無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)

1、叮叮小文庫(kù)電力系統(tǒng)自動(dòng)化課程設(shè)計(jì)報(bào)告書題目名稱：無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)學(xué)院：機(jī)電工程學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí)：2013級(jí)2班學(xué)號(hào)名：指導(dǎo)教師：2016年12月課程設(shè)計(jì)報(bào)告書設(shè) 計(jì) 目 的文將對(duì)供配電系統(tǒng)中無功功率產(chǎn)生機(jī)理及其對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生的影 響及造成的危害進(jìn)仃分析，同時(shí)，分析、研究無功補(bǔ)償裝置的原理，通過 電容器的無功補(bǔ)償，得到一套較為完善的補(bǔ)償方案，并用本方案對(duì)某一需 要無功補(bǔ)償?shù)呐潆娋W(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償。引言電力系統(tǒng)的無功平衡，是保證電壓質(zhì)量的基本條件，有效的電壓控制 和合理的無功補(bǔ)償，不僅能保證電壓質(zhì)量，而且能提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn) 定性和安全性。電網(wǎng)無功補(bǔ)償設(shè)備有調(diào)相

2、機(jī)、并聯(lián)電容器、串聯(lián)電容器、靜止補(bǔ)償 器、交流濾波器等。其中并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置因具有投資少、損耗低、噪 音小及施工運(yùn)仃維護(hù)間單等優(yōu)點(diǎn)，而被電網(wǎng)大量而普遍的使用。并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合性的技術(shù) ，除考慮電容器本體外， 還涉及到與許多設(shè)備的配合，如開關(guān)、電抗器、熔斷器、避雷器、放電裝 置、繼電保護(hù)、自動(dòng)投切裝置、儀表、通風(fēng)設(shè)備等；在電氣性能方面除考 慮其合閘涌流和分閘過電壓外，還應(yīng)考慮系統(tǒng)的無功電壓、線損、諧振等 一系列的問題17一、無功補(bǔ)償?shù)囊饬x無功補(bǔ)償技術(shù)是提高電網(wǎng)供電能力、減少電壓損失和降低網(wǎng)損的一 種有效措施。電力電容器具有無功補(bǔ)償原理簡(jiǎn)單、安裝方便、投資小， 有功損耗小，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)

3、便、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。因此，在當(dāng)前，隨著電 力負(fù)荷的增加，要想提高電網(wǎng)系統(tǒng)的利用率，通過采用補(bǔ)償電容器進(jìn)行 合理的補(bǔ)償，是能夠提高供電質(zhì)量并取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益的。二、無功補(bǔ)償裝置2.1無功補(bǔ)償裝置的類型無功補(bǔ)償裝置按照出現(xiàn)的時(shí)間順序可以分為傳統(tǒng)的補(bǔ)償裝置和現(xiàn) 代的補(bǔ)償裝置。傳統(tǒng)補(bǔ)償裝置有由簡(jiǎn)單的電容器和電抗器構(gòu)成的補(bǔ)償裝 置和同步調(diào)相機(jī)；現(xiàn)在的補(bǔ)償裝置一般由可以快速反應(yīng)的晶閘管控制， 如晶閘管控制電抗器、晶閘管投切電容器等。設(shè)計(jì)內(nèi)容變電站中傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償裝置主要是調(diào)相機(jī)和靜電電容器。隨著電 力電子技術(shù)的發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，交流無觸點(diǎn)開關(guān)SCRGTR GTO等相繼出現(xiàn)，將其作為投切開關(guān)無功

4、補(bǔ)償都可以在一個(gè)周波內(nèi)完成， 而且可以進(jìn)行單相調(diào)節(jié)。如今所指的靜止無功補(bǔ)償裝置一般專指使用晶 閘管投切的無功補(bǔ)償設(shè)備，主要有以下三大類型：（1）具有飽和電抗器的靜止無功補(bǔ)償裝置；（2）晶閘管控制電抗器、晶閘管投切電容器，這兩種裝置統(tǒng)稱為SVC（3）采用自換相變流技術(shù)的靜止無功補(bǔ)償裝置一一高級(jí)靜止無功 發(fā)生器2.2無功補(bǔ)償裝置的作用：無功功率比較抽象，它是用于電路內(nèi)電場(chǎng)與磁場(chǎng)的交換，并用來在 電氣設(shè)備中建立和維持磁場(chǎng)的電功率。它不對(duì)外作功，而是轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌?形式的能量。凡是有電磁線圈的電氣設(shè)備，要建立磁場(chǎng)，就要消耗無功 功率。無功功率決不是無用功率，它的用處很大。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)就是 靠從電源取得

