芻議無功補償技術在配電網(wǎng)中的節(jié)能作用

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摘要：近幾年，隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，電力需求量不斷增大，消耗量同時也增大。如何有效的節(jié)約電能，也就顯得更為重要。本文闡述了無功補償技術在配電網(wǎng)中的補償原則、提高功率因數(shù)的作用、影響功率因數(shù)的因素、補償分類，以及新舊型無功補償裝置的性能比較。

關鍵詞：無功補償、分類、性能比較   1、概述 近年來，連云港地區(qū)用電保持高速增長。2007年全社會用電量完成52.7417億千瓦時，同比增長7.27％；2008年最大用電負荷102萬千瓦，最大日用電量1856萬千瓦時。 隨著連云港地區(qū)主網(wǎng)結構的不斷完善以及地區(qū)無功電壓優(yōu)化運行控制系統(tǒng)的投入，35kV及以上電網(wǎng)的線損率逐年下降、功率因數(shù)合格率及電壓合格率得到進一步的提高。但10kV及以下配電網(wǎng)的線損率仍然較高, 10kV及以下配電網(wǎng)中線損占地區(qū)總線損電量的70%左右,部分線路功率因數(shù)偏低、配變供電能力受限。另外在部分區(qū)域還存在低電壓問題。 這其中的原因之一是隨著居民家用電器的普及以及小工業(yè)用戶的增多，尤其是各類電力電子裝置的大量應用，低壓配網(wǎng)中無功功率的需求日益增大。據(jù)相關研究表明，日光燈負載的功率因數(shù)僅為0.54左右，電風扇、洗衣機、電冰箱等的功率因數(shù)僅在0.65～0.85左右。而與其相對應的用戶側隨器無功補償裝置安裝容量嚴重不足，低壓配網(wǎng)中缺少大量無功補償容量。 受電網(wǎng)投資資金規(guī)模的限制，前些年供電公司對低壓電網(wǎng)的無功補償重視不足，系統(tǒng)無功補償設備安裝較少。為解決這一問題，連云港供電公司近年來為近200臺柱上變壓器和100處小區(qū)變電所安裝了低壓無功補償裝置，采用的方式為配電變壓器低壓側集中補償和線路三分之二處根據(jù)電壓補償無功兩種。實踐表明由于缺少對低壓網(wǎng)絡運行參數(shù)的監(jiān)控，對于補償效果很難進行科學的評估，從而很難指導下一步的無功優(yōu)化工作。 目前省內還未形成統(tǒng)一的低壓無功補償設備配置標準，有必要對典型地區(qū)低壓無功補償?shù)脑圏c安裝和實際運行情況進行分析，研究低壓無功補償設備的配置位置、配置容量、配置方式的優(yōu)化及其改善電壓質量和降損節(jié)點的效果，為今后中低壓網(wǎng)絡無功補償設備的配置優(yōu)化工作提供依據(jù)。 2、無功補償原則 電力網(wǎng)除了要承擔用電負荷的有功功率P，還有負擔負荷的無功功率Q。有功功率P、無功功率Q和視在功率S之間存在下述關系，即： ，而 被定義為電力網(wǎng)的功率因數(shù)。在電力網(wǎng)的運行中，我們希望功率因數(shù)越大越好，如能做到這一點，則電路中的視在功率將大部分用來供給有功功率，以減少無功功率的消耗。 提高功率因數(shù)具有重要的意義。 （1）改善設備的利用率 功率因數(shù)可表示成 ，其中U、I為線電壓、線電流。即在一定的電壓和電流下，提高 ，其輸出的有功功率越大，因此，改善功率因數(shù)是充分發(fā)揮設備潛力，提高設備利用率的有效方法。 （2）減少電壓損失 電力網(wǎng)的電壓損失 ，影響△U的因素有四個：線路的有功功率P、無功功率Q、電阻R、電抗x。如果采用容抗為Xc的電容來補償，則電壓損失變?yōu)?，即采用補償電容提高功率因數(shù)后，電壓損失△U減小，改善了電壓質量。 （3）降低線路電能損耗 當線路通過電流I時，其有功損耗：   可見，線路有功損失△P與 成反比， 越高，△P越小。 （4）提高電力網(wǎng)的傳輸能力      視在功率與有功功率關系 ，可見在傳輸一定有功功率P的條件下， 越高，所需視在功率越小。 根據(jù)《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則》、《電力系統(tǒng)電壓和無功電力管理條例》、《國家電網(wǎng)公司電力系統(tǒng)無功補償配置技術原則》等一系列規(guī)程導則的技術規(guī)定，結合江蘇電網(wǎng)的實際情況，江蘇省電力公司制定了《江蘇電網(wǎng)“十一五”電壓質量和無功電力規(guī)劃》，其中對于無功補償總的配置原則如下： （a）堅持長遠目標和近期需求相結合的原則，統(tǒng)一規(guī)劃，統(tǒng)一標準，突出重點，循序漸進，優(yōu)化資源配置。 （b）綜合利用調壓和無功補償手段，實現(xiàn)電網(wǎng)電壓質量和無功電力平衡綜合治理，改善電網(wǎng)電壓質量，提高電網(wǎng)經(jīng)濟運行水平，實現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟效益和社會效益的共同提高。 （c）堅持調壓與降損相結合，以降損為主；集中補償與分散補償相結合，以分散補償為主；高壓補償與低壓補償相結合，以低壓補償為主的原則，實行分級補償，實現(xiàn)無功動態(tài)就地平衡。 （d）堅持科技創(chuàng)新的原則，加大資金投入，積極研究開發(fā)和推廣應用先進適用的新技術、新設備，提高電網(wǎng)電壓無功管理的科技水平。     3、低壓無功補償配置方式 低壓電網(wǎng)處于電網(wǎng)的最末端，直接面向眾多用戶，做好低壓無功補償工作，不但可以減輕上一級電網(wǎng)補償?shù)膲毫?，還可以提高配變利用率、改善用戶功率因數(shù)和電壓質量，并有效的降低電能損失，減少用戶電費，這對用戶和系統(tǒng)均有益。 低壓無功補償?shù)哪康氖菍崿F(xiàn)無功的就地平衡，在進行無功補償配置時，需要確定兩方面內容:①補償?shù)攸c和補償方式的確定；②補償容量的配置。通常采用的方法有三種：跟蹤補償、隨機補償、隨器補償。 （1）跟蹤補償及隨機補償 跟蹤補償和隨機補償常用于用戶端補償。跟蹤補償是最常用的補償方式，通過將低壓電容器組安裝在用戶0.4kV母線上，使用自動投切方式跟蹤無功負荷的變化。隨機補償常用于大型電動機和電焊機等功率因數(shù)很低的設備，通過控制、保護裝置與電動機同時投切。對于大型電動機等設備有很好的經(jīng)濟效益。 （2）隨器補償 隨器補償是指將低壓電容器接在配電變壓器二次側以補償配電變壓器空載無功的補償方式。配電變壓器，尤其是綜合用戶配變，普遍存在負荷輕、“大馬拉小車”現(xiàn)象，在負荷低谷時接近空載。配電變壓器在輕載或空載時的無功負荷主要是變壓器的空載勵磁無功。 早期的隨器補償多數(shù)為固定式補償，只能補配變的空載無功負荷，若補償容量值過大易引起配變輕載時的過補償問題?，F(xiàn)在則大多將自動無功投切裝置作為無功控制保護裝置，可根據(jù)變壓器無功負荷的大小自動投切，這種方式己經(jīng)成為近年來隨器補償?shù)闹饕绞健?另外還有一種方式則為低壓線路“三分二”補償方式，即在低壓線路的2/3長度處配置總無功負荷的2/3容量。此方法的前提是假設低壓線路上的無功負荷沿線路均勻分布。 4、影響功率因數(shù)的主要因素 （1）電感性設備影響。如異步電動機、感應電爐、交流電焊機等大量的電感性設備，是無功功率的主要消耗者。 （2）變壓器影響。變壓器消耗的無功功率一般約為其額定容量的10％～15％，它的空載無功功率只有滿載時的1/3。所以，為了改善電力系統(tǒng)和企業(yè)的功率因數(shù)，變壓器不應空載運行或長期處于低負載狀態(tài)運行。 （3）供電電壓高的影響。供電電壓超出規(guī)定范圍，也會對功率因數(shù)造成很大影響。當 高于額定值的10％時，由于磁路飽和的影響，無功功率將增長得很快；當其低于額定值時，無功功率也相應減少，從而使它們的功率因數(shù)有所提高。但供電電壓降低會影響電氣設備的正常工作。 5、無功補償?shù)姆诸?就無功自動補償性質而言，一般分為三相電容自動補償和分相電容自動補償兩種。 （1）三相電容自動補償比較適用于三相負載平衡的供配電系統(tǒng)。因為三相回路是平衡的，回路中無功電流相同，所以在補償時，調節(jié)無功功率參數(shù)的信號取自三相中的任意一相即可。然后再根據(jù)檢測結果，三相同時投切，這樣可保證三相電壓的質量。 （2）分相電容自動補償。在民用建筑中大量使用單相負荷，它容易造成三相負載的嚴重不平衡，尤其是住宅樓在運行中三相不平衡問題更為嚴重。若用傳統(tǒng)的三相無功補償方式，不但不節(jié)能，反而浪費資源，難以對系統(tǒng)的無功補償進行有效補償。再說，補償過程中所產(chǎn)生的過、欠補償?shù)缺锥烁墙o整個電網(wǎng)的正常運行帶來了嚴重的危害。