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天权STAR
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梦梦890505

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电气化铁路中SVC负序补偿应用技术研究 摘要:随着电气化铁路的迅速发展,电铁牵引负荷产生的负序分量及高次谐波,除对牵引供电系统造成危害外,还会造成电力系统负序及谐波污染[1],因而,电铁的负序及谐波危害已成为制约我国电气化铁路发展的重要因素。结合电气化铁路给电网带来的影响,着重探讨电铁负序补偿中SVC的使用问题。根据国外一些发达国家如日本、澳大利亚等国成功将SVC技术应用在电气化铁路的无功和负序补偿案例以及国内SVC负序补偿应用实例,对SVC负序补偿原理及运行方式进行了研究分析,对SVC在电铁负序治理中的应用前景做了初步探讨,以期提高电力系统运行的经济效益和社会效益。 关键词:电气化铁路;负序补偿;SVC 0 引言 世界上第一条用电力机车作为牵引动力的电气化铁路于1879年在德国柏林建成。中国于1961年建成第一条电气化铁路———宝成铁路的宝鸡至凤州段。电气化铁路问世后发展很快,法国、日本、德国等国家已形成以电气化铁路为主的铁路运输业,大部分货运量由电气铁路完成。电气化机车上不设原动机,其电力由牵引供电系统提供。该系统由牵引变电所和接触网构成,来自高压输电线路的高压电经牵引变电所降压整流后,送至铁路架空接触网,电气机车通过滑线弓受电,牵引机车行驶。由于电力机车运营可以使铁路运输成本降低30%~40%,因此越来越成为发展的方向。电力机车是波动性很大的大功率单相整流负荷,对于三相对称的电力系统供电来说,电铁牵引负荷具有非线形、不对称和波动性的特点,将产生三相不平衡的负序及高次谐波电流注入电网[1],使得旋转电机转子发热、电力变压器使用寿命缩短、输电线路送电能力降低,继电保护装置误动及安全自动装置不能正常投切等诸多影响电网运行的不利因素。因此,必须对电铁机车对电力系统的影响有足够的重视并采取应对措施[2-3]。目前关于电铁谐波治理的技术已经趋于成熟[4],但对于负序的治理仍存在很多问题,传统上广泛使用的关于减小电铁负序分量的方法大多是合理安排机车及系统机组运行方式,尽量削弱电铁负序分量对电网的影响,此方法虽能在一定程度上控制电铁对电力系统的影响,但仍存在诸如列车运行方式临时变化、电力系统机组检修等问题,影响治理效果。根据电铁负荷给电网带来的负序影响,着重对SVC负序补偿基本原理及运行方式进行了研究分析;将国内外应用SVC治理电铁负序分量的案例做了综述;最后对SVC在电铁负序治理中的应用前景做了初步探讨。 1 电铁负荷负序分量对电网的影响 负序分量对电网的影响[2] 对旋转电机的影响 1)汽轮发电机转子为敏感部位,因为汽轮发电机转子负序温升比定子大,存在局部高温突出部位,国内曾发生过向电铁供电的汽轮发电机转子部件嵌装面过热受损的事故;另一方面,当负序电流流过发电机时,产生负序旋转磁场、负序同步转矩,使发电机产生附加振动。 2)对邻近牵引变电所而远离电源的异步电动机,其定子绕组为敏感部位。同时还将在电动机中产生一反向旋转磁场,此反向磁场对电动机转子起制动作用,影响其出力。在谐波和负序电流的共同影响下,国内曾发生多起定子绕组过热烧毁事故。 对电力变压器的影响负序电流造成电力系统三相电流不对称,使得变压器的额定出力不足(即变压器容量利用率下降)。 对输电线路的影响流过电力网的负序电流,只是降低了电力线路的输送能力,并不作功。 对继电保护和自动装置的影响对各种以负序滤波器为启动元件的保护及自动装置干扰:由于保护按负序(基波)量整定,整定值小、灵敏度高。滤波器为启动元件时,实际运行中已引起下列保护和自动装置误动。 1)发电机的负序电流保护误动。2)变电站主变压器的复合电压启动过电流保护装置的负序电压启动元件误动。3)母线差动保护的负序电压闭锁元件误动。4)自动故障录波装置的负序启动元件的误启动,导致无故障记录而浪费记录胶卷。在频繁误动时,可能造成未能及时装好新胶卷而导致发生故障时无记录。 负序分量影响的标准[5] 我国有关同步发电机承受不平衡电流允许值的规定如下:1)在按额定负荷连续运行时,汽轮发电机三相电流之差不超过额定值的10%,水轮发电机和同步调相机三相之差不超过额定值的20%,同时任何一相的电流不得大于额定值。2)在低电压额定负荷连续运行时,各相电流之差可以大于上面的规定值,但应根据实验确定数值。对于100 MW及以下汽轮发电机,当三相负荷不对称时,若每相电流均不超过额定值,且负序分量与额定电流之比不超过8%,应能连续运行,100 MW以上的发电机,一般认为负序分量与额定电流之比不超过5%。 2 SVC负序补偿基本原理及运行方式[6-8] SVC全称为“静止型动态无功补偿器”,主要用于补偿用户母线上的无功功率,其通过连续调节其自身无功功率来实现的,一般SVC由并联电感和电容两个回路组成,其中感性回路为动态回路,其感性无功功率可连续分相调整,使得整个装置无功功率的大小和性质发生变化,分相控制的依据为三相平衡原理。