牵引变压器负序分析及补偿-史明慧(完整版)实用资料

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54牵引变压器负序分析及补偿牵引变压器负序分析及补偿_史明慧（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑完整版实用资料，欢迎下载）史明慧1,罗文广2,何多昌2,张志学2(1.南广铁路有限责任公司,广西南宁530022;2.南车株洲电力机车研究所,湖南株洲412001摘要:分析了不同联结形式的牵引变压器在不同负荷条件下的负序电流特性;指出在同时具有牵引负荷和回馈负荷的工况下,三相电流不对称程度的严重性;介绍了采用铁路静止电能调节器(RPC对负序、无功、谐波等电能质量问题进行综合治理的基本原理;重点讨论了利用RPC消除三相-两相牵引变压器负序电流所需的装置容量问题,为RPC的工程应用提供指导。关键词:牵引变压器;负序电流;铁路静止电能调节器;制动电能回馈中图分类号:TM761+.1文献标识码:A文章编号:2095-3631(202104-0054-04AnalysisandCompensationofNegativePhase-sequenceforTractionTransformerSHIMing-hui1,LUOWen-guang2,HEDuo-chang2,ZHANGZhi-xue2(1.LimitedLiabilityCompanyofNan-GuangRailway,Nanning,Guangxi530022,China;2.CSRZhuzhouInstituteCo.,Ltd.,Zhuzhou,Hunan412001,ChinaAbstract:Itanalyzedthecharacteristicsofnegativephase-sequencecurrentfortractiontransformerswithdifferentconnectiontypesunderdifferentloads.Thethree-phasecurrentasymmetrydegreeoftractiontransformersisseriousunderbothtractionloadandfeedbackload.Thebasictheoryofintegrativecompensationforrailwaystaticpowerconditioner(RPCwasintroducedaimingtothepowerqualityproblemsintermsofnegativesequencecurrent,reactivepowerandharmonic.ItfocusedonanalyzingtheratingcapabilityofRPCforeliminatingthenegativesequencecurrentofthree-phasetotwo-phasetractiontransformer,whichcouldprovidereferenceforengineeringapplicationofRPC.Keywords:tractiontransformer;negativephase-sequencecurrent;railwaystaticpowerconditioner(RPC;brakingenergyfeedback收稿日期:2021-05-08作者简介:史明慧(1983-,男,工程师,从事电气化铁路建设管理工作。电力系统HIGHPOWERCONVERTERTECHNOLOGY2021年第4期0引言电气化铁路系统中,电力机车是相互独立、随机波动的单相负荷,它会引起电力系统三相电流不对称,产生负序电流。负序电流给发电机带来附加损耗,引起转子发热、附加振动等一系列问题,严重影响电力系统的安全稳定运行。负序电流经过电网阻抗将引起三相电压不平衡。根据国标电压不平衡度规定,电力系统公共连接点处的电压不平衡度95%概率值不得超过2%,短时值不得超过4%[1]。负序电流的大小与牵引变电所两供电臂的牵引负载大小、相位差及牵引变压器的联结形式有关;而三相电压不平衡度与负序电流成正比,与高压进线短路容量成反比[2]。因此,对牵引负荷在三相电力系统中造成的负序问题进行分析一直是交流牵引供电系统的主要研究课题之一。对负序电流的传统分析一般是针对直流机车负载,未考虑电能回馈到牵引变压器时的情况[3-4]。近年来具有制动电能回馈功能的交流机车已大批量投入运行,牵引负载的变化使其产生的负序电流也发生改变,因55此该条件下的负序特性值得深入研究。目前国内外对电气化铁路的负序补偿方法进行了一些研究和应用尝试,其中铁路静止电能调节器(railwaystaticpowerconditioner,RPC以其对负序、无功和谐波的综合治理性能优异而得到越来越广泛的关注。