无功补偿设计

1、叮叮小文库电力系统自动化课程设计报告书题目名称：无功补偿设计学院：机电工程学院专业：电气工程及其自动化班级：2013级2班学号名：指导教师：2016年12月课程设计报告书设 计 目 的文将对供配电系统中无功功率产生机理及其对电力系统产生的影 响及造成的危害进仃分析，同时，分析、研究无功补偿装置的原理，通过 电容器的无功补偿，得到一套较为完善的补偿方案，并用本方案对某一需 要无功补偿的配电网进行无功补偿。引言电力系统的无功平衡，是保证电压质量的基本条件，有效的电压控制 和合理的无功补偿，不仅能保证电压质量，而且能提高电力系统运行的稳 定性和安全性。电网无功补偿设备有调相

2、机、并联电容器、串联电容器、静止补偿 器、交流滤波器等。其中并联电容补偿装置因具有投资少、损耗低、噪 音小及施工运仃维护间单等优点，而被电网大量而普遍的使用。并联电容补偿装置设计是一个综合性的技术 ，除考虑电容器本体外， 还涉及到与许多设备的配合，如开关、电抗器、熔断器、避雷器、放电装 置、继电保护、自动投切装置、仪表、通风设备等；在电气性能方面除考 虑其合闸涌流和分闸过电压外，还应考虑系统的无功电压、线损、谐振等 一系列的问题17一、无功补偿的意义无功补偿技术是提高电网供电能力、减少电压损失和降低网损的一 种有效措施。电力电容器具有无功补偿原理简单、安装方便、投资小， 有功损耗小，运行维护简

3、便、安全可靠等优点。因此，在当前，随着电 力负荷的增加，要想提高电网系统的利用率，通过采用补偿电容器进行 合理的补偿，是能够提高供电质量并取得明显的经济效益的。二、无功补偿装置2.1无功补偿装置的类型无功补偿装置按照出现的时间顺序可以分为传统的补偿装置和现 代的补偿装置。传统补偿装置有由简单的电容器和电抗器构成的补偿装 置和同步调相机；现在的补偿装置一般由可以快速反应的晶闸管控制， 如晶闸管控制电抗器、晶闸管投切电容器等。设计内容变电站中传统的无功补偿装置主要是调相机和静电电容器。随着电 力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，交流无触点开关SCRGTR GTO等相继出现，将其作为投切开关无功

4、补偿都可以在一个周波内完成， 而且可以进行单相调节。如今所指的静止无功补偿装置一般专指使用晶 闸管投切的无功补偿设备，主要有以下三大类型：（1）具有饱和电抗器的静止无功补偿装置；（2）晶闸管控制电抗器、晶闸管投切电容器，这两种装置统称为SVC（3）采用自换相变流技术的静止无功补偿装置一一高级静止无功 发生器2.2无功补偿装置的作用：无功功率比较抽象，它是用于电路内电场与磁场的交换，并用来在 电气设备中建立和维持磁场的电功率。它不对外作功，而是转变为其他 形式的能量。凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就要消耗无功 功率。无功功率决不是无用功率，它的用处很大。电动机的转子磁场就是 靠从电源取得

5、无用功率建立的。变压器也同样需要无功功率，才能使变压器的一次线圈产生磁场，在二次线圈感应出电压。在电力系统中，由于无功功率不足，会使系统电压及功率因素降低, 从而损坏用电设备，严重时会造成电压崩溃，使系统瓦解，造成大面积 停电。另外，功率因素和电压的降低，还会使电气设备得不到充分利用, 造成电能损耗增加，效率降低，限制了线路的送电能力，影响电网的安 全运行及用户的正常用电。无功补偿设备的作用：(1) 改善功率因数；(2) 改善电压调节；(3) 调节负载的平衡性。三、投切开关的选取对于无功功率补偿装置来说，选择何种电容器投切执行机构，对整 套装置的安全运行是至关重要的。目前用于电容器投切的执行元

6、件主要有：(1) 电容器专用接触器，此类产品是在普通接触器的基础上增加限流 电阻或限流线圈的方案来限制合闸涌流。安装接线方便，运行费用低且 价格低廉。但会产生投切涌流和关断时的过电压，仅适用于负载无功功 率变化不大且不频繁操作、系统工作较平稳的场合。(2) 晶闸管电子开关，此类产品具有电压过零投入、电流过零切除、 反应速度快等特性，可实现电容器的投入无涌流、切除无过压、投切无 电弧的快速动态补偿功能，该装置特别适用于电容器需要频繁投切的无 功补偿场合。但晶闸管也存在损耗大、散热差等不足，影响了无功补偿 装置的可靠性，且成本相对过高。(3) 复合开关，复合开关的工作原理是将晶闸管和交流接触器并接