用Qs表示系统总无功功率,QF为用户负荷的无功功率,QL为晶闸管控制电抗器(TCR)的无功功率,QC为电容器无功功率,上述平衡过程可以用公式(1)来表达:Qs=QF+QL-QC=常数=0 (1)如图1所示,A为系统工作点。负荷工作时产生感性无功QF,补偿装置中的电容器组提供固定的容性无功QC,一般情况下后者大于前者,多余的容性无功由TCR平衡。当用户负荷QF变化时,SVC控制系统调节TCR电流从而改变QL值以跟踪,实时抵消负荷无功,动态维持系统的无功平衡。最简单的TCR装置组成和工作原理如图2所示:TCR的基本结构是两个反并联的晶闸管和电抗器串联。晶闸管在电源电压的正负半周轮流工作,当晶闸管的控制角α在90°~180°之间时,晶闸管受控导通(控制角为90°时完全导通,180°时完全截止)。在系统电压基本不变的前提下,增大控制角将减小TCR电流,减小装置的感性无功功率;反之减小控制角将增大TCR电流,增大装置的感性无功。就电流的基波分量而言,TCR装置相当于一个可调电纳。其等效电纳为:式中,α为晶闸管导通角;L为电抗器电感值;ω为网压的角频率。对于不对称负荷,应采用分相调节,根据瞬时电压和电流求出所需的补偿电纳。TCR分相调节的理论基础为司坦麦兹(STEINMETZ)理论,在此理论指导下,SVC能够将负荷补偿为纯有功的三相平衡系统。司坦麦兹(STEINMETZ)理论有多种表达形式,本文给出一种常用的补偿电纳公式:r分别为△连接的补偿电抗器电纳值;V为系统电压有效值为系统电压(线电压)瞬时值;ia(I),ib(I),ic(I)为系统电流瞬时值;T为采样周期,一般为10 ms。根据以上补偿理论,将一个理想的补偿网络与负荷相连就可以把任何不平衡的三相负荷变换成一个平衡的三相有功负荷,而不会改变电源和负荷间的有功功率交换,能够取得良好的电能质量治理效果。 3 SVC在电铁负序治理中的应用 国外电铁SVC应用情况 日本东海道新干线西相模牵引变,根据牵引变接入电网点检出的无功电流和负序电流,由负荷特性计算补偿电路SVC所需无功电流的数值,对TCR中的晶闸管触发信号加以控制,从而对有功功率的不平衡与负序进行补偿。澳大利亚昆士兰铁路将总容量为600 MV·A的套SVC根据需要分别装设在沿途各牵引变的低压侧,将一套340 MV·A的SVC装设在更高一级电压等级的电网。补偿后,负序电压由补偿前的下降到%。英法海底隧道采用了ABB提供的SVC以解决负荷平衡问题,通过SVC补偿后,不平衡度小于%。 国内电铁SVC应用情况 2000年10月,神朔电气化铁路(神华集团)开通,单相供电牵引所产生巨大负序电流,引起三相供电系统的不平衡,给邻近神木电厂(属神华集团)发电机组(2×100 MW)稳发、满发以及整个陕北电网的稳定和安全运行带来严峻考验。2000年11月至12月神木发电公司2台发电机组由于负序原因被迫停运,损失发电量超过1×108 kW·h。2001年330 kV神木变投运后,供电质量得到了一定的改善。根据实测,330 kV神木变2台主变并列运行时,神木发电公司单机组运行,发电机中负序电流可达到额定电流的15%(规定值<8%,2 台机组同时运行时发电机中负序电流也可达到8%的临界值)。为保证发电公司能正常发电,330 kV主变只能采用分列运行方式,1台供神木发电公司发电进网,1台供电铁牵引站送电。在该方式下,单机组发电时,发电机中的负序电流仍时有超过8%的现象发生。由于电铁的影响,神木发电公司在运行中还经韩宏飞等:电气化铁路中SVC 负序补偿应用技术研究 常出现发电变差动保护误动、循环水泵电机过负荷等故障。2002年,经过多方考虑神华集团公司斥巨资在神朔电铁供电线路上加装静止型动态无功补偿装置(SVC)以治理电铁牵引站对电网所产生的污染,包括抑制谐波、提高功率因数、快速连续无功调节、抑制电压波动和闪变、解决三相不对称等问题。神朔SVC工程与2002年5月底投入运行,并于2002年8月10日完成竣工验收移交。其间西北电力试验研究院受用户委托对该工程进行了实际跟踪测试,证明该设备性能稳定、运行安全可靠、各项指标均为优良、补偿效果良好,完全达到并优于用户要求,方案实施后取得了预期效果。该装置在国内首次实现了110 kV电铁供电线上对多座电铁牵引负荷的整体动态实时补偿,首开电铁与电网补偿综合治理的成功先例。 4 结语 SVC装置在电气化铁道中应用的主要问题是资金问题。随着我国电网建设的进一步发展以及电气化铁路大规模的建设,对SVC在电铁中的应用提出了更高要求,迫切需要设计、生产出性能最佳、价格便宜的SVC装置。辽宁某厂家生产的SVC,于1997年通过了辽宁省科委及原国家计委重点工业性试验项目鉴定,实现了国产化;中国电力科学研究院生产的SVC于2004年在鞍山红一变投入运行,也实现了国产化;在我国冶金、煤炭、化工、电铁等行业中使用的SVC,国产的占绝大多数。