本文将分析和研究在不同牵引负载,包括具有再生制动电能回馈的情况下,不同联结方式的牵引变压器的负序电流特性,以及利用RPC对牵引变压器负序电流进行补偿的基本原理及装置容量设计,为RPC的工程应用提供参考和指导。1牵引变压器负序分析1.1各种联结形式牵引变压器及负序电流负序电流的大小与牵引变压器的联结形式有关,牵引变压器常见的联结形式有单相联结、三相V/v联结、YNd11联结、Scott联结、阻抗匹配平衡联结等(图1。其中单相变压器、三相V/v变压器、YNd11变压器为非平衡变压器,而Scott变压器和阻抗匹配平衡变压器为平衡变压器(即当牵引变压器二次侧连接的两供电臂电流大小和功率因数均相等时,一次侧三相电流对称。若将图l所示的各种联结形式的牵引变压器视为多端口网络,则图1(a牵引侧仅有一端口,其余的牵引侧都有2个端口。设一次侧电力系统的相电压和相电流分别为UA、UB、UC和IA、IB、IC;牵引侧2个端口的电压、电流分别为Um、Im(m=1,2,则所有端口负荷电流(即各供电臂负荷电流在三相系统中造成的总正序电流I(+和总负序电流I(-分别为[5]:,一般有K1=K2;m——端口m的电流Im滞后端口电压Um的角度(即端口m的功率因数角。由式(1可知,各端口负荷造成的三相系统正序电流与端口的接线角无关,而各端口负荷造成的三相系统负序电流与端口的接线角有关。端口的接线角和数量不同,在三相系统中产生的负序电流也不同。定义电流不对称系数。单相联结只有1个端口,由式(1可见,正序和负序的电流大小始终相等,即电流不对称系数1、1、1、1=I(表1。可以看到,4种牵引变压器在1个供电臂为牵引负荷、另1个供电臂为制动回馈的工况时,电流不对称系数将大于1。极端情况下,当两供电臂的牵引和回馈电流相等(即KI=-1时,一次侧三相电流全为负序,正序分量为0,此时不对称系数为无穷大。图2给出了Scott联结变压器在这种情况下一、二次侧电压和电流的仿真波形。从表1还可以看出,在相同的负载条件下,V/v和YNd11联结的两种非平衡变压器的电流不对称系数相等,Scott和阻抗匹配联结的两种平衡变压器的电流不对称系数也相等。(a单相联结(bV/v联结(cYNd11联结(dScott联结(e阻抗匹配平衡联结56因此,对于为交流机车供电的牵引变压器,有再生制动电能回馈时,除单相联结外,其余的三相-两相变压器(包括V/v、YNd11、Scott、阻抗匹配平衡变压器一次侧三相电流不对称的程度比传统只考虑两供电臂均为牵引负荷工况下的要严重得多。在两供电臂的牵引和回馈电流都比较大时,三相电力系统会产生很大的负序电流,从而导致较高的负序电压。2RPC对负序电流的补偿2.1RPC的基本原理RPC能较好地综合治理牵引负荷产生的负序、无功、谐波、电压波动等电能质量问题,其工程应用前景广阔。RPC的基本结构如图3所示(适用于三相-两相牵引变压器,主要包括两端的降压变压器和背靠背变流器,它跨接于牵引变电所两个供电臂之间,可实现牵引变压器二次侧两相之间有功功率相互转移。另外,RPC相当于2个背靠背的SVG,可分别对2个供电臂下牵引负荷产生的无功和谐波进行动态补偿。由于RPC不仅能控制两相间有功功率的双向流动,而且能控制两相电流的功率因数角,因此用RPC更容易实现对牵引变压器一次侧的负序电流的补偿。2.2RPC补偿负序的容量设计RPC在工程应用中推广的瓶颈是装置成本,而装置成本主要取决于其容量,因此对RPC装置的容量设计值得仔细分析。对于一般交流传动机车运行的线路(例如高速铁路、城际铁路等,其功率因数接近1,可不考虑RPC补偿无功的容量,而谐波治理的容量相对较小,因此以负序补偿要求的容量为主。对于Scott、阻抗匹配联结的平衡牵引变压器,若要完全消除其负序电流以及使一次侧三相电流对称,其必要条件是二次侧两相电流的大小和功率因数均相等。设两供电臂的负载功率分别为(,为了使牵引变压器二次侧两相电流相等,RPC只需转移(2表1各种牵引变压器在不同负荷条件下的电流不对称系数Tab.1Currentasymmetrycoefficientsofallkindsoftractiontransformersunderdifferentloads联结形式V/v联结YNd11联结Scott联结阻抗匹配平衡联结KI=10.500KI=0111KI=-1图2Scott联结牵引变压器两侧电压、电流仿真波形(I2=-I1时Fig.2SimulationwaveformsofvoltageandcurrentonbothsidesofthetractiontransformerinScottconnection(whenI2=-I1(a两供电臂输出电压、电流波形(b一次侧三相电压、电流波形57通常情况下,Kp根据两供电臂的负荷大小确定,其最大范围为-1≤Kp≤1。对于V/v、YNd11联结的非平衡牵引变压器,若要完全消除负序电流以及使一次侧三相电流对称,其必要条件是二次侧两相电流的大小相等,功率因数角相差60°[6-7]。