5、無用功率建立的。變壓器也同樣需要無功功率，才能使變壓器的一次線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，在二次線圈感應(yīng)出電壓。在電力系統(tǒng)中，由于無功功率不足，會(huì)使系統(tǒng)電壓及功率因素降低, 從而損壞用電設(shè)備，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成電壓崩潰，使系統(tǒng)瓦解，造成大面積 停電。另外，功率因素和電壓的降低，還會(huì)使電氣設(shè)備得不到充分利用, 造成電能損耗增加，效率降低，限制了線路的送電能力，影響電網(wǎng)的安 全運(yùn)行及用戶的正常用電。無功補(bǔ)償設(shè)備的作用：(1) 改善功率因數(shù)；(2) 改善電壓調(diào)節(jié)；(3) 調(diào)節(jié)負(fù)載的平衡性。三、投切開關(guān)的選取對(duì)于無功功率補(bǔ)償裝置來說，選擇何種電容器投切執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)整 套裝置的安全運(yùn)行是至關(guān)重要的。目前用于電容器投切的執(zhí)行元

6、件主要有：(1) 電容器專用接觸器，此類產(chǎn)品是在普通接觸器的基礎(chǔ)上增加限流 電阻或限流線圈的方案來限制合閘涌流。安裝接線方便，運(yùn)行費(fèi)用低且 價(jià)格低廉。但會(huì)產(chǎn)生投切涌流和關(guān)斷時(shí)的過電壓，僅適用于負(fù)載無功功 率變化不大且不頻繁操作、系統(tǒng)工作較平穩(wěn)的場(chǎng)合。(2) 晶閘管電子開關(guān)，此類產(chǎn)品具有電壓過零投入、電流過零切除、 反應(yīng)速度快等特性，可實(shí)現(xiàn)電容器的投入無涌流、切除無過壓、投切無 電弧的快速動(dòng)態(tài)補(bǔ)償功能，該裝置特別適用于電容器需要頻繁投切的無 功補(bǔ)償場(chǎng)合。但晶閘管也存在損耗大、散熱差等不足，影響了無功補(bǔ)償 裝置的可靠性，且成本相對(duì)過高。(3) 復(fù)合開關(guān)，復(fù)合開關(guān)的工作原理是將晶閘管和交流接觸器并接

7、， 電容器投切瞬間，晶閘管工作，正常接通期間接觸器可靠閉合，既有可 控硅開關(guān)過零投切的優(yōu)點(diǎn)，又有接觸器無功耗的優(yōu)點(diǎn)。投電容器時(shí)，保 證電壓過零合閘；切電容時(shí)，保證電流為零關(guān)斷，在保證快速投切情況 下，避免了涌流、諧波注入及觸點(diǎn)燒損現(xiàn)象。而在正常工作時(shí)，利用接 觸器導(dǎo)通容量大、壓降小、功耗小、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，不會(huì)帶來高溫升、 高能耗問題。復(fù)合開關(guān)適宜頻繁操作，整機(jī)使用壽命長(zhǎng)，價(jià)格也相對(duì)適 中。要保證投切開關(guān)長(zhǎng)期、可靠的運(yùn)行，選用時(shí)必須注意以下幾點(diǎn)：(1) 投切開關(guān)的額定電流必須與投切的電容的額定電流匹配。(2) 投切開關(guān)的接線端子過流要滿足額定電流。(3) 投切開關(guān)的端子的接線必須牢固可靠。四、