国产SVC实用化程度进一步提高,国产的SVC装置除具备SVC的常规特点外,还具有无水冷却(热管自冷技术),出厂前进行全载、全压试验,运行中可以进行远程实时监控运行等特征。近10 a来,国产SVC装置的安全运行实践证明了国产SVC装置技术经济指标的优越性和先进性。经辽宁该厂家建议,由全国电压/电流等级和频率标准化技术委员会牵头制定的中华人民共和国国家标准《静止式动态无功功率补偿装置(SVC)功能特性导则》和《静止式动态无功功率补偿装置(SVC)现场试验导则》报批稿已经上报,必将促进SVC的进一步发展。目前,国产SVC的规模化生产能力不仅完全可以满足我国电力系统和各行业的需要,而且还具有出口能力。目前该厂家生产的我国第一套应用于电气化铁路的高压大功率静止无功发生器亦进入最后调试阶段,此套装置将发往上海铁路局用于电气化铁路电能质量治理。首套电铁系统专用静补装置的问世,标志着我国成为世界上少数几个掌握该技术的国家。目前国产SVC已占领了国内电气化铁路系统、冶金行业绝大部分市场份额,成为世界上SVC的主要制造商之一,2006年的装机数量更是首次超过瑞士ABB与德国西门子SIEMENS,跃居全球第一,国内厂家精心研制的高压动态无功补偿装置(SVC)已具有国际同期先进水平。可以预见,随着国产SVC技术水平的进一步成熟、性价比的进一步提高,SVC在我国电气化铁路建设中必将发挥重要作用,为促进我国铁路建设实现跨越式发展提供有力保障。 [参考文献]: [1] 林建钦,杜永宏. 电力系统谐波危害及防止对策[J].电网与清洁能源,2009,25(02):28-31. [2] 卢志海,厉吉文,周剑.电气化铁路对电力系统的影响[J].继电器,2004,32(11):33-36. [3] 任元.信阳和驻马庙地区电气化铁路谐波引起220 kV高频保护动作的分析[J].电网技术,1995,19(2):32-35. [4] 李郑刚. 电石炉无功补偿与谐波抑制.文秘杂烩网 ,2009,25(01):76-78. [5] 电力工业部电力规划设计总院.电力系统设计手册[S].北京:中国电力出版社,2005. [6] 朱永强,刘文华,邱东刚,等.基于单相STATCOM的不平衡负荷平衡化补偿的仿真研究[J]. 电网技术,2003,27(8):42-45. [7] 李旷,刘进军,魏标,等.静止型无功发生器补偿电网电压不平衡的控制及其优化方法[J].中国电机工程学报,2006,26(5):58-63. [8] 辽宁荣信电力电子股份有限公司.SVC控制系统用户手册[K].辽宁: 荣信电力电子股份有限公司,2006采纳哦

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杨大公主H

电气化铁道电能质量综合控制研究摘 要:作为典型的非平衡负载,电气化铁道的牵引负载给公共电网带来的谐波、负序和无功等电能质量问题不容忽视。静止无功补偿装置(SVC)是一种减小甚至消除无功、谐波以及其他电能质量问题的有效方法。以静止无功补偿器(SVC)为基础,对电气化铁道的电能质量问题的综合控制进行研究。关键词:电气化铁道;电网;电能质量;综合控制1 前言中国的电气化铁道总里程已经突破2·4万公里,跃居世界第二。电气化铁道具有运载能力强、行车速度快、节约能源、对环境污染小等优点,在现代国民经济发展中起着举足轻重的作用。但是,由于电气化铁道牵引负载所具有的随即波动性和不对称性,其给公共电网带来的诸如负序电流、谐波以及无功功率等电能质量问题也引起了极大的关注。研究如何利用有效手段治理电气化铁道牵引负载所带来的一系列电能质量问题,确保电网中其他电力设备的安全经济运行具有重大意义。2 电气化铁道牵引供电系统2·1 概述我国的动力供电电网电压一般为110kV或者220kV,通过牵引变压器转换为27·5kV作为牵引动力机车的供电。现在普遍流行的牵引变压器种类主要有单相牵引变压器、Y-D11牵引变压器、阻抗匹配牵引变压器、Scott变压器等。我国电气化铁道采用工频交流50Hz三相供电单相用电,其负荷牵引电力机车的功率大,速度、负载状况变化频繁,且具有不对称的特性,导致牵引电网具有功率因数低、谐波含量高、负序电流大等特点,不但自身损耗大,而且对公共电网及铁路沿线的其他电力设备也带来严重危害,必须采取有效措施加以治理[1]。2·2 单相变压器牵引供电网采用单相牵引变压器的牵引供电系统拓扑结构如图1所示[2]。单相接线牵引网采用单相变压器供电,供电方式又分为单相接线方式和V-V接线方式。单相接线牵引变压器的原边跨接于三相电力系统中的两相;副边一端与牵引侧母线连接,另一端与轨道及接地网连接。牵引变压器的容量利用率高,但其在电力系统中单相牵引负荷产生的负序电流较大,对接触网的供电不能实现双边供电。所以,这种结线只适用于电力系统容量较大,电力网比较发达,三相负荷用电能够可靠地由地方电网得到供应的场合。另外,单相牵引变压器要按全绝缘设计制造。而单相V-V接线将两台单相变压器以V的方式联于三相电力系统每一个牵引变电所都可以实现由三相系统的两相线电压供电。