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無功補償的原理種類及應用
 點擊數:2489次 添加時間:2019-8-22 [打印] [返回] [收藏]
      無功功率補償(VARCOMPENSATOR)簡稱無功補償裝置,在電力供電系統中所承擔的作用是提高電網的功率因數,降低供電變壓器及輸送線路的損耗,提高供電效率,改善供電環境。所以無功功率補償裝置在電力供電系統中處在一個不可缺少的非常重要的位置。合理的選擇補償裝置,可以做到*大限度的減少網絡的損耗,使電網質量提高。反之,如選擇或使用不當,可能造成供電系統,電壓波動,諧波增大等諸多因素。
無功補償的工作原理:
      在交流電路中,由電源供給負載的電功率有兩種;一種是有功功率,一種是無功功率。
      有功功率是保持用電設備正常運行所需的電功率,也就是將電能轉換為其他形式能量(機械能、光能、熱能)的電功率。無功功率比較抽象,它用于電路內電場與磁場的交換,并用來在電氣設備中建立和維持磁場的電功率。它不對外作功,而是轉變為其他形式的能量。凡是有電磁線圈的電氣設備,要建立磁場,就要消耗無功功率。
      無功功率決不是無用功率,它的用處很大。電動機需要建立和維持旋轉磁場,使轉子轉動,從而帶動機械運動,電動機的轉子磁場就是靠從電源取得無功功率建立的。變壓器也同樣需要無功功率,才能使變壓器的一次線圈產生磁場,在二次線圈感應出電壓。因此,沒有無功功率,電動機就不會轉動,變壓器也不能變壓,交流接觸器不會吸合。
      在正常情況下,用電設備不但要從電源取得有功功率,同時還需要從電源取得無功功率。如果電網中的無功功率供不應求,用電設備就沒有足夠的無功功率來建立正常的電磁場,這些用電設備就不能維持在額定情況下工作,用電設備的端電壓就要下降,從而影響用電設備的正常運行。
      但是從發電機和高壓輸電線供給的無功功率遠遠滿足不了負荷的需要,所以在電網中要設置一些無功補償裝置來補充無功功率,以保證用戶對無功功率的需要,這樣用電設備才能在額定電壓下工作。
      無功補償的基本原理是:把具有容性功率負荷的裝置與感性功率負荷并聯接在同一電路,能量在兩種負荷之間相互交換。這樣,感性負荷所需要的無功功率可由容性負荷輸出的無功功率補償。
      無功補償可以改善電能質量、降低電能損耗、挖掘發供電設備潛力、無功補償減少用戶電費支出,是一項投資少,收效快的節能措施。不過在確定無功補償容量時應注意在輕負荷時要避免過補償,倒送無功功率勢必造成功率損耗增加;另外功率因數越高,補償容量減少損耗的作用將變小,通常情況下,將功率因數提高到0.95就是合理補償。
無功補償可以收到下列的效益:
1.   提高用戶的功率因數,從而提高電工設備的利用率;
2.   減少電力網絡的有功損耗;
3.   合理地控制電力系統的無功功率流動,從而提高電力系統的電壓水平,改善電能質量,提高了電力系統的抗干擾能力;
4.   在動態的無功補償裝置上,配置適當的調節器,可以改善電力系統的動態性能,提高輸電線的輸送能力和穩定性;
5.   裝設靜止無功補償器(SVS)還能改善電網的電壓波形,減小諧波分量和解決負序電流問題。對電容器、電纜、電機、變壓器等,還能避免高次諧波引起的附加電能損失和局部過熱。
無功補償的分類:
      從技術原理上講無功補償裝置是在電網中呈感性或容性的元件,由于目前我國中低壓電網以架空線路為主且基本上帶感性負載,所以系統所采用的無功補償裝置多數呈容性,也就是說它是由電容器和相應的附屬設施組成的。
于負荷多數集中在配電網絡,所以多年來用于無功補償的電容器組基本上安裝在電網的中壓側和低壓側,包括35KV、10KV和0.4KV幾個電壓等級。從運行需要上說,無功補償裝置由電容器組、投切元件、檢測及保護元件組成。
早在20世紀70年代,當時的低壓無功補償裝置自動化程度較低,多數電容器組是通過空氣開關由人工進行投切的,保護措施簡單粗糙,當電容器組出現整組故障時才能由空氣開關的熱偶元件啟動空氣開關跳閘,切除故障?梢,老式無功補償裝置技術性能不好,主要表現為自動化程度偏低和可靠性不高,不能在電網中長期安全可靠運行,運行壽命往往只有二三年。而補償裝置技術性能好壞是決定其是否能被普遍使用的關鍵。
無功補償的常用裝置:
1、同步調相機
      早期的無功功率補償裝置主要為同步調相機,多為高壓側集中補償。同步調相機目前在現場仍有少量使用。