为使二次侧两相电流大小相等,与平衡变压器相同,RPC需提供的有功容量为I为0.5,二次侧两相对应有功功率均为;同样引入两供电臂负荷功率比Kp,需提供的无功容量为(3将式(2和式(3绘成曲线(图5。一般情况下,交流机车运行时回馈到牵引变压器的再生制动功率比牵引功率要小,因此Kp取-0.5,即符合大部分线路的需求。对于上述的平衡变压器和非平衡变压器,此时RPC补偿负序所需的容量分别为0.75Pe和0.764Pe,两者相差不大,因此可统一设计RPC的额定容量为0.75Pe。3结语通过对牵引变压器负序的分析得出以下结论:(1当一个供电臂为牵引负荷、另一个供电臂为制动回馈负荷时,V/v、YNd11、Scott、阻抗匹配平衡牵引变压器的三相电流不对称系数大于1(单相变压器始终为1,比传统只考虑两供电臂为牵引负荷工况时要严重得多。(2当牵引变压器二次侧的牵引和回馈电流都比较大时,三相电力系统产生很大的负序电流,从而导致较高的负序电压。(3RPC可控制两供电臂的有功相互转移,实现对负序、无功、谐波等电能质量的综合治理。对于交流机车运行的高速铁路、城际铁路,RPC的容量以负序补偿的要求为主。(4RPC完全消除负序时的容量与牵引变压器的联结形式有关。对于Scott、阻抗匹配等平衡变压器,RPC只需提供有功容量;对于V/v、YNd11等非平衡变压器,RPC还需提供无功容量。当考虑回馈功率为供电臂额定容量Pe的一半时,RPC的额定容量可统一设计为0.75Pe。参考文献:[1]武汉国测科技股份.GB/T15543-2021电能质量三相电压不平衡度[S].北京:中国标准出版社,2021.[2]夏焰坤,张帆,周福林,等.两类牵引变压器负序特性对比研究[C]//20213rdInternationalConferenceonComputationalIntelligenceandIndustrialApplication(PACIIA,2021:199-201.[3]王果,任恩恩,田铭兴,等.不同类型牵引变压器负序电流特性的分析比较[J].变压器,2021,46(11:24-27.[4]张永祥,吴连,秦浩庭,等.V/v接线牵引变压器的负序分析[J].电气化铁道,2021(1:5-8.[5]张秀峰.高速铁路同相AT牵引供电系统研究[D].成都:西南交通大学,2006:24-42.[6]吴传平,罗安,徐先勇,等.采用V/v变压器的高速铁路牵引供电系统负序和谐波综合补偿方法[J].中国电机工程学报,2021,30(16:111-116.[7]张丽艳,李群湛.YNd11接线牵引变压器负序分析[J].变压器,2006,43(1:21-24.图4RPC补偿非平衡变压器负序时一次侧三相电流相量Fig.4Three-phasecurrentphasorofunbalancedtransformeronprimarysidewhenusingRPCtocompensatethenegativesequence(a仅转移有功使两臂电流相等(b转移有功并补偿无功使两臂功率因数角相差60°一、正激式开关电源高频变压器：No待求参数项详细公式1副边电压VsVs=Vp*Ns/Np2最大占空比θonmaxθonmax=Vo/(Vs-0.5)3临界输出电感LsoLso=(Vs-0.5)*(Vs-0.5-Vo)*θonmax2/(2*f*Po)4实际工作占空比θon如果输出电感Ls≥Lso：θon=θonmax否则：θon=√{2*f*Ls*Po/[(Vs-0.5)*(Vs-0.5-Vo)]}5导通时间TonTon=θon/f6最小副边电流IsminIsmin=[Po-(Vs-0.5)*(Vs-0.5-Vo)*θon2/(2*f*Ls)]/[(Vs-0.5)*θon]7副边电流增量ΔIsΔIs=(Vs-0.5-Vo)*Ton/Ls8副边电流峰值IsmaxIsmax=Ismin+ΔIs9副边有效电流IsIs=√[(Ismin2+Ismin*ΔIs+ΔIs2/3)*θon]10副边电流直流分量IsdcIsdc=(Ismin+ΔIs/2)*θon11副边电流交流分量IsacIsac=√(Is2-Isdc2)12副边绕组需用线径DsDs=0.5*√Is13原边励磁电流IcIc=Vp*Ton/Lp14最小原边电流IpminIpmin=Ismin*Ns/Np15原边电流增量ΔIpΔIp=(ΔIs*Ns/Np+Ic)/η16原边电流峰值IpmaxIpmax=Ipmin+ΔIp17原边有效电流IpIp=√[(Ipmin2+Ipmin*ΔIp+ΔIp2/3)*θon]18原边电流直流分量IpdcIpdc=(Ipmin+ΔIp/2)*θon19原边电流交流分量IpacIpac=√(Ip2-Ipdc2)20原边绕组需用线径DpDp=0.55*√Ip21最大励磁释放圈数Np′Np′=η*Np*(1-θon)/θon22磁感应强度增量ΔBΔB=Vp*θon/(Np*f*Sc)23剩磁BrBr=0.1T24最大磁感应强度BmBm=ΔB+Br25标称磁芯材质损耗PFe(100KHz100℃KW/m3)磁芯材质PC30：PFe=600磁芯