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1电力电容器及无功补偿技术手册沙舟编著2目录前言第一章基本概念………………………………………………..……………….……………(1)§1-1交流电的能量转换………………………………………...……….…….……...……(1)§1-2有功功率与无功功率………………………………………..………….…………….(2)§1-3电容器的串联与并联…………………………………………..……….…………….(3)§1-4并联电容器的容量与损耗………………………………………..…….…………….(3)§1-5并联电容器的无功补偿作用………………………………………..….…………….(4)第二章并联电容器无功补偿的技术经济效益……………………………..….……………(5)§2-1无功补偿经济当量…..………………………………………………..…...……….…(5)§2-2最佳功率因数的确定…………………………………………………..…...……..….(7)§2-3安装并联电容器改善电网电压质量……………..…………………………...…..….(8)§2-4安装并联电容器降低线损…………………………………………..…….…...……(11)§2-5安装并联电容器释放发电和供电设备容量………………..…………….……..….(13)§2-6安装并联电容器减少电费支出…………………………..……………….………...(15)3前言众所周知,供电质量主要决定于电压、频率和波形三个方面。电网频率稳定决定于电网有功平衡,波形主要决定于网络和负荷的谐波,电压稳定则决定于无功平衡。当然三者之间也具有一定的内在关系。无功平衡决定于网络中无功的产生和消耗。在系统中无功电源有同步发电机、同步调相机、电容器、电缆、输电线路电容、静止无功补偿装置和用户同步电动机,无功负荷则有电力变压器,输电线路电感和用户的感应电动机,各种感应式加热炉、电弧炉等。为了满足系统中无功电力的需求,单靠发电机、调相机、电缆和输电线路电容是不够的,静补装置中也是采用电容器等。因此电容器在系统的无功电源中占有相当比重,加之调相机为旋转设备。建设投资大,运行维护费用高。近年来世界各国都积极装设电容器,满足系统无功电力要求,维持电压稳定。但各国主要是装设并联电容器,装串联电容器者较少,因此编者主要介绍并联电容器无功补偿技术,它还广泛应用于谐波滤波装置,动态无功补偿设备和电气化铁道无功补偿装置之中,因与电力系统谐波有关。限于篇幅,准备在“谐波技术”中详述。这里主要介绍一些无功补偿技术基础。限于编者水平,加上时间仓促,不当之处难免,请读者批评指正。4第一章基本概念§1-1交流电的能量转换电力工程中常用的电流、电压、电势等均按正弦波规律变化,即它们都是时间的正弦函数。以电压u为例,可用下式表达:u=Umsin(ωt+)(1-1)式中u为电压瞬时值,Um为电压最大值,=2f为角频率,表示电压每秒变化的弧度数,f为电网频率,为每秒变化的周数,我国电网f=50Hz,国外有50Hz和60Hz。当t=0时,相角为,称之初相角,若选择正弦电压通过零点作为时间起点,则=0,则:u=Umsint(1-2)如果将此电压加于电阻R两端,按欧姆定律,通过电阻的电流i为:tωsinItωsinRURuimm(1-3)由上式可见,电阻上的电压u和电流i同相位,电压和电流同时达到最大值和零,电阻电路中的功率:PR=ui=UmImsin2t=UI(1-cos2t)(1-4)式中U,I分别为电压和电流的有效值,由于电压和电流的方向始终相同,故功率始终为正值,电阻电路始终吸收功率,转换为热能或光能等被消耗掉。当正弦电流I=Imsint通过电感时,则电感两端的电压为:)2πtin(sUtcosωLIωdtdiLuLmm(1-5)式中mU=LIm。