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无功补偿方案比较及元器件的选择


无功补偿方案比较及元器件的选择
1、引言
解决电力供应紧张的问题,除了加快电厂建设以外,采用合理的无功补偿不失为一条有效的途径。做好无功补偿工作,不但可起到扩大现有输变电设备供电能力、改善电能质量、降低线路损耗、缓解供电能力不足的作用,而且还能取得良好的经济效益,延长供用电设备的使用寿命、降低用户的电费支出等。合理选择无功补偿方案和补偿容量,能有效提高系统的电压稳定性,保证电网的电压质量,提高发输电设备的利用率,降低有功网损和减少发电费用。
2、配电网无功补偿方案比较
配电网无功补偿方案有变电站集中补偿、配电变低压补偿、配电线路固定补偿和用电设备分散补偿。
2.1变电站集中补偿
变电站集中补偿装置包括并联电容器、同步调相机、静止补偿器等,主要目的是平衡输电网的无功功率,改善输电网的功率因数,提高系统终端变电所的母线电压,补偿变电站主变压器和高压输电线路的无功损耗。这些补偿装置一般集中接在变电站10kV母线上,因此具有管理容易、维护方便等优点,但这种补偿方案对10kV配电网的降损不起作用。鉴于变电站无功补偿对提高高压电网功率因数,维持变电所母线电压和平衡系统无功有重要作用,因此应根据负荷的增长安排、设计好变电站的无功补偿容量,运行中在保证电压合格和无功补偿效果最好的情况下,尽可能使电容器组投切开关的操作次数为最少。
2.2 配电变低压补偿
配电变低压补偿是目前应用最普遍的补偿方法。由于用户的日负荷变化大,通常采用微机控制、跟踪负荷波动分组投切电容器补偿,总补偿容量在几十至几百千乏不等。目的是提高低压变用户功率因数,实现无功的就地平衡,降低配电网损耗和改善用户电压质量。
配变低压无功补偿的优点是补偿后功率因数高、降损节能效果好。但由于配电变压器的数量多、安装地点分散,因此补偿工程的投资较大,运行维护工作量大。另外,配电系统负荷情况复杂,系统存在谐波、三相不平衡,以及防止出现过补偿等问题。
2.3 配电线路固定补偿
大量配电变压器要消耗无功,很多公用变压器没有安装低压补偿装置,造成的很大无功缺额需要变电站或发电厂承担,大量的无功沿线传输使得配电网的网损居高难下,这种情况下可考虑配电线路无功补偿。线路补偿既通过在线路杆塔上安装电容器实现无功补偿。由于线路补偿远离变电站,因此存在保护难配置、控制成本高、维护工作量大、受安装环境限制等问题。因此,线路补偿的补偿点不宜过多;控制方式应从简,一般不采用分组投切控制;补偿容量也不宜过大,避免出现过补偿现象;保护也要从简,可采用熔断器和避雷器作为过电流和过电压保护。除此还存在保护难配置、控制成本高、维护工作量大、受安装环境限制等问题。因此,线路补偿的补偿点不宜过。
2.4 用电设备随机补偿
在10kV以下电网的无功消耗总量中,变压器消耗占30%左右,低压用电设备消耗占65%以上。由此可见,在低压用电设备上实施无功补偿十分必要。从理论计算和实践中证明,低压设备无功补偿的经济效果最佳,综合性能最强,是值得推广的一种节能措施。其实早在1981年中华人民共和国国务院节能指令第二号第13条就明确指出:“既要满足全区或地区电网总的无功电力平衡,又要满足分所分线路的无功电力平衡;要集中补偿与分散补偿相结合,以分散为主;降损与调压相结合,以降损为主;做到供电部门与用户同步补偿。”
感应电动机是消耗无功最多的低压用电设备,故对于油田抽油机、矿山提升机、港口卸船机等厂矿企业的较大容量电动机,应该实施就地无功补偿,即随机补偿。与前三种补偿方式相比,随机补偿更能体现以下优点:
1)线损率可减少20%;
2)改善电压质量,减小电压损失,进而改善用电设备启动和运行条件;
3)释放系统能量,提高线路供电能力。
3、谐波对无功补偿设备的影响、
随着各种新型电子装置(主要是非线性负载)的安装使用,在大量消耗无功的同时还会产生大量的谐波,对公用电网造成严重的污染。谐波这一电网的公害已经引起相关部门越来越多的关注:根据GB/T14549-1993《电能质量 公用电网谐波》的要求必须对各种非线形负载注入电网的谐波电压和谐波电流加以限制。当负载产生谐波或者供电系统中存在谐波且超标时,需要设置滤波无功补偿装置;在一些特殊场合,虽然谐波未超过标准规定,但已经影响系统的正常工作时,也需要设置滤波无功补偿装置。所以,当电网中存在谐波时不适宜用电容器单体进行无功补偿。电容器比其他电气设备更容易受谐波影响和损坏,谐波对电容器的影响有以下几种:
1) 引起电容器工作电压的升高
当电容器接入电网后,电容器两端的电压中含有高次谐波时,其有效值为:
自愈式金属化并联电容器是用金属化聚丙烯薄膜进行绕卷而制成的, 它的绝缘介质聚丙烯薄膜与其它品种的电容器一样, 会逐渐老化, 其老化的速度与施加电压、使用温度等条件有关。一般认为, 电压升高10% , 寿命降低一半。具体可用下式表示:
其中: 为额定电压; 为额定电压下电容器的使用寿命;U为实际的工作电压; 为过电压下电容器的使用寿命;α为常数,一般取7~9。
谐波引起电容器工作电压升高,进而会降低电容器的使用寿命。
2) 导致电容器过电流和过负荷
由于电容器的阻抗和频率成反比,从而在高次谐波下,通过电容器的谐波电流有效值为:
,可得电容器工作电流的有效值为:
3) 电容器的介质损耗增加
在谐波情况下,电容器的介质损耗可用下式计算:
当频率增加时,损耗也会增加。电容器的介质损耗增加会引起电容器发热,导致热击穿,严重影响电容器的寿命。