材质PC40：PFe=45026选用磁芯的损耗系数ωω=1.08*PFe/(0.22.4*1001.227磁芯损耗PcPc=ω*Vc*(ΔB/2)2.4*f1.228气隙导磁截面积Sg方形中心柱：Sg=[(a+δ′/2)*(b+δ′/2)/(a*b)]*Sc圆形中心柱：Sg={π*(d/2+δ′/2)2/[π*(d/2)2]}*Sc29有效磁芯气隙δ′δ′=μo*(Np2*Sc/Lp-Sc/AL)30实际磁芯气隙δ如果δ′/lc≤0.005：δ=δ′如果δ′/lc＞0.03：δ=μo*Np2*Sc/Lp否则δ=δ′*Sg/Sc31穿透直径ΔDΔD=132.2/√f32开关管反压UceoUceo=√2*Vinmax+√2*Vinmax*Np/Np′33输出整流管反压UdUd=Vo+√2*Vinmax*Ns/Np′34副边续流二极管反压Ud′Ud′=√2*Vinmax*Ns/Np

二、双端开关电源高频变压器：No待求参数项详细公式1副边电压Vs如果为半桥：Vs=Vp*Ns/(2*Np)否则：Vs=Vp*Ns/Np2最大占空比θonmaxθonmax=Vo/(Vs-0.5)3临界输出电感LsoLso=(Vs-0.5)*(Vs-0.5-Vo)*θonmax2/(4*f*Po)4实际工作占空比θon如果输出电感Ls≥Lso：θon=θonmax否则θon=√{4*f*Ls*Po/[(Vs-0.5)*(Vs-0.5-Vo)]}5导通时间TonTon=θon/f6最小副边电流IsminIsmin=[Po-(Vs-0.5)*(Vs-0.5-Vo)*θon/(4*f*Ls)]/[(Vs-0.5)*θon]7副边电流增量ΔIsΔIs=(Vs-0.5-Vo)*Ton/(2*Ls)8副边电流峰值IsmaxIsmax=Ismin+ΔIs9副边有效电流IsIs=√{[1+(Vs-Vo-0.5)/(Vo+0.5)]*(Ismin2+Ismin*ΔIs+ΔIs2/3)*θon}10副边电流直流分量IsdcIsdc=[1+(Vs-Vo-0.5)/(Vo+0.5)]*(Ismin+ΔIs/2)*θon11副边电流交流分量IsacIsac=√(Is2-Isdc2)12副边绕组需用线径DsDs=0.5*√Is13原边励磁电流Ic如果θon＜0.5：Ic=Vp*Ton/(2*Lp)否则Ic=Vp/(4*Lp*f)14最小原边电流IpminIpmin=Ismin*Ns/Np15原边电流增量ΔIpΔIp=(ΔIs*Ns/Np+Ic)/η16原边电流峰值IpmaxIpmax=Ipmin+ΔIp17原边有效电流IpIp=√[(Ipmin2+Ipmin*ΔIp+ΔIp2/3)*θon]18原边电流直流分量IpdcIpdc=(Ipmin+ΔIp/2)*θon19原边电流交流分量IpacIpac=√(Ip2-Ipdc2)20原边绕组需用线径DpDp=0.55*√Ip21磁感应强度增量ΔB如果θon＜0.5:ΔB=Vp*θon/(2*Np*f*Sc)否则ΔB=Vp/(4*Np*f*Sc)22最大磁感应强度BmBm=ΔB23标称磁芯材质损耗PFe(100KHz100℃KW/m3)磁芯材质PC30，PFe=600磁芯材质PC40，PFe=45024选用磁芯的损耗系数ωω=1.08*PFe/(0.22.4*1001.225磁芯损耗PcPc=ω*Vc*ΔB2.4*f1.226气隙导磁截面积Sg方形中心柱Sg=[(a+δ′/2)*(b+δ′/2)/(a*b)]*Sc圆形中心柱Sg={π*(d/2+δ′/2)2/[π*(d/2)2]}*Sc27有效磁芯气隙δ′δ′=μo*(Np2*Sc/Lp-Sc/AL)28实际磁芯气隙δ如果δ′/lc≤0.005：δ=δ′如果δ′/lc＞0.03：δ=μo*Np2*Sc/Lp否则δ=δ′*Sg/Sc29穿透直径ΔDΔD=132.2/√f30开关管反压Uceo如果为半桥：Uceo=√2*Vinmax否则Uceo=√2*Vinmax*231输出整流管反压UdUd=2*Vsmax一般考虑到效率，输出整流不会采用全桥。如采用全桥整流，则；Ud=Vsmax注：1、对于双端电路，变压器初级电感量要足够大（一般磁芯不留气隙），否则，初级在Ton时间内储存的磁能足够大而不能忽略，因磁能会在Toff时间内传递给负载，从而影响占空比θon，这样在做电路分析时，就需要兼顾其影响而变得复杂。2、在本设计程序中，未考虑初级电感量对负载和占空比θon的影响。