两变压器次边绕组,各取一端联至牵引变电所两相母线上。而它们的另一端则以联成公共端的方式接至钢轨引回的回流线。这时,两臂电压相位差60°接线,电流的不对称度有所减少。这种接线即通常所说的60°接线。2·3 三相Y-D11变压器牵引供电网采用三相Y-D11牵引变压器的牵引供电系统拓扑结构如图2所示[2]。三相Y-D11结线牵引变压器的高压侧通过引入线按规定次序接到110kV或220kV,三相电力系统的高压输电线上;变压器低压侧的一角c与轨道,接地网连接,变压器另两个角a和b分别接到27·5kV的a相和b相母线上。由两相牵引母线分别向两侧对应的供电臂供电,两臂电压的相位差为60°,也是60°接线。因此,在这两个相邻的接触网区段间采用了分相绝缘器。3 SVC静止型动态无功补偿装置3·1 SVC的发展静止型动态无功补偿装置SVC是一种先进的高压电网动态功率因数补偿装置。它通过提高功率因数来节约大量的电能,同时又起到减少电网谐波、稳定电压、改善电网质量(环境)的作用。20世纪70年代以来,以晶闸管控制的电抗器(TCR)、晶闸管投切的电容器(TSC)以及二者的混合装置(TCR+TSC)等主要形式组成的静止无功补偿器(SVC)得到快速发展。SVC可以看成是电纳值能调节的无功元件,它依靠电力电子器件开关来实现无功调节。SVC作为系统补偿时可以连续调节并与系统进行无功功率交换,同时还具有较快的响应速度,它能够维持端电压恒定3·2 SVC的工作原理及在电网中应用TCR+TSC型SVC的基本拓扑结构见图3。它由1台TCR、2台TSC以及2个无源滤波器组成,在实际系统中,TSC及无源滤波的组数可根据需要设置。TCR的工作原理是通过控制与相控电抗器连接的反并联晶闸管对的移相触发脉冲来改变电抗器等效电纳的大小,从而输出连续可变的无功功率。图3中两个晶闸管分别按照单相半波交流开关运行,通过改变控制角α可以改变电感中通过的电流。α的计量以电压过零点为基准,α在90°~180°之间可部分导通,导通角增大则电流基波分量减小,等价于用增大电抗器的电抗来减小基波无功功率。导通角在90°~180°之间连续调节时电流也从额定到0连续变化,TCR提供的补偿电流中含有谐波分量[3]。TSC的工作原理是根据负载感性无功功率的变化通过反并联晶闸管对来切除或者投入电容器。这里,晶闸管只是作为投切开关,而不像TCR中的晶闸管起相控作用。在实际系统中,每个电容器组都要串联一个阻尼电抗器,以降低非正常运行状态下产生的对晶闸管的冲击电流值,同时避免与系统产生谐振。用晶闸管投切电容器组时,通常选取系统电压峰值时或者过零点时作为投切动作的必要条件。由于TSC中的电容器只是在两个极端的电流值之间切换,因此它不会产生谐波,但它对无功功率的补偿是阶跃的。TCR和TSC组合后的运行原理为:当系统电压低于设定的运行电压时,根据需要补偿的无功量投入适当组数的电容器组,并略有一点正偏差(过补偿),此时再利用TCR调节输出的感性无功功率来抵消这部分过补偿容性无功;当系统电压高于设定电压时,则切除所有电容器组,只留有TCR运行。4 电网电能质量综合控制与治理4·1 谐波抑止与无功补偿利用SVC动态无功补偿装置对牵引供电系统的谐波和无功进行综合治理的关键是SVC最大无功补偿量的确定和滤波器支路的设计[3]。SVC最大无功补偿量Qsvc应该和设计线路牵引负荷的大小相适应,应该按电气化铁道牵引负荷的最大有功需求以及补偿后对装设地点功率因数或在最大无功冲击时的最大电压损耗的要求来确定,具体可以按照式(1)、(2)来计算。QSVC=(tanφ1-tanφ2)Pmax(1)式中,φ1、φ2分别为补偿前后110kV电源测功率因数角;Pmax为电铁负荷最大有功需求。QSVC=Qfmax-ΔU%Xs(2)式中,Qfmax为装设地点最大无功冲击;ΔU%为装设地点最大电压损耗要求;Xs为系统阻抗。要想达到理想的谐波抑止效果,必须综合考虑FC滤波支路的设计,既要保证装置的安全运行,又要达到预计的理想效果。在实际设计中,首先需要根据供电臂中所含的谐波分量来确定FC滤波支路的组成。由于在电力牵引负荷的谐波中, 3、5、7次谐波占了很大的比重,所以FC滤波支路一般由3、5、7次单调谐滤波器构成。当最大无功补偿容量和滤波支路的组成确定后,如何将需补无功容量合理分配到各滤波支路中,这是非常重要的问题。如果各滤波支路的容量分配不合理,一方面会使设备安装总容量偏大,另一方面有可能因为某此滤波回路补偿功率偏小而发生过负荷,对设备安全运行造成影响。一些著名的电气公司采用的一些算法如下[6]:如西门子公司的无功功率补偿按式(3)分配Qc(h)=QSVCIh/h∑Ih/h(3)式中,Qc(h)是第h次滤波支路分配的补偿容量;Ih为供电臂第h次谐波电流。BBC电气公司按照式(4)分配无功功率Qc(h)=QSVC∑Ih(4)AEG电气公司则按照式(5)分配无功Qc(3)∶Qc(5)∶Qc(11)∶Qc(13)=2∶2∶1∶1 (5)式中,Qc(3)、Qc(5)、Qc(11)、Qc(13)分别为第3、5、11、13次滤波支路分配的补偿容量。