工业企业无功补偿装置的应用研究.doc

无功补偿装置在供电企业中的应用 摘要:本文介绍了无功补偿的原理、分类、原则及特点、国内外的发展现状，并且针对目前工业企业供用电系统存在的问题, 提出了改进的意见和措施。改善工业企业用电的功率因数是提高用电效率节约电能的重要手段。功率因数低、耗损大、系统不稳定，效益低等问题日益突出，所以把连续可调的无功补偿装置应用到在中小型中低压电网或中小型企业是十分必要的。关键词：无功功率补偿 功率因数 供电企业 节电Reactive compensation device in the application of the power supply enterprise 前言：绝大多数工业企业用电设备属感性负荷,它们在消耗有功功率的同时，也需要吸收大量无功功率。无功功率的出现不仅导致发电机出力下降，降低了输配电设备效率，而且还增大了网损，严重影响供电质量。解决这一问题，目前主要措施是增容，即扩大变压器和配电线路容量，从而提高供电能力。但是，增容一方面投资大，施工工程量大，周期长，另一方面由于末端无功仍需由低压侧集中补偿系统提供，输电线路利用效率仍然较低。研究开发线路终端用无功功率补偿装置具有明确的经济意义和社会效益。一、无功功率补偿的原理及无功补偿容量的确定1）无功功率补偿的原理 当电网电压的波形为正弦波，且电压与电流同相位时，电阻性电气设备如白炽灯、电热器等从电网上获得的功率P等于电压U和电流I的乘积，即：P=UI。电感性电气设备如电动机和变压器等由于在运行时需要建立磁场，此时所消耗的能量不能转化为有功功率，故被称为无功功率Q。此时电流滞后电压一个角度。在选择变配电设备时所根据的是视在功率S，即有功功率和无功功率的矢量和：无功功率为:有功功率与视在功率的比值为功率因数: 无功功率的传输加重了电网负荷，使电网损耗增加，系统电压下降。故需对其进行就近和就地补偿。并联电容器可补偿或平衡电气设备的感性无功功率。当容性无功功率等于感性无功功率时，电网只传输有功功率P。根据国家有关规定，高压用户的功率因数应达到0.9以上，低压用户的功率因数应达到0.85以上。如果选择电容器功率为，则功率因数为： 1设R 为线路电阻，P1 为原线路损耗，P2 为功率因素提高后线路损耗，则线路损耗减少： (1)比原来损失的百分数为： （2）其中：，补偿后由于功率因素提高，,为了分析方便，可认为。将代入（2）可知： 无功功率升高或降低，有功功率不变，但是无功功率降低时，电流要降低，线路损耗将降低，反之线路损耗要升高。可以看出当功率因素从0.8 提高到0.85 有功损耗降低了9%左右，当功率因素从0.85 提高到0.9 的时候，功率损耗降低了10%左右。22）无功补偿容量的确定3 在实际工程中首先应根据负荷情况和供电部门的要求确定补偿后所需达到的功率因数值，然后再计算电容器的安装容量： 式中:一电容器的安装容量，kvar一系统的有功功率，kW-补偿前的功率因数角, -补偿前的功率因数-补偿后的功率因数角, -补偿后的功率因数二、无功补偿的原则及特点原则：国家电力系统电压和无功电力技术导则规定，无功补偿与电压调节按下列原则进行。总体平衡与局部平衡相结合； 电力补偿与用户补偿相结合； 分散补偿与集中补偿相结合； 降损与调压相结合，以降损为主。无功补偿应尽量分层（按电压等级）和分区（按地区）补偿，就地平衡，避免无功电力长途输送与越级传输。特点：（1）无功补偿技术是一项成熟技术；（2）已有是用于各种需要的无功补偿装置（无功补偿器）；（3）无功补偿装置在运行中无须管理，不增加运行费用。4三、无功补偿的方式安装电容器进行无功补偿时，可采取集中、分散或个别补偿等形式集中补偿 集中补偿是把电容器组集中安装在变电所的二次侧的母线上或配电变压器低压母线上，这种补偿方法，安装简便，运行可靠，利用率较高，但当电气设备不连续运转或轻负荷时，又无自动控制装置时，会造成过补偿，使运行电压升高，电压质量变坏。季节性用电较强、空载运行较长又无人值守的配电变压器不宜采用。 分散补偿 分散补偿是将电容器组分组安装在车间配电室或变电所各分路的出线上，形成低压电网内部的多组分散补偿方式，它能与工厂部分负荷的变动同时投切，适合负荷比较分散的补偿场合，这种补偿方法效果较好，且补偿方式灵活，易于控制。 个别补偿 个别补偿是对单台用电设备所需无功就近补偿的办法，把电容器直接接到单台用电设备的同一电气回路，用同一台开关控制，同时投运或断开，俗称随机补偿。这种补偿方法的效果最好，它能实现就地平衡无功电流，又能避免无负荷时的过补偿，是农网中对异步电动机进行补偿的常用方法。