三、反激式开关电源高频变压器：No待求参数项详细公式1最大占空比θonmaxθonmax=(Vo*Np/Ns)/[Vp+(Vo*Np/Ns)]2临界电感Lpo如果为PWM式：Lpo=η*θonmax2*Vp2/(2*f*Po)如果为自激式：Lpo=Lp3自激式电路工作频率ff=(η*Vp2*θ2)/(2*Lp*Po)4实际工作占空比θon如为PWM式且θonmax2*Vp2/(2*f*Lp)＞Po/η：θon=√[2*f*Lp*Po/(η*Vp2)]否则θon=θonmax5导通时间TonTon=θon/f6最小原边电流IpminIpmin=Po/(η*θonmax*Vp)-θonmax*Vp/(2*f*Lp)7原边电流增量ΔIpΔIp=Ton*Vp/Lp8原边电流峰值IpmaxIpmax=Ipmin+ΔIp9原边有效电流IpIp=√[(Ipmin2+Ipmin*ΔIp+ΔIp2/3)*θon]10原边电流直流分量IpdcIpdc=(Ipmin+ΔIp/2)*θon11原边电流交流分量IpacIpac=√(Ip2-Ipdc2)12原边绕组需用线径DpDp=0.55*√Ip电流密度取4.2A/mm213最小副边电流IsminIsmin=Ipmin*Np/Ns14副边电流增量ΔIsΔIs=ΔIp*Np/Ns15副边有效电流IsIs=√[θon*(Ismin2+Ismin*ΔIs+ΔIs2/3)*Vp*Ns/(Vo*Np)]16副边电流直流分量IsdcIsdc=Io17副边电流交流分量IsacIsac=√(Is2-Isdc2)18副边绕组需用线径DsDs=0.5*√Is19磁感应强度增量ΔBΔB=Vp*θon/(Np*f*Sc)20剩磁BrBr=0.1T21标称磁芯材质损耗PFe(100KHz100℃KW/m3)磁芯材质PC30，PFe=600磁芯材质PC40，PFe=45022选用磁芯的损耗系数ωω=1.08*PFe/(0.22.4*1001.223磁芯损耗PcPc=ω*Vc*(ΔB/2)2.4*f1.224气隙导磁截面积Sg方形中心柱Sg=[(a+δ′/2)*(b+δ′/2)/(a*b)]*Sc圆形中心柱Sg={π*(d/2+δ′/2)2/[π*(d/2)2]}*Sc25有效磁芯气隙δ′δ′=μo*(Np2*Sc/Lp-Sc/AL)26实际磁芯气隙δ如果δ′/lc≤0.005：δ=δ′如果δ′/lc＞0.03：δ=μo*Np2*Sc/Lp否则δ=δ′*Sg/Sc27直流Ipmin产生的磁感应强度BoBo=Ipmin*Np/(lo/μo+Sc/AL)28最大磁感应强度BmBm=ΔB+Br+Bo29穿透直径ΔDΔD=132.2/√f30开关管反压UceoUceo=√2*Vinmax+(Vo+0.5)*Np/Ns31输出整流管反压UdUd=Vo+√2*Vinmax*Ns/Ns农村配电变压器无功补偿电容器的合理配置[摘要]提高电压质量、降低线损。[关键词]配电变压器电容器配置0.引言运行中的配电网，不仅有功要平衡，无功也要平衡。通常对有功的平衡都知道要平衡，但对无功却远没有像有功一样引起重视，而当电网的无功平衡失调，功率因数降低时，电力设备得不到合理应用，线路损失增大，用户末端电压下降。因此，无功补偿问题越来越引起人们的重视。在经过近几年大规模的农网建设和改造，农村电网的健康水平有了明显提高的同时，也安装了大量的无功补偿。这些大都采用自动投切，但往往由于电容器配置不合理，电容器只数太少，单只容量太大，投一级达不到要求的功率因数，再投一级又会因超过功率因数定值而投不上。这样提高功率因数就达不到预期的目的。1.农村负荷特点及无功补偿荷无功的需求。尽量不向系统吸收无功或少吸收无功。农村除专用变外，一般是自然村的综合变，它的负荷主要农村生活用电，副业生产以及少量的粮食加工等，这些负荷的特点是“二低一高”，即负荷率低，功率因数低，同时率高。一般情况配电变压器容量处于半载或轻载情况下运行，晚间灯峰负荷可能出现最高负荷。负载端一般没有无功补偿装置，自然功率因数cosф在0.7以下，极少数甚至在0.5左右。无功补偿装置就要针对负荷的特点有的放矢。1.1变压器运行时自身所需的无功功率变压器空载运行所需的无功功率：Q0＝I0％Se/100变压器满载运行所需的无功功率：Qe=Q0+Ud%Se/100变压器正常运行时所需的无功功率：Q=Q0+Ud%Se（S/Se）2/100式中：Ud%短路电压百分比值I0％空载电流百分比值Se变压器额定容量S变压器实际运行容量根据以上的方程式可计算出变压器所需的无功功率。1.2负载所需的无功功率考虑负载侧所有的无功功率作集中补偿。其计算方法如下：Qc=P(tgQ1-tgQ2)Qc：补偿电容器容量（KVAR）P：负载的有功功率Q1：改善前功率因数角Q2：改善后功率因数角每千瓦的有功功率提高功率因数所需的无功功率如下表：2．无功补偿的效益对于电力系统来说，无功功率补偿设备可装在高压侧或低压侧。当然，如无功功率装在低压侧，不仅可以提高功率因数，而且还可以减少线路，变压器的损耗，提高变压器、线路的利用率和减少系统的电压下降。无功功率补偿设备越近负荷端，获取的经济效益就越大。2.1改善功率因数－降低总电流I（即视在电流）I:视在电流，Ip：有功电流，Iq：无功电流功率因数提高，视在电流I降低的百分数从计算表我们可以看出，功率因数对视在电流的影响极大。例如，当功率因数从0.70提高到0.90时，视在电流I降低26.53％；提高到0.95，I降低34.04％。