第9章工厂供配电系统的节能与无功补偿

第九章工厂供配电系统的节能与无功补偿要求：根据工厂生产的实际情况，以讨论节能的基本理论知识为主，重点介绍节能的意义、方法和途径。并扼要介绍主要电气设备节能的技术措施、工厂提高功率因数的效益、无功补偿的方式和接线。第一节电的意义和途径一．意义1．缓和电力供需的矛盾；2004年夏季超过3000万千瓦的电力缺口。2005年实际缺电情况或将达到历史最高记录。2．提高电能使用的经济效益；3．加速工艺、设备的改造，促进技术进步；第一节电的意义和途径二、途径1.建立科学的定额管理制度；2.提高全厂电能利用率；电能损耗：设备损耗和管理损耗；3.实行计划供电、用电，并且利用余热发电供热；4.在供电系统中减少功率损耗；（1）变压器的经济运行：台数、容量与负荷相匹配；（2）降低用电高峰，使得负荷均衡，提高设备的负荷系数；（3）及时更换变压器，减少损耗；（4）合理选择供电设备和接线方式，力求功耗达到最小，提高末端的功率因数；5.采用新技术、新材料和新工艺；6.加强设备的维护与检修、减小机械摩擦和各种能耗；第二节工厂用电的功率因数一、功率因数1．无功功率与功率因数无功功率：负载与电源之间能量交换的速率；理论上无功只是交换，不损耗；但是无功电流在阻性负载中依然会造成有功损耗；感性负载从电网中吸收无功产生交变磁场；容性负载发出无功功率；功率因数：交流电路中电压和电流之间相位差的余弦，在数值上：SPcos第二节工厂用电的功率因数2．功率因数对供电系统的影响在工厂中，当有功功率恒定时，无功功率增大时，将引起以下的影响：（1）增加供电系统的设备容量和投资：电流越大越大；越大，则恒定时，SQP供电线路截面积以及变压器的容量都要增加；设备投资增加。第二节工厂用电的功率因数（2）增加系统的损耗由于电流增加，使得变压器以及线路上的有功损耗增加。RUPRIP22)cos3(33（3）电压损失增加线路以及变压器中的电压损失：UQXPRU而且线路以及变压器参数中：RwL当Q增加时，电网中的电压损失增大，使得线路末端的电压质量下降。第二节工厂用电的功率因数无功功率的增大使得功率因数降低，对于电力系统以及工厂内部而言都是不利的。有必要进行无功补偿。系统中电压稳定需要调节无功功率平衡：U21kUQXPRkUUNG负荷端的电压为：减小系统中的无功功率，可以有效提高末端的电压质量；第二节工厂用电的功率因数欲调整负荷端电压，措施：改变发电机的励磁电流，改变发电机的端电压；改变升降压变压器的变比；改变网络无功功率Q的分布；改变网络的参数R、X；UGU第二节工厂用电的功率因数3．功率因数计算方法功率因数一般随着负荷性质的变化以及电压的波动而变动；常用的功率因数定义和计算方法：（1）瞬时功率因数用户某一时刻的实际功率因数，可以通过功率因数表直接读出；或者根据电流表、电压表以及有功功率表在同一瞬间的读数进行换算：UIP3cos作用：了解功率因数以及无功功率的变化规律，便于采取相应的无功补偿措施。第二节工厂用电的功率因数（2）月平均功率因数一个月内的功率因数平均值；作用：电业部门作为调整收费标准的依据。当有功负荷一定时，功率因数直接决定着系统中的电能损耗；即：当功率因数小于规定值时，增收部分罚金。2)(11cos22PQQPP第二节工厂用电的功率因数（3）自然功率因数用电设备在没有安装专门的人工补偿装置（电容器、调相机等等）情况下的功率因数；（4）总功率因数M1M2自然功率因数总功率因数工厂安装补偿装置后的功率因数。第二节工厂用电的功率因数二．提高功率因数的方法1．功率因数低的主要原因（1）工厂中大量使用感性用电设备，如感应电动机；（2）感性用电设备使用不合理，长期处于轻载或者空载运行，即：存在大马拉小车的现象；（3）没有专门的补偿装置；第二节工厂用电的功率因数2．提高功率因数的方法途径：减少各用电设备的无功需求，或者减少用电设备从供电系统获取的无功。