7、， 电容器投切瞬间，晶闸管工作，正常接通期间接触器可靠闭合，既有可 控硅开关过零投切的优点，又有接触器无功耗的优点。投电容器时，保 证电压过零合闸；切电容时，保证电流为零关断，在保证快速投切情况 下，避免了涌流、谐波注入及触点烧损现象。而在正常工作时，利用接 触器导通容量大、压降小、功耗小、工作可靠等优点，不会带来高温升、 高能耗问题。复合开关适宜频繁操作，整机使用寿命长，价格也相对适 中。要保证投切开关长期、可靠的运行，选用时必须注意以下几点：(1) 投切开关的额定电流必须与投切的电容的额定电流匹配。(2) 投切开关的接线端子过流要满足额定电流。(3) 投切开关的端子的接线必须牢固可靠。四、

8、电容器无功补偿方式电容器补偿装置可以串联补偿也可并联补偿，一般用于补偿配电网 中感性负荷。在电力系统中，负载类型是多样化的，但其中以异步电动 机类型的负载为最多。异步电动机类型的负载为阻感性负载，可认为是 电感和电阻R串联的负载，其功率因数可用式公式计算。RR此时，电压U与电流I之间的相位差由补偿前的1?变小到2?，即 系统的功率因数提高，如果补偿后的功率因数 2cos?达到要求，则达到 了无功补偿的目的。4.1串联无功补偿串联电容器提升的末端电压的数值 QcX/V随无功负荷增大而增大， 减小而减小，恰与调压要求一致，这是串联电容器调压的一个显著优点。 但对负荷功率因数高(cos 0.95)或

9、者导线截面小的线路，由于PR/V分量的比重较大，串联补偿的调压效果就很小。此外，串联补偿可能会 产生铁磁谐振和自励磁等许多异常现象。串联电容器与导线相串联以补偿线路的感性电抗。这将减小线路所 连节点间的转移电抗，增大最大传输功率，减小实际的无功功率损耗。 尽管串联电容器通常不用于电压控制，但它们确实能改善电压控制和无 功功率平衡。由于串联电容器产生的无功功率随功率传输的增加而增 加，在这个方面，串联电容器能自我调节。串联电容器主要用于补偿线路的部分串联感抗，从而降低输送功率时的无功功率损耗，也是得到较早应用的一种无功功率补偿装置。它是 国内外电力系统在远距离输电时比较普遍采用的提高系统稳定性和

10、输 送能力的重要手段。如图（a），R、L为等效感性电路或感性负载，C为串联电容，图（b） 为电压矢量三角关，图（c）为电阻、电感和阻抗矢量三角关系。0_LEu呻O（a） RLC简单串联等值屯路由此可知，只要串联恰当的电容器，就可以减小功率因数角？2即提高功率因数cos?2。屯压矢星二角关系（c）电阻、电感和甩抗矢虽=角左系由此可知，只要串联恰当的电容器，就可以减小功率因数角?2即提高功率因数cos?2。4.2并联电容器的补偿方式并联电容器组是电网中使用较广的一种专用于无功功率补偿的设备，它以其低廉的价格、方便的使用而受到广泛使用。其补偿原理前文己有叙述，这里不再介绍。按照电容器组安装位置的不同

11、， 并联电容器组无功功率补偿方式一般可以分为集中补偿方式、分散 补偿方式和单机就地补偿方式三种。集中补偿方式：将电容器组直接安装在变电所的610KV母线上，用 来提高整个变电所的功率因数，使该变电所的供电范围内 无功功率基本平衡。可以减少高压线路的无功损耗，而且能够提高供电电压质量。（2）分组补偿方式：将电容器组分别装设在功率因数较低的终端 配电所高压或低压母线上，也称为分散补偿。这种方式具有与集中 补偿相同的优点，仅无功补偿容量和范围相对小些。但是分组补偿 效果比较明显，采用的较为普遍。（3）就地补偿方式：将电容器或电容器组装设在异步电动机或者电感 性用电设备附近，就地进行无功补偿，也称为单

12、独补偿或个别补偿 方式。这种方式既能提高为用电设备供电回路的功率因数，又能改 善用电设备的电压质量，对中小型设备十分适用。4.3并联电容器的接线方式电容器接线方式不同，相应的补偿方式也不同。在无功补偿中， 线路的补偿电容器组有如下三种接线方式：三角形接法 （接法）、星 形接法（Y接法）、三角形和星形相结合接法（ -丫），相应的补偿方式也 就分为三相共补、三相分补、三相共补与三相分补相结合的方式。三角形接线对应于三相共补的方式。如图2.3所示。传统的低压补偿 大都是采用三相共补的方式，根据控制器统一采样，各相投入相同 的补偿容量。这种补偿方式适用于三相负载基本平衡、各相负载的 功率因数相近的网络