2.2减少线路损耗通过线路输送的电流I＝P/cosф：Pxs=3I2R=3RP2/U2cos2ф以功率因数等于1为基点，当实际功率因数为cosф时，线损增加的百分数为：ΔPxs=„（1/cosф）2－1‟*100％由此式可计算出功率因数由1.0下降与线路损失增加的关系：同理，提高功率因数与降低线损推算为：ΔPxs=„1-（cosф1/cosф2）2‟*100％式中：ΔPxs－降低线损百分数cosф1－原有功率因数cosф2－提高后的功率因数由上式可计算出功率因数提高与线路损失减少的关系。（以cosф＝0.6为参考点）当功率因数由0.60提高到0.90，线路损失将减少80％，可见功率因数对线损影响极大。3.无功补偿电容器的合理配置电容器的合理配置包括选择的电容器容量和只数两个方面。3.1功率因数的目标值提高功率因数需要增加电容器，但提高功率因数后带来的是视在电流下降和线路损耗降低，为方便比较，列出下列关系表。功率增加与每千瓦有功功率所需增加的无功容量，视在电流降低和线损未下降的关系从表中我们可以看出，当功率因数提高时所需的电容器和视在电流下降的百分比呈线型关系，唯有线路损耗下降的百分数不是线型关系，功率因数愈高，经济效益就越差。当功率因数cosф由0.6提高到0.7时，线路损失下降近50％；而由0.7提高到0.8时，线路损失只下降了20％；当由0.8提升到0.9时，线路损耗仅下降10％，功率因数愈高，效果愈差，因此不要认为把功率因数提高到越高越好，往往事与愿违。笔者认为功率因数的目标值定为0.85较为合适。3.2电容器的容量和只数如果将功率因数的目标值定为0.85，假定负荷的自然功率因数数为0.65，计算出变压器所需的补偿电容器容量。确定了电容器的容量，电容器只数的选择应考虑几个方面，理论上只数越多，调节越细，每只电容器的容量最好为制造厂的最小容量，但考虑到与功率因数自动调整器的配合，每台变压器的电容器数量不宜超过12只，另外为保证变压器空载和变压器满载及接近功率因数数定值投运率，建议首、末投入的电容器的容量为最小。变压器补偿的电容器只数为下表：4.结束语合理配置农村配电变压器的无功补偿电容器，实现无功功率的就地平衡，提高负荷的功率因数，不仅能减少线路损耗，增加线路输送容量，还能改善电压质量。只要能合理配置变压器的无功补偿电容器，加强设备的运行管理，确保电容器的投运率，就能提高电能质量和电网运行的经济性，增加可观的经济效益。尹项根：配电变压器集成化补偿系统的多目标分析及控制华中科技大学，尹项根教授柔性石墨烯/聚苯胺纳米纤维复合薄膜超级电容器的研究摘要:化学改性的石墨烯(CCG与聚苯胺纳米纤维(PANI-NFs薄膜通过真空过滤这两种混合分散的组成成分来制备。复合薄膜是一个层状结构,PANI-NF处在CCG层之间。此外,它有机械稳定性和良好的柔性,因此,它能够弯曲较大的角度或者形成多种想要得到的结构。含44%的CCG的复合薄膜的电导率(5.5×102Sm-1大约为PANI-NFs薄膜的10倍。这种导电柔性复合薄膜的超级电容器在放电率为0.3A/g时,显示出了较大的电化学电容(210F/g。它们也显示出了极大改进的电化学稳定性和速率性能。关键词:石墨聚苯胺纳米纤维超级电容器复合柔性石墨烯,sp2杂化的二维单层碳原子,在最近几年吸引了人们大量的注意力,主要是因为它的非常高的电学和热学传导性、高的机械强度、高比表面积和潜在的低制造成本。石墨烯在组装储电和储能装置、传感器、透明电极、超分子组装和纳米复合材料方面已经被研究用于应用。特别是石墨烯与高分子复合材料是科学上与工业上的兴趣,因为由高电导率和石墨烯的强化性能引起的它们的强大的性能。另一方面,导电高分子材料(CPs也被广泛的研究和在多种有机装置中应用。为了改进装置的性能或者提高其功能,CPs通常为纳米结构。聚苯胺(PANI是典型的高分子材料,它拥有良好的环境稳定性、引人关注的电导率和不同寻常的掺杂/去掺杂化学过程。纳米结构的PANI可以通过多种化学方法合成。例如,聚苯胺纳米纤维(PANI-NFs可以通过界面或快速混合聚合很容易制备,它们被用于组装化学传感器、制动器、存储设备、电池和超级电容器。然而,化学制备的纳米导电高分子材料(包括PANI-NFs通常为粉末状和在去掺杂状态时为绝缘态。因此,各种多孔碳材料(如活性炭、中孔碳和碳纳米管和高分子粘合剂(如全氟磺酸通常用作制备高分子电极的添加剂。作为碳纳米材料的新种类,也被应用于制备高分子复合材料。PAN和石墨烯、石墨氧化物和石墨烯纳米薄片或者石墨烯纸的复合材料通过原位化学或者电化学的方法聚合、共价或非共价功能化和自组装都能成功制备。然而以前的大多数工作中,石墨氧化物或者石墨烯聚合物而不是稳定分散的石墨烯片层被作为原料使用。可是,石墨氧化物是绝缘体,聚合的石墨没有了高的比表面积和石墨烯显著的单层电学特性。这本论文中,我们报道了制备稳定水分散的CCG/PANI-NFs复合材料的新方法。通过过虑混合分散液,制造出CCG和PANI-NFs(G-PNF纸装复合薄膜。在这些薄膜中,PANI-NFs都夹在CCG层中间。