5四、无功补偿发展现状6 国外情况 静止无功补偿装置或称SVC-静止无功系统是相对于调相机而言的一种利用电容器和各种类型的电抗器进行无功补偿（可提供可变动的容性或感性无功）的装置，简称静补装置（静补）或静止补偿器。1967年，第一批静补装置在英国制成以后，受到世界各国的广泛重视，西德、美国、瑞士、瑞典、比利时、苏联等国竞先研制，大力推广，是的静止补偿装置比调相机具有更大的竞争力，广泛用于电力、冶金、化工、铁道、科研等部门，成为补偿无功、电压调整、提高功率因数、限制系统过电压，改善运行条件经济而有效的设备。国际上几个大的电气公司如瑞士的勃朗.鲍威利公司（BBC），瑞典通用电气公司（A鸵A）、美国的通用电气公司（GE）及西屋公司、日本的富士公司等均发展了不同类型的静补技术。根据提供无功的性质和方式而言，静补装置又分为六种组合方式，固定电容、固定感性、可变容性、固定容性+可变感性、可变容性+可变感性、通常所指的静补装置是指后两种方式。对可变感性又分为直流励磁饱和电抗器（DCMSR）。相控阀调节电抗器（TCR）（或相控阀高阻抗变压器）及自饱和电抗器（SR）。高压可控硅元件问世以来，逐步取代了有触点开关，为实现感性或容性无功的连续可控调节提供了简便、可靠的技术。目前国际上几个主要的产品形式有FC-TCR（固定容性+可变感性），电感的调节也有用可控高阻抗变压器、自饱和电抗器、直流偏磁电抗器的。另一种TSC-TCR是八十年代初发展起来的一种新技术。ASEA首先将其应用于电力系统的无功补偿。在国外，系统的无功补偿主要用静补装置和电容器，并积累了广泛的运行经验，取得了良好的效果。7国内情况 70年代初武汉钢铁公司1.7cm轧机工程进口了比利时的直流励磁饱和电抗器和日本的电容器组成的静补装置后，国内才对可变无功的补偿问题引起注意。在国外，补偿无功用的最多的办法是并联电容器。在低压（10kv以下）供电网络中大量的和在中压（60kv、35kv）配电网络中少量的装设并联电容器组，以满足调压要求。70年代初有人提出用大负荷调压变电器改变并联电容器组端电压，以调节无功出力的设想，终因调压变压器的操作开关寿命不能保证而未能实现。可变无功的补偿问题越来越受到有关部门的重视，电力部有关科研、设计、实验单位对静补装置在电力系统中的作用进行了不少试验研究工作。从国外引进的静态补偿为枢纽变电站或大型企业所用的大容量静态补偿，对于中小型中低压电网或中小型企业所需的无功，多采用并联电容器组的办法。这同时也产生了许多新的问题。首先其不能迅速连续的进行无功功率的调节，其次许多电容器在夜间产生了过量的无功，使发电机换相运行，并影响系统经济稳定运行。因此，中小企业的功率因数调节也越来越引起重视。对于偏离规定功率因数较大的企业，电力部门会对其征收惩罚性的累加电费，在城市夜间、节假日期间会有大量剩余无功功率，引起电网电压升高，危害用户。功率因数低、耗损大、系统不稳定，效益低等问题日益突出，所以把连续可调的无功补偿装置应用到在中小型中低压电网或中小型企业是十分必要的。五、工业企业供用电系统存在的问题与解决措施（案例）8图1 为某重型机床厂供电系统示意图。目前, 该厂变压器总容量为17 660 kVA, 共有20 台容量50 1 250 kVA, 变比10 kV/ 0. 4 kV 的变压器, 低压侧负载主要为电动机M1 、M2、.、Mn 。通常变压器负载率28% 29% , 最大负载7 000 kW。1) 采用高、低压相结合的补偿方式。 图1 供电网络采用高压集中补偿功率因数, 低压未采取任何补偿措施。这种固定电容器补偿会出现过补偿或欠补偿的情况, 且未补偿二次母线以下供电线路的功率因数, 造成线路和变电设备的损失均较大。故补偿要尽量做到分级, 靠近负载处安装电容器, 即高压侧集中补偿和低压侧分散补偿相结合 9, 10。2) 改变供电方式, 避免 大马拉小车! . 设备选型时为留有一定余量防止重载时损坏设备会大部分时间设备欠载和严重欠载形成 大马拉小车! 运行。该厂变压器的负载率仅( 28 29)% , 说明变压器装机容量过大, 既浪费了设备投资又增加了电能损耗, 应合理选择变压器容量避免此现象。3) 避免设备的空载运行. 该厂主要负荷是交流电动机, 空转时功率因数仅0. 1 0. 3, 额定负载时0.8 0.85。提高电动机功率因数的最简办法是用电容器和电动机并联, 避免设备空载而在接近额定负荷状态运行是提高设备功率因4) 建议完善或重新改造配电设备. 