13、。星形接线对应于三相分补方式。三相分补方式就是各相分别取 样，按照需要分别投入不同的补偿容量。此种方法适用于各相负载 相差较大，其功率因数值也有较大差别的场合。与三相共补不同的 是：控制器分相进行工作，互不影响。当然，其价格高于三相共补的装 置，一般要贵20%30%。三角形和星形相结合接线对应于三相共补与三相分补相结合的方式。三相共补部分的电容器为接线，三相分补部分的电容器为丫接线。采用此种接线方式的补偿装置，运行方式机动灵活。4.4并联无功补偿并联无功补偿与串联无功补偿的作用之一都在于减少电压损耗中 的QcX/V分量。并联补偿能减少 Q,采用并联补偿能从网损节约中得到 抵偿，而在降低网损及提

14、高用户功率因数方面，并联补偿要比串联补偿 优越的多。4.5并联电容器装置的投切方式对电力低压用户而言按功率因数变化控制电容器组的投切是主要 的方式。对于系统内枢纽点大容量电容器组的投切，应综合考虑无功功率、电压、时间及有载调压变压器等因素。10 kV及以下的电容器组的自动投切技术比较成熟和简单，设备选择也较容量，固定宜选用自动投切方式。35 kV及以上电容器组的自动投 切的技术相对较复杂和不成熟，其频繁操作对高压开关的机械和电气寿 命的要求也更高，基于上述原因高压电容器组一般为手动投切。五、案例分析1. 电网状况及用电设备(1) 1#变压器容量为16000KVA变比为35KV/10KV下带负载

15、为2 台7200KVA中频炉变和一台1800KVA加热炉变，中频炉运行产生的特征 谐波以11、13次为主，滤波装置接入10KV母线。(2) 4#变压器容量为 20000KVA变比为35KV/10KV主要负载为 10KV母线侧2台8000KVA中频炉变和总功率为4200KW直流轧机，滤波 装置接入10KV母线。2. 投资效果分析(1) 总投资：本项目分2段实施，分别为1#变、4#变。本案列仅讨论1#变，1#变谐波滤除及无功补偿装置总投资五十多万元。(2) 谐波治理及无功补偿效果滤波装置投入后，系统10KV侧谐波电压畸变率由10.5%降到了3.85%,谐波电流畸变率也由10.20%降到了 7.1%

16、，各次谐波均在国标允 许值以内。系统功率因数也从 0.827提升到了 0.99，滤波装置投入后， 系统消耗的总无功功率减少了 4800Kvar。3. 节电效果(1)线路频率损后的节电设公司1#主变最大负荷全年耗电时间为3000小时(t ),线路电能损耗于传输电能比为0.03以S表示.则，补偿后的全年节电量： WL=SL*cos|)1* S * t *1 - cos 1/cos 22=0.8 X 16000X 0.827 X 0.03 X 3000X 1 -(0.827/0.99) 288000(kw - h)注:0.8为主变负荷率(2)补偿后变压器全年节电量： WTAPd*(S1/S2)2*

17、t *1 -(cos 1/cos 2)2=240X (0.8 X 16000)/160002 X 3000X 0.30218 140000(kw- h)式中Pd为变压器短路损耗,为240KW(3) 补偿投入后的全年总的节电效果： W/ WL+ WT =288000+140000=428000(kw h)= 428000x0.58 元=24.8 万元式中：电费按0.58元/度，负荷1年工作时间为3000小时(4) 力率电费的节约：根据浙江地区的电费计价方式，用户全年应交纳的功率因数调整电 费约为：(以当地供电局功率因数考核点为0.9计算，补偿前用户系统的功率因数为0.827,则功率因数罚款力率为

18、+3.5%o)力率罚款电费=有功电费*力率=有功功率*全年工作小时*电费单价力率由于投入的设备具有一定的节能效果，以及通过无功补偿，提高了 功率因数，全年节电效益明显，仅节电一项，可使投资在6个月内得以回收。投资效益显著。=10500*3000*0.58*3.5%=64 万元因无功补偿装置投入后，系统功率因数达到了功率因数考核点 0.99 以上，故不会再产生功率因数罚款电费，反而还会有部分电费奖励。力率奖励电费=有功电费*力率二有功功率*全年工作小时*电费单价 *力率=10500*3000*0.58*0.75%=13.7 万元（5）合计全年节约电费：24.8+64+13.7=102.5万元4、

19、投资回收期投资回收期约为：54/102.5 6个月设 计 小 结 及参 考 文 献过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关电力系统方面的知 识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一 遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知 识欠缺和经验不足。设计主要涉及了电力系统的无功功率平衡问题，让我对电力系统无 功平衡有了更加深入的学习和了解，掌握了各种无功补偿措施以及补偿 装置的特点和使用场合。通过采用合适的无功补偿措施，对电力系统进 行分地区、分电压等级地进行无功平衡，能够有效地改善电压质量，使 用户处的电压接近额定值，同时能够提供功率因数，降低电网损耗，大 大提高系统的运行效率。此次设计也让我明白了思路，有什么不懂不明白的地方要及时请教 或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知 识，收获