另外,含质量分数44%CCG的复合薄膜与那些纯PANI-NFs薄膜相比,显示出优良的机械性能和电导率。这些薄膜材料的超级电容器拥有高电容和高的循环稳定性。结果与讨论在本研究使用的PANI-NFs是参照文献通过苯胺的界面聚合制备的。这样制备得到的PANI-NFs被证明是以苯胺绿盐的形式填充的。因此,有报道说这种形式的PANI-NFs能够稳定的复合材料,通过静电作用分散有负电荷氧化碳纳米管(OCNTs。另一方面,CCG片层也能带来负电荷,这是由于它的多余的羧基基团的原因。因此可以预料,分散有CCG和PANI-NFs的复合材料也可通过相似过程来制备。然而,CCG片层与OCNTs有很大的不同,主要体现在两方面:首先,CCG片层有很多羧基基团由于静电作用处在它们的边缘;第二,在pH值为2.6时,OCNTs和PANI-NFs都能够在水溶液中稳定的分散。但是,CCG片层只能在弱碱性中间物(pH=10稳定的分散。混合CCG和当前制备的酸性PANI-NFs的分散物(pH分别为10和2.6可以形成有着高的盐浓度的混合物。当CCG、(PANI-NFs+CCG的重量比rG高于3%时,这种混合物并不稳定,并且在几天之内就能发生沉淀。此外,对于一种组分选择一个合适的pH值,可以引起另一种组分发生聚集。尤其是,CCG的聚集是高度不可逆的。为了解决这种问题,我们通过对PANI-NFs进行24小时透析,除去过量的离子来净化PANI-NFs,然后与CCG胶质立刻混合来避免聚集(看方法部分。图1.(a稳定分散在氨水中rG为30%的G-PNF复合材料(pH=9(左和在相同媒介中老化两周后沉淀出的纯PAN-NFs(右,(bG-PNF复合材料和纯PANI-NFs(插图的Tem图像通过超声处理来混合净化的PANI-NFs分散物与可控数量的CCG胶质(pH=10,可以得到pH值约为9的深蓝色混合物。出人意料的是,当它的rG高于20%时混合分散物相当稳定,仅以小部分复合材料(重量<5%preticipated重量比的范围是20-40%。复合分散材料如此稳定以至于很少沉淀物在一个多月后或者是在1500转/分速度下离心10分钟被发现(图1a,左。作为对比,我们在氨溶液中调节净化的PANI-NFs分散物的pH值为9,两周后,大部分PANI-NFs沉淀出来(图1a,右。图1b显示的是典型的G-PNF复合材料和PANI-NFs的透射电镜图像(TEM。正如图1b的插图看到的,PANI-NFs的平均直径大约为120nm,长度为0.5-3μm,这些数据与文献报道的一致。在这种G-PNF复合材料中,PANI-NFs处在CCG层之间(图1b。我们知道,在碱性媒介中,PANI-NFs处在中性状态,而CCG片层处在负电荷状态。结果,CCG/PANI-NFs纳米复合材料也带来了负电荷,由于静电排斥作用,它们能够形成稳定的分散物。我们应该注意到,我们在复合材料的透射电镜图像中也发现了几个裸露的PANI-NFs;然而,它们通常经过老化或者经过离心处理后就发生沉淀。图2.柔性G-PNF薄膜的数字照片通过多孔聚四氟乙烯(PTFE膜过滤混合分散液,能够成功制备G-PNF复合薄膜。经过HCl水溶液(0.1mol/L处理后,薄膜中的PANI组分可以去掺杂。因此,G-PNF薄膜的颜色会从深蓝色变为深绿色。我们发现,这些包膜的机械性能是由混合分散液(rG中CCG的含量决定的。如果rG太低(如20%,制备的复合薄膜易碎。当rG增加到30%时,就能得到高质量柔性薄膜(图2。当rG高于40%,复合薄膜在干燥后会发生收缩,原因可能是CCG片层的局部聚集。因此,我们选择rG为30%(G-PNF的复合薄膜用于以后的研究。通过元素分析,我们决定G-PNF中CCG的含量为44%(支撑信息表S1和S2,高于之前的rG(30%。这主要是因为混合分散液在用棉花过滤的过程中,损失了一部分PANI-NFs。图3.用真空过滤得到的G-PNF30(a,b、纯CCG(c和PANI-NF(d薄膜的横截面的SEM图像。G-PNF薄膜的横截面扫描电镜图像(SEM,图3a显示出有一个层状结构,这种结构可能是由在过滤时石墨烯片层的流动组装效应。放大的SEM图像(图3b显示出PANI-NFs夹在CCG层之间。CCG层之间的空隙范围处在10-200nm之间。与在同样条件下制备得到的致密的石墨烯相比,G-PNF薄膜的形貌赋予了它额更大的比表面积(图3c。过滤PANI-NFs分散液也能得到多孔薄膜(图3d。然而,这种薄膜的机械性能不好,它经常会干燥后破碎成小片。因此,G-PNG薄膜比纯石墨烯或者PANI-NFs薄膜在在组装超级电容器方面有几个优势。首先,G-PNF薄膜自身长期性能和高柔顺性提供了利用方便的机械技术塑造材料为预期得到的结构的可能性。其次,G-PNF有高电导率5.5×102S/m,大约高出纯PANI-NFs(50S/m10倍。第三,这种复合薄膜可直接用于组装超级电容器装置,并不需要绝缘的粘合剂和低电容传到添加剂。另外,G-PNF是柔性薄膜,在组装柔性电子装置中起着不可替代的作用,例如,可卷起的显示器、电子纸和智能布料。