2、靜止補償裝置
      靜止補償器的基本作用是連續而迅速地控制無功功率,即以快速的響應,通過發出或吸收無功功率來控制它所連接的輸電系統的節點電壓。
      靜止補償器由于其價格較低、維護簡單、工作可靠,在國內仍是主流補償裝置。靜止補償器(SVC)先后出現過不少類型,目前來看,有發展前途的主要有直流助磁飽和電抗器型、可控硅控制電抗器型和自飽和電抗器型3種。上述第二種又可分為:固定連接電容器加可控硅控制的電抗器(FIXEDCAPACITOR& THYRISTORCONTROLLEDREACTOR,FC-TCR);可控硅開關操作的電容器加可控硅控制的電抗器(THYRISTORSWITCHEDCAPACITOR&THYRISTORCONTROLLEDREACTOR,TSC-TCR)。
實際上,由斷路器(電磁型交流接觸器)操作的電容器和電抗器在電網中正在大量使用,可以說這種補償技術是靜態的,因為它不能及時響應無功功率的波動。這種裝置以電磁型交流接觸器為投切開關,由于受電容器承受涌流能力、放電時間及電容器分級以及接觸器操作頻率、使用壽命等因素制約,因而無法避免以下不足:
補償是有級的、定時的,因而補償精度差,跟隨性不強,不能適應負荷變化快的場合;受交流接觸器操作頻率及壽命的限制,靜態補償裝置一般均設有投切延時功能,其延時時間一般為30S。對一般穩定負荷,即負荷變化周期大于30S的負荷,這類補償裝置是有效的,但對一些變化較快的負荷,如電梯、起重、電焊等,這類補償裝置就無法進行跟蹤補償。不能做到無涌流投入電容器,對于接觸器加電抗器方案,增加損耗較大,對于容性接觸器方案,事故率較大,對金屬化電容器的使用壽命影響很大;目前,低壓電力電容器以金屬化自愈式電容器為主,這種電容器的引線噴金屬端面對涌流承受能力有限,因此,涌流的大小及次數是影響電容器使用壽命的主要因素。運行噪聲較大。
由于控制部分的負載是接觸器的線圈,在投切過程中,造成火花干擾,影響補償裝置的可靠性和使用壽命。針對上述問題,基于智能控制策略的TSC補償裝置正在引起關注。事實上,如果能夠進行動態無功功率補償則能夠克服以上不足。將微處理器用于TSC,可以完成復雜的檢測和控制任務,從而使動態補償無功功率成為可能;谥悄芸刂撇呗缘腡SC補償裝置的核心部件是控制器,由它完成無功功率(功率因數)的測量及分析,進而控制無觸點開關的投切,同時還可完成過壓、欠壓、功率因數等參數的存貯和顯示。因此,與斷路器操作的電容器裝置相比,盡管單臺無觸點開關的造價比交流接觸器高,但該裝置仍然有以下幾個特點:
1.   無涌流,允許頻繁操作;
2.   跟蹤響應時間快,動態跟蹤時間0.02~2S(可調);
3.   采用編碼循環式投切電容器,可均勻使用電容器,從而延長整個裝置的使用壽命;
4.   具有各種保護功能,如過壓保護、缺相保護及諧波分量超限保護等;
3、靜止無功發生器
靜止無功發生器(STATICVARGENERATOR,SVG)又稱靜止同步補償器(STATCOM),采用GTO構成的自換相變流器,通過電壓電源逆變技術提供超前和滯后的無功,進行無功補償。是靈活交流輸電系統FACTS:FLEXIBLEACTRANSMISSIONSYSTEMS技術中一個重要的基礎部件。該部件與其它的無功補償裝置相比,雖然SVG裝置的成本要高一些,但其靈活的動態調節特性、優越的補償效果以及更小的設備體積都是其它裝置不能比擬的。與SVC相比,其調節速度更快且不需要大容量的電容、電感等儲能元件,諧波含量小,同容量占地面積小,在系統欠壓條件下無功調節能力強。
在SVG裝置中,由于要涉及到大量的復雜計算(如濾波計算、瞬時無功計算)和各種控制手段(如矢量控制、PI控制)以及諸多信號的采集和發送。因此,系統對控制器的運算速度、接口資源、穩定性以及成本等方面要求很高。
無功補償的主要方式:
      配電網無功補償的主要方式有五種:變電站補償、配電線路補償、隨機補償、隨器補償、跟蹤補償。
變電站補償:針對電網的無功平衡,在變電站進行集中補償,補償裝置包括并聯電容器、同步調相機、靜止補償器等,主要目的是平衡電網的無功功率,改善電網的功率因數,提高系統終端變電所的母線電壓,補償變電站主變壓器和高壓輸電線路的無功損耗。這些補償裝置一般集中接在變電站10KV母線上,因此具有管理容易、維護方便等優點,缺點是這種補償方式對10KV配電網的降損不起作用。
