电力系统电压与无功补偿

现代生产和现代生活离不开电力 电力部门不仅要满足用户对电力数量不断增长的需要 而且也要 满足对电能质量上的要求 所谓电能质量 主要是指所提供电能的电压 频率和波形是否合格 在合 格的电能下工作 用电设备性能最好 效率最高 电压质量是电能质量的一个重要方面 同时 电压 质量的高低对电网稳定 经济运行也起着至关重要的作用 1电压电压与与无功补偿无功补偿 电压顾名思义就是电 力 的压力 在电压的作用下电能从电源端传输到用户端 驱动用电设备工作 交流电力系统需要电源供给两部分能量 一部分将用于作功而被消耗掉 这部分电能将转换为机械能 光能 热能或化学能 我们称为 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 由电能转换为磁能 再由磁能转换为电能 周而复始 并没有消耗 这部分能量我们称为 无功功率 无功是相对于有功而言 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 变压器和线路的电抗上也需要大量无功功率 国际电工委员会给出的无功功率的定义是 电压与无功电流的乘积为无功功率 其物理意义是 电路 中电感元件与电容元件活动所需要的功率交换称为无功功率 我们以电感元件和电容元件的并联回路来说明这个问题 见图 1a 在电压的作用下 电感回路中电 流滞后电压90 海 诘缛莼芈分械缌魅词浅 暗缪 90 海 丛谕 坏缪棺饔孟拢 我凰彩保琁 L 和 IC 在时间轴对称 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 1b 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 1c 无功补偿 src width 530 如图 2a 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 2b 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 电力系统常用的无功补偿装置主要是电力电容器和同步调相机 若电力负荷的视在功率为 S 有功功率为 P 无功功率为 Q 有功功率 无功功率和视在功率之间的 关系可以用一个直角三角形来表示 以有功功率和无功功率各为直角边 以视在功率为斜边构成直 角三角形 见图 3 有功功率与视在功率的夹角称为功率因数角 有功功率与视在功率的比值 我们 称为功率因数 用 cosf 表示 cosf P S 它表明了电力负荷的性质 P UIcosf Q UIsinf S P2 Q2 1 2 UI 有功功率的常用单位为千瓦 kW 无功功率为千乏 kvar 视在功率的单位为千伏安 kVA 无功功率按电路的性质有正有负 Q 为正值时表示吸收无功功率 Q 为负值时表示发出无功功率 在感性电路中 电流滞后于电压 f 0 Q 为正值 而在容性电路中 电流超前于电压 f 0 Q 为负 值 这就是人们通常称电动机等设备 吸收 无功而电容器发出 无功 的道理 2电压电压水平与无功功率补偿水平与无功功率补偿 当输电线路或变压器传输功率时 电流将在线路或变压器阻抗上产生电压损耗 下面以一条输电线路 为例来分析这个问题 如图 4 所示 该图表示一段输电线路的单相等值电路 其中 R X 分别为一 相的电阻和等值电抗 U1 U2 为首未端相电压 I 为线路中流过的相电流 为了说明问题 我们作出向量图 以线路末端电压U2 为参考轴 设线路电流 I 为正常的阻感性负荷 电流 它滞后于 U2 一个角度 f 电流流过线路电阻产生一个电压降 IR 它与电流向量同方向 同时 线路电流也在线路上产生一个电压降 IX 它超前于电流向量 90 海 敲矗 呗肥锥说缪筓 1 就是 U2 IR IX 三个电压的和 如图 5 所示 从向量图可知 线路的电压损耗 DU 为电压DU1 和 DU2 之和 从图中可知 U1 IRcosf DU2 IXsinf 所以线路的电压损耗为 DU DU1 DU2 I Rcosf Xsinf 如果电流 I 用线路末 端的单相功率 S 和电压U2 来表示 即 P U2Icosf Q U2Isinf 则可得 DU PR QX U2 由此可见 电压损耗由两部分组成 即有功功率在电阻上的压降和无功功率在电抗上的压降 一般说来 在超高压电网的线路 变压器的等值电路中 电抗的数值比电阻大得多 所以无功功率 对电压损耗的影响很大 而有功功率对电压损耗的影响则要小得多 因此 可以得出结论 在电力系统 中 无功功率是造成电压损耗的主要因素 从前面的分析我们知道 当线路 变压器传输功率时 会产生电压损耗 因而影响了电网各处电压的 高低 如果能改变线路 变压器等电网元件上的电压损耗 也就改变了电网各节点的电压状况 由电压损耗表达式 DU PR QX U 可知 要改变电压损耗有两种办法 