8、電容器無功補(bǔ)償方式電容器補(bǔ)償裝置可以串聯(lián)補(bǔ)償也可并聯(lián)補(bǔ)償，一般用于補(bǔ)償配電網(wǎng) 中感性負(fù)荷。在電力系統(tǒng)中，負(fù)載類型是多樣化的，但其中以異步電動(dòng) 機(jī)類型的負(fù)載為最多。異步電動(dòng)機(jī)類型的負(fù)載為阻感性負(fù)載，可認(rèn)為是 電感和電阻R串聯(lián)的負(fù)載，其功率因數(shù)可用式公式計(jì)算。RR此時(shí)，電壓U與電流I之間的相位差由補(bǔ)償前的1?變小到2?，即 系統(tǒng)的功率因數(shù)提高，如果補(bǔ)償后的功率因數(shù) 2cos?達(dá)到要求，則達(dá)到 了無功補(bǔ)償?shù)哪康摹?.1串聯(lián)無功補(bǔ)償串聯(lián)電容器提升的末端電壓的數(shù)值 QcX/V隨無功負(fù)荷增大而增大， 減小而減小，恰與調(diào)壓要求一致，這是串聯(lián)電容器調(diào)壓的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)。 但對(duì)負(fù)荷功率因數(shù)高(cos 0.95)或

9、者導(dǎo)線截面小的線路，由于PR/V分量的比重較大，串聯(lián)補(bǔ)償?shù)恼{(diào)壓效果就很小。此外，串聯(lián)補(bǔ)償可能會(huì) 產(chǎn)生鐵磁諧振和自勵(lì)磁等許多異常現(xiàn)象。串聯(lián)電容器與導(dǎo)線相串聯(lián)以補(bǔ)償線路的感性電抗。這將減小線路所 連節(jié)點(diǎn)間的轉(zhuǎn)移電抗，增大最大傳輸功率，減小實(shí)際的無功功率損耗。 盡管串聯(lián)電容器通常不用于電壓控制，但它們確實(shí)能改善電壓控制和無 功功率平衡。由于串聯(lián)電容器產(chǎn)生的無功功率隨功率傳輸?shù)脑黾佣?加，在這個(gè)方面，串聯(lián)電容器能自我調(diào)節(jié)。串聯(lián)電容器主要用于補(bǔ)償線路的部分串聯(lián)感抗，從而降低輸送功率時(shí)的無功功率損耗，也是得到較早應(yīng)用的一種無功功率補(bǔ)償裝置。它是 國(guó)內(nèi)外電力系統(tǒng)在遠(yuǎn)距離輸電時(shí)比較普遍采用的提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和

10、輸 送能力的重要手段。如圖（a），R、L為等效感性電路或感性負(fù)載，C為串聯(lián)電容，圖（b） 為電壓矢量三角關(guān)，圖（c）為電阻、電感和阻抗矢量三角關(guān)系。0_LEu呻O（a） RLC簡(jiǎn)單串聯(lián)等值屯路由此可知，只要串聯(lián)恰當(dāng)?shù)碾娙萜?，就可以減小功率因數(shù)角？2即提高功率因數(shù)cos?2。屯壓矢星二角關(guān)系（c）電阻、電感和甩抗矢雖=角左系由此可知，只要串聯(lián)恰當(dāng)?shù)碾娙萜?，就可以減小功率因數(shù)角?2即提高功率因數(shù)cos?2。4.2并聯(lián)電容器的補(bǔ)償方式并聯(lián)電容器組是電網(wǎng)中使用較廣的一種專用于無功功率補(bǔ)償?shù)脑O(shè)備，它以其低廉的價(jià)格、方便的使用而受到廣泛使用。其補(bǔ)償原理前文己有敘述，這里不再介紹。按照電容器組安裝位置的不同

11、， 并聯(lián)電容器組無功功率補(bǔ)償方式一般可以分為集中補(bǔ)償方式、分散 補(bǔ)償方式和單機(jī)就地補(bǔ)償方式三種。集中補(bǔ)償方式：將電容器組直接安裝在變電所的610KV母線上，用 來提高整個(gè)變電所的功率因數(shù)，使該變電所的供電范圍內(nèi) 無功功率基本平衡。可以減少高壓線路的無功損耗，而且能夠提高供電電壓質(zhì)量。（2）分組補(bǔ)償方式：將電容器組分別裝設(shè)在功率因數(shù)較低的終端 配電所高壓或低壓母線上，也稱為分散補(bǔ)償。這種方式具有與集中 補(bǔ)償相同的優(yōu)點(diǎn)，僅無功補(bǔ)償容量和范圍相對(duì)小些。但是分組補(bǔ)償 效果比較明顯，采用的較為普遍。（3）就地補(bǔ)償方式：將電容器或電容器組裝設(shè)在異步電動(dòng)機(jī)或者電感 性用電設(shè)備附近，就地進(jìn)行無功補(bǔ)償，也稱為單