（1）提高自然功率因数减少设备的无功需求量，是基本措施；合理选择电动机、变压器等感性负荷的容量，避免出现空载或者轻载运行的现象，即解决大马拉小车的问题。降压调速根据负载率确定运行电压，变频调速提高功率因数；第二节工厂用电的功率因数（2）采取无功补偿方法提高功率因数装设静止电容补偿器、调相机等设备，供给用电设备所需要的无功功率，以提高全厂的总功率因数——无功补偿；一般采用装设静止无功补偿装置的方法；第三节无功补偿通过无功补偿提高整个工厂总的功率因数，通常采用并联电容器的方法进行无功补偿。第三节无功补偿一、并联补偿的工作原理结合电路图以及相量图进行分析：之间的相位关系与U,,CLRIIIcoscosCIII；第三节无功补偿第三节无功补偿二．补偿容量的确定1．并联电容器的型号第三节无功补偿2．电容器无功容量与电容值之间的关系电容值C：表示储存电荷能力的大小，单位电压下电容器极板上储存的电荷量；UqC——电容器的库伏特性加上稳态交流电压时，发出的无功功率：)(314.0)(102)(22112322222kVarCUkVarfCUVarfCUfCUwCUXUQCC注意单位：；—；—uFCkVU第三节无功补偿电容器中流过的无功电流：单相电容器：；单位同上；三相电容器：；为线电压；单位同上；CUUQICC314.03314.03CUUQICCU；第三节无功补偿3．补偿容量的选择其中：QC——补偿容量；——补偿前平均功率因数角的正切；——补偿后平均功率因数角的正切；PAV——一年中最大负荷月份的平均有功负荷；（不是计算负荷）；若题目中给出的是计算负荷，首先需要进行转换。1tan2tan第三节无功补偿注意：（1）在选择电容器的实际补偿容量时，由于与实际的工作电压相关：（2）对个别电动机进行就地补偿时，补偿容量的确定：按照电动机空载时，使得补偿后的功率因数接近1即可；不能按照电动机带负荷情况下计算补偿容量；否则空载时会出现过补偿，若此时电动机切断电源，电容器放电供给电动机励磁，能使得旋转着的电动机成为感应电动机，使电压超过额定电压数倍，对电动机和电容器的绝缘不利。2)(nCNCUUQQ第三节无功补偿4．补偿器的补偿方式（补偿地点）连接方式：一般采用三角形连接；地点的选择：第三节无功补偿a．高压集中补偿装设地点：高压电容器集中装设在总降压变电所的6~10KV母线上；特点：补偿范围小，经济效果差。只能补偿总降压变电所6~10KV母线之前的供配电系统中由无功功率产生的影响；对于无功功率在企业内部的供配电系统中引起的损耗无法补偿。装设集中，运行条件较好，维护管理方便，投资少，利用率高；主要用于大中型企业中。第三节无功补偿具体连接如图所示：高压电容器的保护：高压熔断器；放电回路：TV；自愈式电容器：放电时间的规定；端电压峰值降到50V所需要时间：高压电容器：《5min；低压电容器：《1min；第三节无功补偿（2）低压集中补偿装设地点：低压电容器安装在车间变电所或建筑物变电所的低压母线上；特点：补偿范围相对高压集中补偿较大：补偿安装地点处以前即：变压器和高压配电线路以及整个电力系统的无功功率，而对于低压母线之后的不起作用。主要用于用户。放电回路为专门的放电电阻；第三节无功补偿第三节无功补偿（3）无功就地补偿无功就地补偿（个别补偿、分散补偿）装设地点：在个别功率因数较低的设备旁边装设无功补偿电容器组。特点：能够补偿安装位置之前的所有设备，补偿范围大，效果好；但是投资大，利用率低；适用场合：长期稳定运行，无功需求较大，距离电源较远不便采用其他补偿方式的场合。第三节无功补偿往往按照实际电容的型号选择后需要计算补偿后的实际功率因数。弊端：有可能会出现欠补偿甚至过补偿的情况；当前利用动态补偿的基本原理跟踪进行补偿：智能控制电容器分组自动投切的方法进行解决。第三节无功补偿5．