4·2 负序电流补偿牵引电力机车产生的大量负序电流给电网中其他的电力设备的安全、经济运行带来极大影响。SVC静止动态无功补偿装置在补偿负序和末端电压上有着相当高的效率。工程应用上可以选择在电网系统和负荷上都安装SVC[5]。在电网系统端安装应用SVC来补偿负序电流的原则是参照斯坦梅茨法则(Steinmetz′s laws)。不管采用哪一种牵引变压器,负序补偿的实现分为如下两步:(1)电力因数修正。通过安装电容器件,使得每相负荷都为电阻性。(2)参照斯坦梅茨法则(Steinmetz′s laws),AB相的电阻性负荷G,与BC相的电容性负荷G/ 3以及CA相的电感性负荷G/ 3互相对称。电流环路图和相位图分别如图4、5所示:从图5可以明显看到线电流I·A,I·B,I·C是对称且正序的,BC相和CA相之间的阻抗负载也可以做到类似的对称,因此系统中的所有负序电流都可以被补偿而消除。现在问题的关键是如何随着牵引负荷的起伏动态地控制补偿需要的电容和电感器组。急于数字信号处理器(DSP)的固定电容(FC)和晶闸管控制的电抗器(TCR)的组合得以广泛应用,如图6所示。得益于DSP对数据信息的快速处理,补偿所需的电容和电感参数可以被快速、精确计算得到。5 结论与展望本文提出的基于静止动态无功补偿装置(SVC)的电气化铁道牵引电网电能质量综合控制与治理原理与方案具有重要的工程意义。电气化铁道的电能质量是一个突出且严峻的课题与难题,要求我们不断探求新的综合补偿方法,来综合控制与治理影响电能质量的无功、谐波、负序等因素,以提高电网电能质量,确保电网安全、经济运行。参考文献[1] 李群湛.电气化铁道并联综合补偿及其应用[M].北京:中国铁道出版社, 1993.[2] TB/10009-2005铁路电力牵引供电设计规范[S].[3] 王兆安.谐波抑止和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,1999.[4] 铁道部电气化工程局电气化勘测设计院.电气化铁道设计手册牵引供电系统[M].北京:中国铁道出版社, 1988.[5] 安鹏,张雷,刘玉田.电气化铁道对电力系统安全运行的影响及对策[J].山东电力技术, 2005, (4): 16-19.[6] 马千里.动态无功补偿装置在牵引变电所的应用[J].电气化铁道, 2008(4).

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小囡1234

第一讲:基础知识一、为什么要进行无功补偿?交流电力系统需要电源供给两部分能量,一部分用于作功而被消耗掉,这部分能量将转换成机械能、光能、热能和化学能,我们称之为“有功功率”。另一部分能量是用来建立磁场,用于交换能量使用的,对于外部电路它并没有作功,有电能转换为磁能,再有磁能转换为电能,周而复始,并没有消耗,这部分能量我们称之为“无功功率”。无功是相对于有功而言的,不能说无功是无用之功,没有这部分功率,就不能建立感应磁场,电动机、变压器等设备就不能运转。在电力系统中,除了负荷无功功率外,变压器和线路上的电抗上也需要大量的无功功率。在电网中安装并联电容器、同步调相机等容性设备以后,可以供给感性电抗消耗的部分无功功率小电网电源向感性负荷提供无功功率。也即减少无功功率在电网中的流动,因此可以降低输电线路因输送无功功率造成的电能损耗,改善电网的运行条件。这种做法称为“无功补偿”。无功功率的定义 国际电工委员会给出的无功功率的定义为:电压与无功电流的成积。 QC=U×IC 其物理意义为:电路中电感元件与电容元件活动所需的功率交换称为无功功率。(插入讲解电感元件及电容元件)电磁(电感)元件建立磁场占用的电能,电容元件建立电场所占的电能.电流在电感元件中作功时,电压超前于电流90℃.而电流在电容元件中作功时,电流超前电压90℃.在同一电路中,电感电流与电容电流方向相反,互差180℃.如果在电磁元件电路中有比例地安装电容元件,使两者的电流相互抵消,使电流的矢量与电压矢量之间的夹角缩小,从而提高电能作功的能力,这就是无功补偿的原理。(电容元件、电感元件均为动态元件,电容元件的电流是电压与时间的导数关系, ,电感元件的电压是电流与时间的导数关系, )矢量图: 我们将每一瞬间电感上的电压与电感电流IL相乘得到电感的功率曲线PL(图a),同样的,将电容上的电压与电容电流IC相乘得到电容的功率曲线PC(图b)。 如图(a)所示,功率在第二个和第四个1/4周期内电感在吸收功率,并把所吸收的能量转化为磁场能量;而在第一和第三个1/4周期内电感就放出功率,储存在磁场中的能量将全部放出。这时电感好象一个电源,把能量送回电网。磁场能量和外部能量的转化反复进行,电感的平均功率为零,所以电感是不消耗功率的。 如图(b)所示,在电容中,在第一个1/4周期内,电容在吸收功率进行充电,把能量储存在电场中。在第二个1/4周期内电容则放出功率,原来储存在电场中的能量将全部送回给外部电路。第三和第四个1/4周期内各重复一次。 