1 改变元件的电阻 2 改变元件的电抗 都能起到改变电压损耗的作用 可采取的一种办法是增大导线截面减小电阻以减小电压损耗 这种办法在负荷功率因数较高 原有导 线截面偏小的配电线路中比较有效 适宜负荷不断增加的农村地区采用 而电网中用的最多的办法是减少线路中的电抗 在超高压输电线路中广泛采用的分裂导线就可以明 显降低线路的电抗 在我国 220kV 线路一般采用二分裂 500kV 线路采用四分裂导线 采用分裂 导线 降低线路电抗 不仅仅减少了电压损耗 而且有利于电力系统的稳定性 能提高线路的输电能 力 现在已逐步采用的紧凑型结构输电线路 还可以进一步降低输电线路的电抗 不仅提高了电网 的稳定性 同时 也降低了线路的电压损耗 浅析配电网无功补偿 近几年来 随着电力设备的日益更新以及农网 城网改造的逐步落实 配电网的结构正在日趋合理 线路 配变的供电能力日 渐增强 供电可靠性及安全系数都得到明显提高 但是 据有关数据表明 全国工农业用电功率因数普遍达不到有关部门规定 的要求 无功电力还未能得到大家的充分重视 电力系统电压和无功电力管理条例 第一章之第一条中明确规定 无功电力是影响电压质量的一个重要因素 各级 电力部门和各用电单位都要加强电压和无功管理 切实改善电网和用户端的受电电压 书面理论和多年的实践经验均表明 无功补偿对于电压质量的改善和经济效益的提高都有很大益处 然而 却一直得不到 很好的推广 下面就无功补偿的有关方面做以下简单分析 一 实施一 实施无功补偿无功补偿的意义的意义 1 对电压的影响 对电压的影响 配电网末端总存在电压过低等有关问题 究其原因 除 电网自身的问题之外 主要是由于无功不足所致 电网在进 行功率传输时 电流将在线路等阻抗上产生电压损耗 U 假如始端电压为 U1 末端电压为 U2 则电压损耗可有以下 公式计算 U U1 U2 PR QX U N 式中 P 线路传输的有功功率 kW Q 线路传输的无功功率 kvar U N 线路额定电压 kV R X 线路电阻 电抗 我们保持有功功率恒定 而 R 和 X 为定值 无功功率 Q 愈 小 电压损失愈小 电压质量就会愈高 当线路安装无功补偿容量为 Q C 的并联电容器补偿装置后 线路电压损耗变为 U PR Q Q C X U N 可以看出 采取无功补偿以后 无功功率 Q 变小 限制了无功功率在电网中的传输 相应的减少了线路电压的损耗 提高了配 电网的电压质量 2 对线损的影响 无功功率不仅影响配电系统的电压质量 更导致了配电系统供电线损的增加 在配电网中线路和变压器功率损耗为 P 3I2 R 103 P2R 103 U N2COS2 P 线路传输的有功功率 kW COS 为功率因数 R 为每相导线的等效电阻 U N 为运行电压 由公式可以看出 当线路有功功率 P 和导线电阻 R 不变时线路的功率损耗与功率因数平方成反比 COS 愈大 P 则愈 小 即电网线损愈小 综上所述 无功补偿措施将大大改善电压质量使线损和电压器增容 如果采取调节变压器接点等方式来升高电压 效果还不及 无功补偿的一半 而投资至少是无功 10 倍以上 以下我们来简单分析一下电容在无功补偿中的具体实施方法 二 二 电力电容器电力电容器无功补偿无功补偿的实施的实施 1 补偿原理补偿原理 所谓电容器补偿 就是在变电所母线或用电设备上并联电力电容器 从而提高供电系统的功率因数和电压质量 现实中绝大多数电器设备均为感性电抗 从而导致电流 I R L 置后于电压一个相位角 I 并联电容器以后 即我们引入一个超前电流 I C 使得 1 接近于零值 从 而达到不使供电设备传输过多无功的目的 2 补偿方式补偿方式 从电力网无功功率的损耗来看 各级电网和输配电设备均消耗一定无功 为了更好的提高电压质量降低线损应采用 整体 补偿 和 分散补偿 相结合的补偿原则 所谓整体补偿 就是将一定容量的电容器装于变电所的 10kV 母线上 用以大体平衡整体变电所的无功功率 以保证上一 级供电线路的功率因数 减少了高压线路的无功损耗 所谓分散补偿 就是指将一定容量的电容器装设于无功损耗较大 或者说是功率因数较低 的低压用户端 从而平衡过多 无功 不向线路反送 降低了配电线路中的无功电流 使配电线路的有功损耗变小 3 最优补偿最优补偿 实际补偿过程中 电容器容量的选择是一个十分重要的问题 如果我们选择的容量过小 则起不到很好的补偿作用 如果 容量选择过大 使供电回路电流 的相位超前于电压 就会产生过补偿 将会引起变压器二次电压升高 导致电力线路及电 容器自我的损耗增加 电容器的补偿容量要以具体情况而定 一般以下列公式计算 QC avqcPc av 平均负荷率 一般取 0 7 0 8 qc 电容补偿率 kvar kW 即每千瓦有功负荷需补偿的无功功率 可通过有关数据表格得到 Pc 由变配电所供电的月最大有功计算负荷 kW 在变电所补偿电容的选择时应结合网内无功潮流的分布及配电线路用户的无