当前动态无功补偿技术（电容器分组投切技术）的总体结构框架如图：SL控制器SSR1SSR2SSR3CT/PTT第三节无功补偿特点：（1）跟踪无功变化，采用固定补偿+动态补偿方式；（2）采用SSR作为执行元件，具有过零接通的特点；采用大容量可控硅构成的过零触发开关组件；严格控制在电流过零时刻投切，无涌流冲击；实现了对快速变化的无功负荷进行跟踪补偿，响应速度小于20ms，消除电压波动。（3）补偿判据需要根据负载的具体情况确定：可以按照功率因数进行控制、按照负荷电流进行控制、按照受端的无功功率进行控制。（4）可以有效解决无功在一定范围内变化，补偿容量难确定的特点；第三节无功补偿三．电力系统中的其他补偿方式：（1）发电机发电机在额定参数下运行发出的无功功率为：在一定范围内调节发电机的功率因数，便可调节其发出的无功功率；NGNNGNGNPSQtansin第三节无功补偿（2）同步调相机只输出无功功率的发电机，或者处于空载运行的同步发电机；当过励磁运行时，发出无功；当欠励磁运行时，从系统中吸收无功；只要合理地调节调相机励磁电流的大小，就可以平滑无级地改变无功功率的大小和方向，达到调整系统电压的目的。但是其内部有功损耗较为严重。第三节无功补偿（3）静止补偿器静止补偿器（SVC——StaticVarCompensator），是无功功率快速调节的新技术，在调节的快速性、功能的多样性、工作的可靠性、投资和运行费用的经济性上具有显著的特点。组成：特殊的电抗器和电容器；其中一者受控，甚至两者都受控；可以发出和吸收无功；第三节无功补偿①FC-TCR型静止补偿器固定电容器—可控硅控制的电抗器（Fixed-CapacitorThyristor-Controlled-Reactor）简称:FC-TCR第三节无功补偿②TSC-TCR型静止补偿器可控硅开关控制的电容器—可控硅控制的电抗器（Thyristor-Switched-CapacitorThyristor-Controlled-Reactor）克服了TSC不能吸收无功的缺点；电容分组投切，减小了TCR的单个容量，减小了电容投切过程中的谐波成分；第三节无功补偿③自饱和电抗器型静止补偿器自饱和电抗器不需外部控制调节设备，如下特性：电压低于额定电压时，铁心不会饱和，呈现很大的感抗值，基本上不会消耗无功功率，整个装置由电容器发出无功，使得母线电压上升；当电压达到或者略高出额定电压时，铁心剧烈饱和，回路中感抗接近零电抗回路，从外界吸收无功，使得母线电压下降；在额定电压附近，电抗器吸收的无功随着电压敏感变化，从而达到稳定电压的作用。第三节无功补偿第三节无功补偿第三节无功补偿第四节变压器的经济运行一、基本概念经济运行：指整个系统中的有功功率损耗最小、经济效益最佳的一种运行方式；工厂变电所中变压器的经济运行，使变压器总的有功损耗最小的运行方式。第四节变压器的经济运行2．无功功率经济当量系统有功损耗——系统有功功率和无功功率引起的；无功功率经济当量——为了衡量无功功率流经电力系统时引起的有功损耗；var)/(21kkWQPPKQ第四节变压器的经济运行物理意义：每补偿1kvar无功功率，在电力系统中引起有功功率损耗所减少的数值；其中：——无功功率经济当量；——补偿前无功功率损耗；——补偿后无功功率损耗；——无功补偿容量；QK1P2PQ无功经济当量的大小与电力系统的容量、结构及计算点的具体位置等因素有关系；距离电源越远，补偿后的经济当量越大。var)/(21kkWQPPKQ第四节变压器的经济运行二、变压器效率与经济负荷系数变压器的效率：其中：P1——一次侧输入；P2——二次侧输出；%100%12PPb变压器的有功功率平衡：2021fdnKPPPPbnfSSK第四节变压器的经济运行其中：——变压器空载损耗（铁耗），与电压、频率有关，基本恒定；——额定负荷时的铜耗；——变压器的负荷系数；——实际容量；——额定容量；0PdnPfKSbnS22cosbnfSKP%100coscos%100%20222022dn