电容的充电和放电过程,实际上就是外部电路的能量和电容的电场能量之间的交换过程。在一个周期内,其平均功率为零,所以电容也是不消耗功率的。 我们注意到:在第一个1/4周期中,当电压通过零点逐渐上升时,电容开始充电吸收功率,电感则将储存的能量放回电路。而当第二个1/4周期,电感吸收功率时,电容放出功率。第三和第四个1/4周期又重复这样的充放电循环过程。 因此,电容和电感并联接在同一电路时,当电感吸收能量时,正好电容释放能量;电感放出能量时,电容正好吸收能量。能量就在它们中间互相交换。即电感性负荷所需的无功功率,可以由电容器的无功输出得到补偿,因此我们把具有电容性的装置称为“无功补偿装置”。 二、功率因数1、功率因数的定义:功率因数等于网络的电压比电流超前的相位差的余弦。2、提高功率因数的意义: (1)改善设备的利用率因为功率因数还可以表示成如下形式:COSφ= = 其中U―――线电压,kVI―――线电流,A可见,在一定的电压和电流下,提高COSφ,其输出的有功功率越大。发电机、变压器等电力设备在设计时均有一定的电压有效值U和电流有效值I,即设备需在一定的额定电压及额定电流下运行。根据P= UIcosφ,若功率因数较低,则发电机发出的有功功率或变压器通过的有功功率P较低,即设备容量得不到充分应用。(2) 提高功率因数可以减少电压损失电力网电压损失的公式可以求出:△U=△UR+j△UX = 从以上公式可以看出,影响△U的因素有四个:线路的有功功率P、无功功率Q、电阻R和电抗X。如果采用容抗为XC的电容来补偿,则电压损失为:△ U= 功率因数低,Q就大,△U就增大,受电端的电压就要降低。在电压低于允许值时,将严重影响电动机及其它用电设备的正常运行。特别是在用电高峰时,因为功率因数低,将出现大面积地区电压降低,严重影响工农业生产的正常进行。故采用补偿电容提高功率因数后,电压损失△U减少,改善了电压质量。(3) 提高功率因数可以减少线路损失据有关资料,目前全国有近20GA的高耗能变压器在运行,一些城网高耗能配变变压器占配变变压器总数的50%。许多城网无功功率不足,调节手段落后,造成电压偏低,损耗增大。1995年全国线损率高达%。通过多方面的努力,1997年全国线损率才达到%。与一些发达国家相比,我国线损率约高出2~3个百分点。据统计,电力网中65%以上的电能损耗在10kV以下的配电网中损耗的,因此配电网中的减少线路损失非常重要。当线路通过电流I时,其有功损耗为:△P=3I2R×10-3(kW)或 △P=3( R×10-3=3 ( )×10-3(kW)有以上公式可见,线路有功损失△P与cos2φ成反比,cosφ越高,△P越小。(4) 提高电力网的传输能力视在功率与有功功率成下述关系: P=Scosφ可见,在传送一定功率P的条件下,cosφ越高,所需视在功率越小。 综上所述,提高功率因数是必须的。但是功率因数的提高是整个网络的事,必须提高电网各个组成部分的功率因数,才能充分利用发电、变电设备的容量,减少网损,降低线路的电压损耗,以达到节约电能和提高功率因数的目的。(插入讲解功率因数的目标及力率收费)1、对功率因数的要求除电网有特殊要求的用户外,用户在当地供电企业规定的电网高峰时负荷的功率因数应达到下列规定:100KVA及以上高压供电用户的功率因数为以上。其它电力用户和大、中型电力排灌站、泵购转售电企业,功率因数为以上。农业用电,功率因数为以上。2、功率因数调整电费 我国执行得电价结构为两价结构,但实际上是包括基本电费、电量电费和按功率因数调整电费三部分。发、供电部门,除了供给用户得有功负荷之外,还要供给用户以无功负荷。鉴于电力生产得特点,用户功率因数得高低,对电力系统发、供、用电设备得充分利用,有着显者得影响。为了合理地使国家地能量资源,充分发挥发、供电设备地生产能力,我国专门制定了《力率调整电费办法》,按照功率因数调整电费。《力率调整电费办法》适用于实行两部电价制大工业用户地生产用电。按功率因数调整电费地收取办法是:(1) 按照规定地电价计算出当月地基本电费和电量电费。(2) 再按照功率因数调整电费表所订地百分数增减计算。如下表1和2所示。(3) 计算用户功率因数采用加数平均值,即以用户在一个月内所消耗的有功电量W和无功电量Q进行计算,即:cosφ= 如果用户的平均功率因数在功率因数调整电费表所列数字之间,以四舍五入计算,如为,为。表1 减免功率因数电费表月平均功率因数 全部电费地减少( %) 0 表2 增收功率因数电费表平均功率因数 增收( %) 平均功率因数 增收( %) 10 11 12 13 14 15 备注 自以下,每降低,增收全部电费地2%3、举例说明改善cosφ能给用户带来经济效益。【例1】 某10kV煤矿企业电力用户原来功率因数为cosφ1=,视在功率为3150kVA,年用电时间T=3000h,收费按两部电价,试确定:(1) 该用户得年支付电费。(2) 欲使功率因数提高到,需装设得补偿容量。(3) 按许继目前的电容器补偿装置,分情况做出方案,并计算出投资费用(投资按每年10%回收)。求安装补偿装置后,企业所获得的年效益。