因此，對于三相不平衡及單相配電系統(tǒng)中，均采用分相電容自動補償，其原理是調節(jié)無功功率參數(shù)的信號取自三相中的每一相，然后根據(jù)每相感性負載的大小和功率因數(shù)的高低作相應的補償，對別的相不產(chǎn)生相互影響。 6、新舊無功補償裝置性能比較 （1）投切器件。普通型無功補償裝置是通過中間繼電器（或同態(tài)繼電器）接通接觸器、控制補償電容器投入或切除的。投切電容不能保證在零電位瞬間，容易引起很人的浪涌電流或電壓，進而引起電氣傷害，也是供電故障的主要原因。新型無功補償裝置（SVS）采用進口芯片品閘管，電容采用零電位瞬間投切，無尖峰脈沖電流干擾電網(wǎng)，能保證系統(tǒng)安全供電，在有敏感電子設備的場合下應用非常重要。 （2）補償方式。普通無功補償裝置對三相不對稱負荷或單相負荷明顯的場所，也只能實行三相等量補償。新型無功補償裝置（SVS）可根據(jù)實際需要自動投入等量或不等量電容，實現(xiàn)三相對稱或不對稱補償功能。 （3）濾波回路。新型無功補償裝置（SVS）帶有RC吸收回路，能濾除高次諧波，實現(xiàn)無投切振蕩，無補償呆區(qū)。適用于諧波污染嚴重的三相電網(wǎng)中無功功率的補償。 （4）投切時間。普通無功補償裝置在投入或切除一步之間需要很長的時間，因此補償系統(tǒng)的特性受到影響。新型無功補償裝置（SVS）當負載變化需要投切不止一個組數(shù)時，可以同時精確控制相應組數(shù)。 （5）響應時間。普通無功補償裝置機電開關投切的反應時間很慢，接通一組需要10～30s的時間，完成全部補償需要幾分鐘的時間。新型無功補償裝置（SVS）對于50Hz電網(wǎng)，在每個周期內使用快速傅里葉算法，自動響應時間小超過20ms。 （6）補償精度。普通無功補償裝置由十電容組合配置精度不高，且跟蹤不迅速，容易造成超前或滯后等補償不精確的現(xiàn)象。新型無功補償裝置（SVS）由于每級電容按照2n-1倍數(shù)（1≤n≤4）等容遞增配置，可實現(xiàn)瞬時隨機組合投切，并可實現(xiàn)三相不對稱同時分別補償，平均功率因數(shù)均為0.9～0.99。 （7）運行性能。普通無功補償裝置接觸器投切系統(tǒng)的控制器通常情況下需要撥碼開關，小的顯示讓它非常困難地檢查系統(tǒng)的特性，沒有附加的遠程控制和通信，保護功能落后。新型無功補償裝置（SVS）采用先進的微電腦控制器，檢測及跟蹤投切自動控制完成，無需人工干預，使用大的LCD顯示屏，提供非常方便的使用特性，可實現(xiàn)遠群控制及報告系統(tǒng)和電網(wǎng)的情況。它具有嚴格的抗干擾能力，對過壓、缺相、欠壓及輸出端短路等線路故障均具有保護功能。 （8）維護性能。普通無功補償裝置接觸器壽命有限，需經(jīng)常更換接觸器通斷所引起的浪涌會導致頻繁的設備故障和額外的更換。投入的電容器總是從零電位開始，對電網(wǎng)及電容器本身具有相當大的沖擊。新型無功補償裝置（SVS）通過特有的吸收回路，可將回路中的尖峰脈沖吸收，通過特有的充電回路，可將準備投入的電容事先充電而保持一定電位的直流電平，減少對電網(wǎng)的沖擊，更好地保護開關模塊及電容器，具有很長的使用壽命，從而大大減少現(xiàn)場維護費用。 （9）經(jīng)濟性能。普通無功補償裝置最初成本因為器什的更換和維修而經(jīng)常改變，一段時間以后評估接觸器開關投切系統(tǒng)，實際的費用和間接的損失將比初始的投資大。新型無功補償裝置（SVS）初始投資比接觸器系統(tǒng)高，但是當考慮到運行和維護所需要的費用，整體投資比接觸器開關投切的系統(tǒng)低。同時因為補償因數(shù)較高，供電部門可能還會有一定的獎勵。 7、管理與維護 7．1 動態(tài)管理 無功補償裝置安裝后，需要使用筆記本電腦進行現(xiàn)場在線動態(tài)管理，調出歷史資料查看裝置是否按照設置方式和參數(shù)進行自動投切。還要從變電站觀察補償裝置投、切時線路上功率因數(shù)和電流是否發(fā)生了變化，達到預期的效果。如不理想，應該分析原因，調整設置參數(shù)，甚至調整定補和自補容量。 7．2 制定無功補償管理制度 是為了做好無功管理工作的保障，必須編寫詳細，責任明確，達到閉環(huán)管理。要從補償裝置計劃提出開始，到對設備的技術要求、選型定貨、驗收試驗、安裝施工、運行管理、維護檢修、拆遷移位等每個環(huán)節(jié)都要落實到相關部門，責任到人。 根據(jù)比較，新型低壓無功動態(tài)補償裝置（SVS）的各項技術性能，都優(yōu)于傳統(tǒng)的補償裝置。而且使用壽命還長，維護工作量也小，長期節(jié)能效果也好。