可见电感两端的电压uL和电流i都是频率相同的正弦量,其相位超前于电流2π或90,即电压达最大值时电流为零,电感的功率为:)2πt(tsinIUiuPmmLLtω2UIsintωcostωsinIUmm(1-6)它也是时间的正弦函数,但频率为电流频率的两倍,由图1-1可见,在第一、三个四分之一周期内电感吸收功率(PL0),并把吸收的能量转化为磁场能量,但在第二、四个四分之一周期内电感释放功率(PL0〉磁场能量全部放出。磁场能量和电源能量的转换反复进行,电感的平均功率为零,不消耗功率。P图1-1ωtiLLuLLiLLuLuLuLuLuiLLiiLiL图1-1电感中电流、电压和功率的变化5把正弦电压u=mUsint接在电容C的两端,流过电容C中的电流为:)2πsin(IcosUcdtducimCttm(1-7)电容电流ic和电压u为频率相同的正弦量,电流最大值Im=cmU,电流相位超前电压2π或90,即电压滞后于电流2π,电容的功率:Pc=uicmUImsintcost=UIsin2t(1-8)可见功率也是时间的正弦函数,其频率为电压频率的两倍,为与图1-1比较,取ic起始相位为零,电压u滞后于电流2π。由图1-2可见,Pc在一周期内交变两次,第一、三个四分之一周期内,电容放电释放功率(Pc0),储存在电场中的能量全部送回电源,在第二、四个四分之一周期内,电容充电吸收功率(Pc0),把能量储存在电场中,在一个周期内,平均功率为零,电容也不消耗功率。Cu图1-2uCCuCu0uCωtiCicucpc放电放电充电充电icic+-++---+Cciic图1-2电容中的电流、电压和功率的变化§1-2有功功率和无功功率交流电力系统需要两部分能量,一部分电能用于做功被消耗,它们转化为热能、光能、机械能或化学能等,称为有功功率,另一部分能量用来建立磁场,作为交换能量使用,对外部电路并未做功,它们由电能转换为磁场能,再由磁场能转换为电能,周而复始,并未消耗,这部分能量称为无功功率。无功功率并不是无用之功,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行。除负荷需要无功外,线路电感、变压器电感等也需要。在电力系统中,无功电源有:同步发电机、同步调相机、电容器、电缆及架空线路电容,静止补偿装置等,而主要无功负荷有:变压器、输电线路、异步电动机、并联电抗器。设负荷视在功率为S,有功功率为P,无功功率为Q,电压有效值为U,电流有效值为I,则功率三角形如图1-3。图中:6P=S·cos=UIcosQ=S·sin=UIsinS=UI有功功率常用单位为瓦或千瓦,无功功率为乏或千乏,视在功率为伏安或千伏安,相位角为有功功率与视在功率的夹角,称为力率角或功率因数角,cos表示有功功率P和视在功率S的比值,称为力率或功率因数。图1-3功率三角形在感性电路中,电流落后于电压,0,Q为正值,而在容性电路中,电流超前于电压,0,Q为负值。§1-3电容的串联和并联当所需电容量大于单台电容器的电容量时,可采用并联方式解决,各单台电容器充电后的电量分别为q1,q2,q3…,而总电量q为各单台电量之和:q=q1+q2+q3+…因q1=Uc1,q2=Uc2,q3=Uc3故q=UC=Uc1+Uc2+Uc3+…总电容量C=c1+c2+c3+…(1-9)当m个电容量相等的单元并联时,设单元电容量为C0,则C=mC0,可见总电容量为各单元电容量之和。当单台电容器电压低于运行电压时,往往将其串联,若各单元承受的电压分别为U1,U2,U3时,串联后的总电压为U=U1+U2+U3,由于串联回路中各单元充电的电量相等,则:q=q1=q2=q3故332211cqcqcqcqU321c1c1c1c1(1-10)若n台电容值为C0的单元串联,则总电容nCC0。§1-4并联电容器的容量和损耗电容器接于交流电压时,大部分电流为容性电流Ic,作为交换电场能量之用,另一部分为介质损失引起的电流IR,通过介质转换为热能而消耗掉。