解:(1) 补偿前用户年支付电费:1) 基本电费。按最大负荷收取,每kVA负荷收取值为180元/年,故:FJ1=180×3150=567000(元)2) 电量电费。每为元,故FD1=××3000= (元)3) 用户的总支付电费为:FZ2=567000+(元)4)当功率因数为时,增收功率因数电费为全部电费的5%,则增收的电费为:FZZ=2048287× (元)5)用户实际缴纳电费为:FZ1总= FZ2+FZZ=2150701(元)(2) 补偿容量计算:已知cosφ1=,cosφ2=,则 P1=Scosφ1=3150×(kW) Q=P( - ) =( - )=1307(kvar)需补偿1307kvar,考虑各方面因素,总补偿容量按1500kvar考虑。(3)按许继目前的产品做出配置方案并计算补偿后年支出费用:方案:一次性投投切方案。此方案用于整体系统负荷变化不大的情况。主要配置元件为:(此方案仅考虑系统存在5次7次谐波情况,用6%串联电抗器抑制系统谐波) TBB10-1500kvar配置如下:序号 名称 型号 数量 单位 备注1 隔离接地开关 GN24-12D1/630 1 只 2 铁心串联电抗器 CKSC-90/10-6 1 台 3 高压并联电容器 BFM11/ -250-1W6 台 4 熔断器 BRW-12/60P 6 5 氧化锌避雷器 HY5WR-17/45 3 只 6 放电线圈 FDGE8-11/ -1. 7-1W3 只 7 带电显示器 DXN-12T 1 只 8 放电指示灯 AD11-22/21 3 只 9 电磁锁 DSN3 3 只 10 铝母线、绝缘子等附件 1 套 11 电容器柜体骨架 1 套 按此种方案预计投入资金约为:10万元。1) 补偿后的视在功率和基本电费为:SB = =2487(kVA)FJ2=180×2487=447660 (元)2) 电量电费。每为元,故FD2=××3000=(元)3)支付资产折旧费用: Ff=100000×(元)4) 用户的总支付电费为:FZ2=447660++10000=1938947(元)5)当功率因数为时,减免功率因数电费为全部电费的%,则减免的电费为:FZZ=1938947× (元)6)用户实际缴纳电费为:FZ2总= FZ2-FZZ=1890474(元)7)补偿后的经济效益分析:△F=FZ1总-FZ2总=2150701-1890474=260227(元)结论:有以上分析得在装设无功补偿装置后,一年少交电费约为26万元,节省的费用完全可以上购买以上方案中的补偿设备,并且大有结余。【例2】 配电网无功补偿算例。(1) 无功补偿的原理。在电网中,线路或变压器的可变功率损耗为: P=3I2R×10-3= R×10-3 当负荷功率因数由1降至cosφ时,有功损耗将增加的百分数为:δP%=( -1) ×100%因此,提高负荷的功率因数与降低线损的关系为:δP%=(1- )×100%下图表示一个主变容量为15000kVA的35kV变电所,单回路供电的电力网,单回35kV供电线路至35 kV变电所,期间T接一个电力排灌站,根据有关负荷数据如下: Ⅰ段视在功率Sjf1=.Ⅱ段视在功率Sjf2=.在未装补偿前,该变电所主变功率因数为,此种情况:Ⅰ段线路的全年损失电量为:△A1= ×R1×24×365=570×103()Ⅱ段线路的全年损失电量为:△A1= ×R2×24×365=1440×103()整条线路的全年损失电量为:△A=△A1+△A2=570×103+1440×103=2010×103()若在该变电所10kV侧加装3000kvar的补偿后电容器,主变的功率因数将由提高,可使线损降低值为:δP%=(1- )×100%=(1- )×100%=32%即加装3000kvar的补偿后,可使线损下降32%,即减少损失电量为△ A,=δP%△A=32%×2010×103=(万)(2) 经济效益分析。从前面的计算中可知,每年可减少损失电量万,其效益究竟有多大,可参考现行电价估算如下:1) 全年直接减少损失,增加纯利润M=×=(万元)2) 力率调整由罚到奖,增加纯收入.补偿前该线路全年总电量A1=×106×8760××10-3=(万)由于功率因数为,低于,故应罚力率调整款×8760×(万元)补偿后 A2=×106×8760××10-3=(万)由于功率因数为,大于规定的,故奖励万元.实际增加纯收入A= A1+A2=(万元)合计增收:M+A=(万元)综上所述:投资20多万元,一年就能获得万元的收入.不仅4个月就能收回投资,而且取得长久的明显的经济效果.所以说,无功补偿,功在电网,利在自己.三、无功补偿方式无功补偿原则 全面规划、合理布局、 分级补偿、就地平衡无功补偿方法 集中补偿与分散补偿相结合 高压补偿与低压补偿相结合调压与降损相结合 配电网中常用的无功补偿方式为:1、分组补偿在系统的部分变、配电所中,在各个用户中安装无功补偿装置;2、分散补偿在高低压配电线路中分散安装并联电容机组;3、就地补偿在配电变压器低压侧和车间配电屏间安装并联电容器以及在单台电动机附近安装并联电容器,进行集中或分散的就地补偿。