大，與無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康南嚆６小?/p>
控制無(wú)功過(guò)補(bǔ)償?shù)拇胧杭哟笥脩?hù)側(cè)無(wú)功補(bǔ)償宣傳管理力度。由相關(guān)部門(mén)到用戶(hù)側(cè)宣傳無(wú)功補(bǔ)償?shù)暮锰?。使用?hù)學(xué)習(xí)并懂得無(wú)功補(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)知識(shí)，結(jié)合用電高峰低谷時(shí)段，能夠在用電負(fù)荷低谷期切除或減少投入無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，做好無(wú)功功率的就地補(bǔ)償；合理確定補(bǔ)償容量。根據(jù)美國(guó)心理學(xué)家老鼠搜索實(shí)物的試驗(yàn)結(jié)果可知，要強(qiáng)化一種動(dòng)作和行為并讓其不斷發(fā)生，就要想辦法給予獎(jiǎng)勵(lì)或減少負(fù)面刺激。即在配網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償時(shí)，根據(jù)線(xiàn)損降低程度作為獎(jiǎng)勵(lì)標(biāo)準(zhǔn)，其最終的目的是要做到降低線(xiàn)損率，誰(shuí)做到了給誰(shuí)獎(jiǎng)勵(lì)，即使沒(méi)有達(dá)到規(guī)定的線(xiàn)損指標(biāo)。
綜上，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)無(wú)功功率的大小確定適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償容量及安裝方式，應(yīng)按照“全面設(shè)計(jì)規(guī)劃、合理布局、分級(jí)分層補(bǔ)償、就地平衡”的原則。城、農(nóng)網(wǎng)改造以后，10kV配網(wǎng)中多臺(tái)變壓器的補(bǔ)償裝置缺少維護(hù)或不維護(hù)，導(dǎo)致電容器損壞或投切裝置退出運(yùn)行，用戶(hù)側(cè)補(bǔ)償設(shè)備的投入運(yùn)行管理不到位等直接影響供電質(zhì)量[5]。因此必須建立完善的監(jiān)管制度來(lái)提高配電網(wǎng)運(yùn)行管理水平以取得最大的補(bǔ)償效益，綜合運(yùn)用發(fā)揮各種補(bǔ)償方式的長(zhǎng)處，真正做到10kV配電網(wǎng)無(wú)功功率最優(yōu)化。
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