浅析电网无功补偿与补偿效益的关系

[摘要]无功电源如同有功电源一样,是保证电力系统电能质量、降低网络损耗以及安全运行所不可缺少的部分。电力系统中无功不平衡,就会使功率因数和电压降低,导致电气设备得不到充分利用,电网网络传输能力下降、损耗增加。电网中无功补偿设备的合理配置,与电网的供电质量关系十分密切。合理安装补偿设备可以改善电压质量,适当提高运行电压也是一项重要的降损措施。另外,功率因数越高,每千乏补偿容量减少损耗的作用将变小,也是不经济的,通常情况下,将功率因数提高到0.95是比较合理的补偿。若用户进行了合理的无功补偿,功率因数达到要求,用户可以得很好的效益。我国各地配网和农网平均功率因数普片偏低,有降低线损的潜力。因此,解决好网络补偿问题,对网络降损节能有着极为重要的意义。

[关键词]无功补偿功率因数线损电压电能损耗

中图分类号:TM0文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)1120208-02

近年来,由于电网容量的增加,对电网无功要求也与日俱增。无功电源如同有功电源一样,是保证电力系统电能质量、电压质量、降低网络损耗以及安全运行所不可缺少的部分。在电力系统中,无功要保持平衡,否则将会使网络的功率因数和电压降低,使电气设备得不到充分利用,促使网络传输能力下降,损耗增加。因此,解决好网络补偿问题,对网络降损节能有着极为重要的意义。

一、功率因数及无功补偿概述

电力网除了要负担用电负荷的有功功率P,还要负担负荷的无功功率Q。有功功率P、无功功率Q和视在功率S之间存在下述关系,即

被定义为电力网的功率因数,其物理意义是线路的视在功率S供给有功功率的消耗所占百分数。在电力网的运行中,我们所希望的功率因数越大越好,如能做到这一点,则电路中的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。

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,这就是无功补偿。无功补偿可以提高功率因数,是一项投资少,收效快的降损节能措施。

电网中常用的无功补偿方式包括:(1)在变电所母线集中安装并联电容器组;(2)在高低压配电线路中分散安装并联电容器组;(3)在配电变压器低压侧和用户车间配电屏安装并联补偿电容器;(4)在单台单台电动机处安装并联电容器等。

加装无功补偿设备,不仅可使功率消耗减小,功率因数提高,还可以充分挖掘设备输送功率的潜力。确定无功补偿容量时,应注意以下两点:(1)在轻负荷时要避免过补偿,倒送无功造成功率损耗增加,也是不经济的。(2)功率因数越高,每千乏补偿容量减少损耗的作用将变小,通常情况下,将功率因数提高到0.95就是合理补偿。

二、电能损耗分析

用电能表计量统计出的供电量和售点量之差得到的线损电量,称为统计线损电量。在统计线损电量中,有一部分是电能在输、变、配电过程中由相应时段内的运行参数所决定的。这部分损耗电量称为“技术线损电量”。统计线损电量的另一部分是由于漏电、偷电等因素造成的损失电量,称为“管理线损电量”。在电网线损管理中,除了加强管理以减少“管理线损电量”外,还通过采用一系列技术措施降低“技术线损电量”。

三、电压与线损的关系

电网中线损的大小与运行电压的平方成反比:

式中:

A─线损电量,kW・h

P─有功功率,kW

Q─无功功率,kvar

U─运行电压,kV

R─电阻,Ω

t─时间,h

四、无功补偿改善电能质量

电网中无功补偿设备的合理配置,与电网的供电质量关系十分密切。合理安装补偿设备可以改善电压质量。

负荷(P+jQ)电压损失U简化计算如下:

式中:

U─线路额定电压,kV

P─输送的有功功率,kW

Q─输送的无功功率,kvar

R─线路电阻,Ω

X─线路电抗,Ω

安装补偿设备容量QC后,线路电压降为U1,计算如下:

很明显,U1

由于越靠近线路末端线路的电抗X越大,因此从(6)式可以看出,越靠近线路末端装设无功补偿装置效果越好。由此可见,适当提高运行电压是一项重要的降损措施。

在农村电网中提高运行电压的主要途径:

1.改变变压器分接头。当系统无功充足时,改变35kV变电所主变压器的分接头可以提高线路电压2.5%～5%,改变10kV配电变压器分接头还可以提高线路电压5%。在实际运行中,同时调整35kV和10kV变压器分接头可以综合提高运行电压6%～8%。因此,通过分接头的调整可使线路和变压器中损耗降低10%以上。

2.在35kV变电所或10kV线路末端安装并联电容器。当系统无功不足或联网线路较长时,改变变压器分接头调整电压的作用不大。此时,应安装电容器进行无功补偿,减少线路的无功分量,使线路损耗降低,同时还减少电压损耗提高运行电压进一步降低了电网损耗。因此,安装并联电容器对提高线路运行电压、降低线损的效果是相当显著的。