四、补偿容量的选择(1)按公司计算:Qc=P )其中:Qc-所需安装的并联电容器容量kvar; P-最大负荷月的平均有功功率kW; cosψ1-补偿前功率因数;cosψ2-补偿前功率因数;(2)在不具备计算条件时,电容器的安装容量按变压器容量的10%~30%确定。(3)单台感应电动机的就地补偿; 在进行无功补偿时,有时采取对单台感应电动机进行个别补偿,这时不能用上面介绍的方法选择电容器,也不能简单以负荷作为计算的依据,因为如果按照电动机在负荷情况下选择电容器,则在空载时就会出现过补偿,即功率因数超前,而且当电动机停机切断电源时,电容器就会对电动机放电,使仍在旋转着的电动机变为感应发电机,感应电势可能超出电动机额定电压的好多倍,对电动机和电容器的绝缘都不利。因此单台电机个别补偿时电容器的容量应按照不超过空载电流的倍进行选择,即: QC1≤ UeI0 其中:Qc-所需安装的并联电容器容量kvar; Ue-电动机额定电压kV; Io-电动机空载电流A ;(4)安装容量与输出容量的关系为保证补偿电容器安全、稳定、可靠运行,我们必须在补偿电容器前加串调谐电抗器,而补偿电容器在串接电抗器后,输出容量和安装容量的关系应依下式计算:五、功率因数cosφ与效率η得区别:电动机和变压器得效率η是指其输出有功功率与输入的有功功率的比值。用效率的概念来说明电动机或变压器的有功损耗。功率因数cosφ是用来说明在电网和设备之间往复振荡的电场或磁场能量有多少,功率因数越高说明在电网和设备之间往复振荡的能量越少。 第二讲:设计基础目录第一节:元件的设计选型第二节:电气接线第三节:成套设备的保护第四节:电容器组投切方式的选择第一节:元件的设计选型1 电容器 电容器做为无功补偿的重要元器件,应用于1kV以上的工频电力系统中,用来提高系统的功率因数,改善电压质量,降低线路损耗,充分发挥发电、供电设备的效率。产品以铝箔为极板,烷基苯浸膜纸(WF)、二芳基乙烷浸膜纸(FF)复合,二芳基乙烷浸全膜(FM)、苄基甲苯全膜为介质,采用卷绕式元件经串、并联后压制制成,电容器箱体内充满浸渍济。一般有单相、三相、集合式等多种分类。单相电容器: BAM11/ —200—1WR 内置放电电阻 户外 单相 额定容量 额定电压苄基甲苯浸渍的聚丙烯薄膜全膜介质并联集合式电容器: BAMH11/ —1200—1×3W三相集合式,采用内熔丝保护(BFM表示二芳基乙烷浸渍的聚丙烯薄膜全膜介质)了解集合式电容器及全膜电容器:集合式电容器是将单台壳式电容器经串并联后装入大油箱内并充以绝缘油制成。1996年已占到高压并联电容器年产量的20%。其优点是结构紧凑占地面积小,接头少,安装和运行维护工作量很小。为克服容量不能调整的缺点,后来又开发了可调容量的集合式电容器,按照容量调整范围划分有50%/100%和两类产品。由于单元壳式电容器完全浸入绝缘油中,防止了单元壳式电容器的外绝缘发生故障。单元壳式电容器内部配有内熔丝,少量元件损坏后由熔丝切除,整台电容器仍可继续运行。缺点是含油量大,外壳大油箱易存在渗漏油,故障损坏后需返厂修理所用时间较长,单位容量造价较高。关于集合式电容器有两个问题需要注意: (1)为避免大容量集合式电容器发生相间短路故障时造成严重后果,容量超过5000kvar的集合式电容器必须做成三相分体结构,即一相一台。 (2)集合式电容器的引出套管外绝缘爬电比距必须≥(相对于系统最高运行电压),以保证其绝缘强度。 箱式电容器是在集合式电容器基础上发展起来的一种电容器,与集合式电容器的不同之处是内部单元电容器没有外壳,直接浸入绝缘油中,外壳大油箱采用波纹油箱或带金属膨胀器,与外部大气完全隔离。同集合式电容器相比,外壳体积和内部含油量进一步减少,以西安电力电容器厂3000kvar产品为例,箱式电容器比集合式电容器外壳体积减少,重量减少。由于材料用量减少,价格比集合式电容器要低。缺点是内部元件发生故障由内熔丝切除后,会对大油箱内的绝缘油造成污染。全膜电容器具有损耗低、发热量小、温升低、体积小、重量轻的优点。国产全膜电容器自1986年开始生产以来,经过不断改进完善,质量已趋于稳定,在可靠性方面已经好于部分进口产品。自1995年以来产量逐年大幅度增长,已有多家产品通过了两部鉴定。同国外先进产品相比,差距主要表现在比特性上,材料消耗是国外先进产品的两倍。既便如此,同膜纸复合介质产品相比体积、重量均大幅度下降。以桂林电容器厂100kvar产品为例:全膜产品比膜纸复合介质产品体积下降,重量下降。集合式产品以锦州电容器厂3000kvar产品为例:全膜产品比膜纸复合介质产品体积下降55%,重量下降。箱式电容器采用全膜产品后可取消散热器。最近,电容器制造业制订了关于加速发展国产高压全膜电容器的若干措施,必将进一步提高国产高压全膜电容器的质量。因此,新增电容器应全部采用全膜产品,浸渍剂优先选用苄基甲苯(M/DBT)和SAS—40。

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