介质在电场的作用下可能产生三种形式的损耗:①极化损耗—介质在极化过程中由于克服内部分子间的阻碍而消耗的能量;②漏导损耗—介质的漏导电流产生的损耗;③局部放电损耗—在介质内部或极板边缘产生的SQP图1-37非贯穿性局部放电产生的损耗。电容器电流的向量图如图1-4,电容器的无功功率,即电容器的容量为:Q=UIc=UIsin因Ic=U/Xc=cU故Q=cU2(1-11)电容器的有功损耗PR=UIR=UIcos=UIctg=Qtg=cU2tg(1-12)图1-4介质损耗电流向量表式中:U—外施交流电压,KV;C—电容器的电容量,F;—角频率,=2f,f为频率,单位Hz。Q—电容器容量,Var;PR—电容器损耗功率,W;tg—电容器介质损耗角正切值,用百分数表示。各种并联电容器损耗角正切值百分数如下(在额定电压、额定频率和20℃时测量):纯纸介质:额定电压1KV及以下者,不大于0.4%;额定电压1KV以上者,不大于0.3%;膜纸复合介质:额定电压1KV及以上者,不大于0.12%;全膜介质:额定电压1KV及以上者,不大于0.05%;低压金属化膜电容器,不大于0.08%;§1-5并联电容器的无功补偿作用由图1-1和图1-2可见,在第一个四分之一周期内,电流由零逐渐增大,电感吸收功率,转化为磁场能量,而电容放出储存在电场中的能量,而第二个四分之一周期,电感放出磁场能量,电容吸收功率,以后的四分之一周期重复上述循环。因此当电感和电容并联接在同一电路时,电感吸收功率时正好电容放出能量,电感放出能量时正好电容吸收功率,能量在它们之间相互交换,即感性负荷所需无功功率,可由电容器的无功输出得到补偿,这就是并联电容器的无功补偿作用。如图1-5所示,并联电容器C与供电设备(如变压器)或负荷(如电动机)并联,则供电设备或负荷所需要的无功功率,可以全部或部分由并联电容器供给,即并联电容器发出的容性无功,可以补偿负荷所消耗的感性无功。图1-5并联电容器补偿原理δIIRUIc图1-4CICLRILIRUI1I2图1-58图1-6I1I2ICIL-ICIR图1-6并联电容器补偿向量图当未接电容C时,流过电感L的电流为IL,流过电阻R的电流为IR。电源所供给的电流与I1相等。I1=IR+jIL,此时相位角为1,功率因数为cos1。并联接入电容C后,由于电容电流IC与电感电流IL方向相反(电容电流IC超前电压U90,而电感电流滞后电压U90),使电源供给的电流由I1减小为I2,I2=IR+j(IL_IC),相角由1减小到2,功率因数则由cos1提高到cos2。并联电容器无功补偿可以降低线路损耗,改善电网电压质量等,分别在第二章详细叙述。第二章并联电容器无功补偿的技术经济效益§2-1无功补偿经济当量所谓无功补偿经济当量,就是无功补偿后,当电网输送的无功功率减少1千乏时,使电网有功功率损耗低的千瓦数。众所周知,线路的有功功率损耗值如式(2-1)322232232L10RUQP10RUS10RIP232232U10RQU10RP=LQLPPP(2-1)式中:PL—线路有功功率损耗,KW;P—线路传输的有功功率,KW;Q—线路传输的无功功率,KvarU—线路电压,KV;R—线路电阻,;S—线路的视在功率,KVA;PLP—线路传输有功功率产生的损耗,KW;PLQ—线路传输无功功率产生的损耗,KW。装设并联电容器无功补偿装置后,使传输的无功功率减少Qb时,则有功功率损耗为:9232b232U10R)Q(QU10RPPL因此减少的有功功率损耗为:232bbLLLU10R)QQQ(2PPP=23bbU10R)QQ(2Q按无功补偿经济当量的定义,则23b23bLbU10RQU10QR2QPc=)QQ(2QP)QQ(2QU10RQbLQb232=)QQ(2cby(2-2)式中:QPcLQy为单位无功功率通过线路电
本文标题:电力电容器及无功补偿
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