五、无功补偿降低电能损耗

1.安装无功补偿主要是为了降损节能,入输送的有功P为定值,加装无功补偿设备后功率因数由cos提高到cos,因为P=UI・cos,负荷电流I与cos成反比,又由于P=I²R,线路的有功损失与电流I的平方成正比。当cos升高,负荷电流I降低,即电流I降低,线路有功损耗成倍降低。反之当负荷的功率因数从1降低到cos时,电网元件总功率损耗将增加的百分数为PL%,计算如下:

PL%=(1/cos²-1)×100%(7)

功率因数降低与功率损耗增加的百分数之间的关系如表1。

功率因数提高对降低有功功率损耗的影响见表2。

2.电能损耗的另一表达式:

式中:

A─线损电量,kW・h

P─有功功率,kW

U─运行电压,kV

R─电阻,Ω

t─时间,h

可见,提高功率因数可以降低电能损耗。在实际运行中,提高功率因数还可以提高电网电压、增加发电机的有功输出,因此,提高功率因数是农村电网经济运行的重要手段。

六、无功补偿容量的选择

1.在农村电网中,提高功率因数的主要方法是在35kV中断变电所或10kV线路末端加装并联电容器。并联电容器的容量按下式计算:

式中:

Qk─并联补偿电容器容量,kvar

P─电网输送有功功率,kW

Tg、tg─分别为补偿前后功率因数角相应的正切值

加装电容器后,可减少有功电量为:

式中:

Ak─减少有功电量,kW・h

Qk─电容补偿容量,kvar

Q─补偿前的无功容量,kvar

t─时间,h

2.按提高电压值确定补偿容量

式中:

Qk─电容补偿容量,kvar

U─需要提高的电压值,Kv

U2─需要达到的电压值,kV

X─线路阻抗,Ω

3.按感应电动机空载电流值确定补偿容量

电动机的无功补偿一般采用就地补偿方式,电容器随电动机的运行和停止投退,容量以不超过电动机空载时的无功损耗为宜,计算公式如下:

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式中:

Ue─电动机额定电压,kV

Io─电动机额定电流,A(可用钳形电流表测出)

若粗略估算,也可用下式:

式中:

Pn─电动机额定功率,kW

4.按配电变压器容量确定补偿容量

配电变压器低压侧安装电容器时,应考虑以下原则:在轻负荷时,防止向10kV配电网倒送无功,取得最大的节能效果,根据配电主变容量按下式计算:

式中:

Sn─配变容量,kVA

5.在农村电网中,合理选择异步电动机的容量,使其与机械设备相匹配,以及避免电动机空载运行等均可以提高功率因数。

七、无功补偿挖掘发供电设备潜力

1.在设备容量不变的条件下,由于提高了功率因数可以少送无功功率,因此多可以多送有功功率。可多送的有功功率P计算如下:

2.如需要的有功不变,则由于需要的无功减少,因此所需要的配变容量也相应地减少S计算如下:

可以减少供电设备容量占原容量的百分比为 ,计算如下:

3.安装无功补偿设备,可使发电机多发有功功率。系统采取无功补偿后,使无功负荷降低,发电机就可以少发无功,多发有功,充分达到铭牌出力。

八、无功补偿减少用户电费支出

我国的两部电价结构,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,除了供给用户的有功负荷外,还要供给用户以无功负荷。用户的所有测量和用电设备,皆有电感和电容存在,所谓无功负荷,则是为了维持电源与用电设备的电感、电容之间磁场和电场振荡所需要的能量。因此,只要电力系统已经形成,该能量则是不可避免的。

鉴于电力生产的特点,用户功率因数的高低,对于电力系统发、供、用电设备的充分利用,有着显著的影响。提高用户的功率因数,不但可以充分的发挥供电设备的生产能力、减少线路损失、改善电压质量,而且可以提高用户用电设备的工作效率和节约电能。为合理地使用国家的能量资源,充分发挥发、供电设备的生产能力,特制定按功率因数调整电费的办法。若用户功率因数达不到要求,则要进行处罚或进行相应的收费;若用户进行了合理的无功补偿,功率因数达到要求,用户可以得到以下效益:

1.可以避免因功率因数低于规定值受罚;

2.可以减少用户内部因传输和分配无功造成功率造成的有功功率损耗,因而相应可以减少电费的支出。

综上所述,电压、功率因数两个参数的变化,对线损大小的影响是相当显著的。电压、功率因数是电网经济运行的两个重要参数,在农村电网运行中,采用无功补偿提高功率因数,是一项投资少,收效快的节能措施。并联补偿电容器原理简单、使用方便、运行经济、投资省、可以分组投切保证电压合格率和合理的功率因数。我国各地区配网和农网很多地方平均功率因数偏低,有降低线损的潜力。通过计算,采用补偿电容器进行合理的补偿一定能取得显著的经济效益。

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