改变配电设备老化, 电流表、电压表没有或读数不准确等现象。6、 案例分析案例研究目的 通过对应用无功补偿装置实际项目进行监测、研究。从技术原理、运行经验、经济效益及市场潜力等方面阐述无功补偿装置在电力行业及用电企业推广应用的可行性。11 项目总投资 项目总投资75万元。 节能效果 年节电量80万kWh,价值40万元（电价按0.5元/kWh计）。 监测单位 国家电力公司武汉高压研究所节能监测中心。 投资回收期 项目投资回收期为1.9年。 适用对象 无功补偿技术适用于电力系统及各行业的用电单位。对于电力系统，通过采用无功补偿技术可降低线损、提高末端电压，保证供电质量；对于用电企业，较大功率的用电设备（如：电动机、整流设备等感性负荷）采用就地补偿装置（技术）可取得同样的节能效果。12 案例源企业 武汉市供电局。 案例分析概述 武汉供电局沙湖变电站为110kV变电站，负责向周围企业和居民的生产、生活供电。用电负荷最大为40MW,最小为14MW,平均为30MW。每年供电量约2000万kWh。 武汉市供电局为降低线损、保证供电电压稳定，于1995年在其沙湖变电站安装了容量为8000kVA的无功补偿装置。通过几年的使用，取得良好的节电效果。 项目实施情况 由于沙湖变电站的无功负荷较大，沙湖变电站以上电力系统的线损很大，武汉供电局为降低沙湖变电站线路损耗、保证供电电压稳定，于1995年在沙湖变电站安装了两台容量4000kVA，总容量为8000kVA的无功补偿装置。 项目监测情况 国家电力公司武汉供电局一直实施严格的企业管理制度，对全部电力运行数据进行实时监控、记录，运行人员每小时要进行一次记录。因此，本项目的监测取得了所需的完整记录资料。 通过对现场的实际监测及记录数据的统计分析，对该项目的技术、节能及经济效益等方面做出以下评价： 节能效益 平均年减少线损而节电80万kWh，价值40万元（电价按0.5元/kWh计）。减排：折842t。 经济效益 （1）投资 无功补偿技术改造项目设备总投资7.5万元，设备技术寿命20年。 （2）投资回收期 回收期=投资/年收益=1.9年 （3）财务净现值（NPV） NPV=319万元（计算期为20年，折现率为8%） （4）内部收益率 IRR=54% 综合效益 采用无功补偿技术，在降低线损的同时，还提高了电压合格率（有96%提高到99%），这对延长用电设备的寿命、提高设备的效率起到重要的作用。13 推广潜力 对于电力系统，目前我国输电线损占输电量的10%，即604亿kWh.国家电力公司在城乡电网改造工作中提出的一个目标就是降低线损10%。通过采用无功补偿技术，使线损降低2%，即达12亿kWh。 对于用电企业，据统计，全年电动机耗电量为2900亿kWh。线路损耗按10%计算，则由此产生的线损约为290亿kWh。如果全国有20%的电动机采用无功补偿技术，使电动机的平均功率因数有0.85提高到0.95.则每年可降低网损（即节电）11.6亿kWh。 因此，无功补偿技术能产生显著的节能效益，同时具有巨大的推广价值。14 案例源企业简介 武汉供电局是湖北省武汉市特大型供电企业，其前身是1906年成立的汉口既济水电公司和1947年成立的鄂南电力公司。武汉供电局担负着武汉市731万人口、8467km 范围内的供电任务。全局拥有供电用户72.8万户，全局职工747万kVA；35kV及以上的输电线路341.4km。1999年售电量94亿kWh，最大负荷达251万kW。 案例源企业评价 我局1995年在江南分局沙湖变电站进行无功补偿技术改造项目，解决沙湖变电站线损大、电压合格率较低的问题。通过采用8000kVA的无功补偿装置，使沙湖变电站的线损下降，功率因数达到0.99，电压合格率达到99%。节能效果十分显著。 无功补偿节能技术可为企业带来良好的经济效益和社会效益，电力系统和用电企业若采用此技术，将获得良好的收益。15结束语综上分析, 工业企业供用电系统存在很大的节能潜力, 采用集中和分散相结合、高压和低压相结合无功补偿是高效用电、降损节能的有效方法。加装无功补偿装置后, 不但改善了网络的运行条件, 增加了电气元器件的使用寿命, 提高了系统的带负荷能力, 实为企业隐性增容, 为企业扩大再生产创造了条件,如感性负载各方面运行情况良好, 补偿容量达到最佳状态, 其投资一年内可收回, 并为企业创造客观的经济效益, 具有广阔的发展前景。16参考文献:1机械工业能源研究会，重型机械行业能源研究会 实用节能手册J 国防工业出版社 19882范先永 无功功率补偿在企业中的经济效果 机械与电子2010年第1