配電線路補償:線路無功補償即通過在線路桿塔上安裝電容器實現無功補償。線路補償點不宜過多;控制方式應從簡,一般不采用分組投切控制;補償容量也不宜過大,避免出現過補償現象;保護也要從簡,可采用熔斷器和避雷器作為過流和過壓保護。線路補償方式主要提供線路和公用變壓器需要的無功,該種方式具有投資小、回收快、便于管理和維護等優點,適用于功率因數低、負荷重的長線路。缺點是存在適應能力差,重載情況下補償不足等問題。
隨機補償:隨機補償就是將低壓電容器組與電動機并接,通過控制、保護裝置與電動機同時投切的一種無功補償方式?h級配電網中有很大一部分的無功功率消耗在電動機上,因此,搞好電動機的無功補償,使其無功就地平衡,既能減少配電線路的損耗,同時還可以提高電動機的出力。隨機補償的優點是用電設備運行時,無功補償裝置投入;用電設備停運時,補償裝置退出。更具有投資少、占位小、安裝容易、配置方便靈活、維護簡單、事故率低的特點。適用于補償電動機的無功消耗,以補勵磁無功為主,可較好的限制配電網無功峰荷。年運行小時數在1000H以上的電動機采用隨機補償較其他補償方式更經濟。
隨器補償:隨器補償是指將低壓電容器通過低壓熔斷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,配電變壓器空載無功是農網無功負荷的主要部分。隨器補償的優點是接線簡單,維護管理方便,能有效地補償配電變壓器空載無功,限制農網無功基荷,使該部分無功就地平衡,從而提高配電變壓器利用率,降低無功網損,提高用戶的功率因數,改善用戶的電壓質量,具有較高的經濟性,是目前無功補償*有效的手段之一。缺點是由于配電變壓器的數量多、安裝地點分散,因此補償工作的投資比較大,運行維護工作量大。
跟蹤補償:是指以無功補償投切裝置作為控制保護裝置,將低壓電容器組補償在用戶配電變壓器低壓側的補償方式。這種補償方式,部分相當于隨器補償的作用,主要適用與100KVA及以上的專用配電變壓器用戶。跟蹤補償的優點是可較好地跟蹤無功負荷的變化,運行方式靈活,補償效果好,但是費用高,且自動投切裝置較隨機或隨器補償的控制保護裝置復雜,如有任一元件損壞,則可導致電容器不能投切。其主要適于大容量大負荷的配變。
無功補償的主要應用場合:
電弧爐
      電弧爐做為非線性及無規律負荷接入電網,將會對電網產生一系列不佳影響,其中主要是:導致電網嚴重三相不平衡,產生負序電流,產生高次諧波,其中普遍存在如2、4次偶次諧波與3、5、7次等奇次諧波共存的狀況,使電壓畸變更趨復雜化,存在嚴重的電壓閃變,功率因數低。
徹底解決上述問題的唯壹方法是用戶必須安裝具有快速響應速度的動態無功補償器(SVC)。向電弧爐快速提供無功電流并且穩定電網電壓,增加冶金有功功率的輸出,提高生產效率,并且*大限度地降低閃變的影響。SVC具有的分相補償功能可以消除電弧爐造成的三相不平衡,濾波裝置可以消除有害的高次諧波及改善電能質量,并通過向系統提供容性無功來提高功率因數。
軋機
      軋機及其他工業對稱負載在工作中所產生的無功沖擊會對電網造成如下影響:引起電網電壓降及電壓波動,嚴重時使電氣設備不能正常工作,降低了生產效率;使功率因數降低;負載的傳動裝置中會產生有害高次諧波,主要是以5、7、11、13次為代表的奇次諧波及旁頻,會使電網電壓產生嚴重畸變。
電力機車供電
      電力機車運輸方式在保護環境的同時也對電網造成了嚴重“污染”,因電力機車為單相供電,這種單相負荷就造成了供電網的嚴重三相不平衡及低的功率因數,并產生負序電流。
      目前世界各國解決這一問題的唯壹途徑就是在鐵路沿線適當位置安裝SVC系統,通過SVC的分相快速補償功能來平衡三相電網,并通過濾波裝置來提高功率因數。
提升機
      提升機等其它重工業負載在工作中會對電網產生如下影響:引起電網電壓降及電壓波動,功率因數低,傳動裝置會產生有害高次諧波。
遠距離電力傳輸
      全球電力目前正在趨向長距離輸電,高能量消耗,同時也迫使輸配電系統不得不更加有效,SVC可以明顯提高電力系統輸配電性能,這已在世界范圍內得到了廣泛的證明,即當在不同的電網條件下,為保持一個平衡的電壓時,可在電網的一處或多處適合的位置上安裝SVC,以達到如下目的:穩定弱系統電壓,減少傳輸損耗,增加傳輸能力,使現有電網發揮*大效率,提高瞬變穩態極限,增加小干擾下的阻尼,增強電壓控制及穩定性,緩沖功率振蕩。
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