图4.G-PNF、PANI-NF和CCG薄膜超级电容器的循环伏安曲线(a,扫描速率为5mV/s和充放电曲线(b,充放电电流密度为0.3A/gG-PNF组装的超级电容器的性能通过在两电极体系用循环伏安(CV和恒流充放电来测试。图4a表示的是G-PNF薄膜的CV图和与它相比较的相同重量的CCG或PANI-NF薄膜的CV图。在G-PNF和PANI-NF薄膜的CV图中都显示出了两对氧化还原峰,这是由于PANI氧化还原的原因,分别对应于它的还原态聚苯胺/翠绿亚胺和翠绿亚胺/聚对苯亚胺结构转变。这两个CV图都有大的矩形面积,表明这两种超级电容器都有大的双电层电容。相比之下,CCG薄膜的CV图显示出了更小的矩形面积,主要是因为它的致密的形貌和电活性组分PANI的缺少。图4b显示的是在0.3A/g的电流密度下,超级电容器的恒流充放电曲线。所有的超级电容器的电化学测试都是在两电极体系下进行的,这能更精确地测试它们的性能。CCG薄膜组装的超级电容器显示出三角形的充放电曲线,意味着它的电容主要是由纯双电层电容(EDL贡献的。但是,G-PNF薄膜组装的超级电容器的放电曲线显示了两个电压阶段,分别在0.8-0.45V和0.45-0V。在前一个阶段相对较短的放电持续时间的由于是EDL电容的原因,不过后一个更长放电时间阶段是因为EDL和PANI-NF法拉第电容组分共同作用的结果。PANI-NF薄膜超级电容器的放电曲线与G-PNF薄膜放电曲线相似,然而它的IR降比G-PNF超级电容器更大。这种结果反映出PANI-NF超级电容器的内阻比G-PNF超级电容器内阻更大。储能装置低内阻有很重要的作用,因为在充放电过程中,更少的能量会被浪费在生产不必要的热量。因此,G-PNF薄膜比PANI-NF薄膜更适合组装安全的节能的超级电容器。表1G-PNF、PANI-NF和CCG薄膜的BET-SSA、重量密度(ρ、重量电容(Cm与容积电容(Cv(id=0.3A/gG-PNF、PANI-NF和CCg薄膜的比电容从充放电曲线计算出的值在表1中列出。从表1中可以非常清楚的知道,G-PNF和PANI-NF薄膜的比电容比CCG薄膜的更大。G-PNF膜的重量比电容(210F/g比PANI-NF和CCG薄膜的比电容的平均值(214×0.56+57×0.44=145F/g要高,表明这两种组分的共同效应。这种效应主要是由于下面两个因素。首先,CCG中混合了的PANI-NF,形成拥有高比表面积的多孔结构,大大改善了复合薄膜的双电层电容。Brunauer-Emmett-Teller比表面积测试(BET-SSA,表1显示G-PNF的比表面积比CCG膜的高。其次,复合薄膜中PANI-NF的赝电容通过高导电的CCG组分得到了提高,CCG组分有助于PANI组分的氧化还原反应。处于还原态聚苯胺或者聚对苯亚胺形式的PANI是绝缘体,因此,PANI-NF薄膜超级电容器当充分充放电时有较大的内阻。然而,在G-PNF薄膜中,CCG组分的电导率高达4.0×103S/m。因此它形成了一个导电网络,能够促进PANI的氧化还原活动。另外,G-PNF薄膜与PANI-NF薄膜相比拥有更高的容积电容,这是由于他的更致密的结构,显示出了对于小批量高电容装置的潜在应用的明显的优点。图5.(a不同放电电流密度下的比电容图像,(bG-PNF和PANI-NF薄膜的Ragone图像G-PNF薄膜的速率性能与PANI-NF薄膜相比,可以通过不同电流密度(id下的充放电来测试(图5a。当电流密度从0.3增大到3A/g时,G-PNF薄膜的电容保持在初始电容的94%(197F/g,而PANI-NF损失了14%的电容。这可能是因为G-PNF薄膜的高电导率在充放电过程中促进了电荷转移。然而,当id增大到6A/g时,G-PNF薄膜的比电容比PANI-NF薄膜稍微低些。这种情况,这两种薄膜主要是受到了支撑电解质扩散的限制。结果是,G-PNF的更小的比表面积使得它在这种放电速率下,电容下降更加明显。从图5b我们也清楚看到在id在0.6-6A/g时,G-PNF薄膜比PANI-NF薄膜也有较大的比能量和比功率。图6.G-PNF和PANI-NF的Nyquist图,插图表示放大的高频区图6表示的是G-PNF和PANI-NF薄膜的Nyquist曲线。这些曲线并没有显示半圆区,可能由于这些薄膜的低法拉第电阻。PANI-NF薄膜图像的45°区域较短(50-10Hz,图7插图,表明是一个典型的Warburg阻抗。可是G-PNF薄膜图像的45°区域很长(1kHz到0.3Hz。这种结果与“传输线”行为一致,表明G-PNF薄膜拥有多孔结构,已从SEM(图3b图像得到了确认。CO膜(特别是PANI的电容再长时间充放电循环中不稳定性是它们最致命的缺陷之一。如图7所示,纯PANI-NF的电容在电流密度为3A/g时,800次充放电循环后降低了29%(从187到133F/g。可是在相同条件下,G-PNF薄膜的比电容仅仅降低了21%(从198到155F/g。G-PNF薄膜的更优良的电化学稳定