浅谈无功功率及无功补偿配置

摘要:交流电力系统可以看成是有功电源负荷和无功电源负荷两个并存且不可分割的电力系统。如果说交流系统运行的目的是传输和消费电能,那么无功系统运行就是为此目的而不可缺少的手段。使用无功系统不仅使交流电电压维持稳定,确保电网供电系统工作的稳定性及可靠性,并降低电网在传送电量过程中的能量损失。

  当前能够对能源进行有效利用并便于传输的供电系统基本上都是交流电形式,即其电压和电流变化在时间轴上的变化规律是按照正弦周期性变化。
  电流及电压值随时间轴按正弦方式作周期变化的交流电力系统,是当今有效利用能源、方便传输能量、灵活使用能量的有利工具。相比于直流供电形式,交流系统电源主要以两种方式向负载供应电功率:有功功率及无功功率,有功功率即实现将电能转为其他用途的功率(如光能、机械能等),而无功功率则主要在电网线路内部用于电、磁场之间的转化,以及在一些特殊电器件中形成并保持磁场。在正常情况下电力系统中的无功功率是由异步电动机、电力变压器,电弧炉和线路无功损耗以及串并联电抗器等无功负荷产生的,其中电机、变压器在电网中所占的无功功率比例是最高的,有些甚至占全厂负荷载重的80%之上。若此时电网供给的无功功率不能满足其负载需求,则无功电源及其负载保持低电压平衡。由于电力系统运行电压水平低,会给电力系统带来一系列危害,表现在以下四个方面:
  1 设备出力不足
  线路及变压器装置允许的通过容量减少,由于并联电容器与之电压有平方关系,故其也减少出力,进而造成无功功率更少,导致发电机出力不足,电压降低幅度在10%到15%,有功、无功功率出力降低约为10%到15%。
  2 设备损坏
  由于电压低,用户电动机出力降低。如果电压降低20%,电动机转矩减少36%,电流增加约为20~25%,设备温度升高12~15%。若电压降低,则无法带动电机轴正常运转,造成其堵转,绕组形成过电流,因发热过多而烧坏设备。
  3 电力系统损耗增加
  线路、变压器有功损耗和无功损耗增加。如果线路电压平均降低15%,线路损耗增加大约32%。
  4 电力系统稳定度降低
  若电网系统的无功功率不足时,则发电机无功出力将被迫增大,同时受端系统的电压值降低。若送电线路突发故障时,电源供给的无功功率更小,则受端系统的电压降低幅度更大,若电压降到低于额定值的70%或更多,则可能会造成电压崩溃,进而造成断电。
  由于无功不足带来的危害极大,需要用无功补偿设备补偿系统中无功功率的不足,以维持整个系统的无功平衡和稳定。电容器、调相机和静止无功补偿器是无功补偿的主要设备,而其中的电容器具有小成本投入、有功功耗低且运维管理便利等特点,因而常使用并联形式的电容器用于电网运行系统中的无功功率补偿器件。当其连接到电网线路时,需注意以下要求:
  (1)为降低因无功功率在传输中造成的电网有功功率的损耗,原则上应对无功功率进行就地平衡补偿,即低电压区的无功功率使用低压电容器件进行补偿,高电压区进行高压补偿;另外,在正常环境下的电厂中,低压电容器应尽量以分散形式补偿;针对容量大、负荷稳定且频繁工作的用电设备的无功功率补偿,应单独就地进行。
  (2)若使用的电容器容量值较大,则应按照其工作电压变化情况、负荷跳动、设备本身的技术条件、电网处的背景谐波含量等因素进行分组,且分组后的电容器装置在各组中工作时,不能出现谐振情况。
  (3)为了抑制谐波和抑制涌流,电容器组宜串联适当参数的电抗器。仅用于抑制涌流时,电抗率宜取0.1%~1.0%。在对谐波进行抑制时,电抗率的选定需以并联电容器件接到电网处的背景谐波含量为参考依据。
  (4)为更好地对无功功率进行补偿,并减少功耗,应避免用户向电网传输无功功率;在高压区无高压负载时,不应在高压区安装并联电容器。
  为使无功功率在远程传输或多级变压器中功率损失降低最低,并减少在其过程中造成的有功功耗,提升电网的整体供电效率,对无功功率的补偿应遵循“就地补偿、分层分区进行平衡”等原则。这个原则对地区配电网显得尤其重要,以下是根据东北电网和一些地区电网的实际调查分析,无功负荷构成比例参加如图:
  通过表格看出,地区电网中负荷和配电网无功网损占无功总负荷的80%左右;35KV及以上电网无功网损占20%左右,所以合理配置配电网中的无功补偿显得尤其重要。
  综上所述,在供配电电网中进行无功补偿和无功平衡,是保障电网中电压稳定及满足用户对用电质量需求的必要方法,同时对降低电能的损耗,提高电网在供电上的有效利用率方面也极具重要意义。

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