12、獨(dú)補(bǔ)償或個(gè)別補(bǔ)償 方式。這種方式既能提高為用電設(shè)備供電回路的功率因數(shù)，又能改 善用電設(shè)備的電壓質(zhì)量，對(duì)中小型設(shè)備十分適用。4.3并聯(lián)電容器的接線方式電容器接線方式不同，相應(yīng)的補(bǔ)償方式也不同。在無功補(bǔ)償中， 線路的補(bǔ)償電容器組有如下三種接線方式：三角形接法 （接法）、星 形接法（Y接法）、三角形和星形相結(jié)合接法（ -丫），相應(yīng)的補(bǔ)償方式也 就分為三相共補(bǔ)、三相分補(bǔ)、三相共補(bǔ)與三相分補(bǔ)相結(jié)合的方式。三角形接線對(duì)應(yīng)于三相共補(bǔ)的方式。如圖2.3所示。傳統(tǒng)的低壓補(bǔ)償 大都是采用三相共補(bǔ)的方式，根據(jù)控制器統(tǒng)一采樣，各相投入相同 的補(bǔ)償容量。這種補(bǔ)償方式適用于三相負(fù)載基本平衡、各相負(fù)載的 功率因數(shù)相近的網(wǎng)絡(luò)

13、。星形接線對(duì)應(yīng)于三相分補(bǔ)方式。三相分補(bǔ)方式就是各相分別取 樣，按照需要分別投入不同的補(bǔ)償容量。此種方法適用于各相負(fù)載 相差較大，其功率因數(shù)值也有較大差別的場(chǎng)合。與三相共補(bǔ)不同的 是：控制器分相進(jìn)行工作，互不影響。當(dāng)然，其價(jià)格高于三相共補(bǔ)的裝 置，一般要貴20%30%。三角形和星形相結(jié)合接線對(duì)應(yīng)于三相共補(bǔ)與三相分補(bǔ)相結(jié)合的方式。三相共補(bǔ)部分的電容器為接線，三相分補(bǔ)部分的電容器為丫接線。采用此種接線方式的補(bǔ)償裝置，運(yùn)行方式機(jī)動(dòng)靈活。4.4并聯(lián)無功補(bǔ)償并聯(lián)無功補(bǔ)償與串聯(lián)無功補(bǔ)償?shù)淖饔弥欢荚谟跍p少電壓損耗中 的QcX/V分量。并聯(lián)補(bǔ)償能減少 Q,采用并聯(lián)補(bǔ)償能從網(wǎng)損節(jié)約中得到 抵償，而在降低網(wǎng)損及提

14、高用戶功率因數(shù)方面，并聯(lián)補(bǔ)償要比串聯(lián)補(bǔ)償 優(yōu)越的多。4.5并聯(lián)電容器裝置的投切方式對(duì)電力低壓用戶而言按功率因數(shù)變化控制電容器組的投切是主要 的方式。對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)樞紐點(diǎn)大容量電容器組的投切，應(yīng)綜合考慮無功功率、電壓、時(shí)間及有載調(diào)壓變壓器等因素。10 kV及以下的電容器組的自動(dòng)投切技術(shù)比較成熟和簡(jiǎn)單，設(shè)備選擇也較容量，固定宜選用自動(dòng)投切方式。35 kV及以上電容器組的自動(dòng)投 切的技術(shù)相對(duì)較復(fù)雜和不成熟，其頻繁操作對(duì)高壓開關(guān)的機(jī)械和電氣壽 命的要求也更高，基于上述原因高壓電容器組一般為手動(dòng)投切。五、案例分析1. 電網(wǎng)狀況及用電設(shè)備(1) 1#變壓器容量為16000KVA變比為35KV/10KV下帶負(fù)載

15、為2 臺(tái)7200KVA中頻爐變和一臺(tái)1800KVA加熱爐變，中頻爐運(yùn)行產(chǎn)生的特征 諧波以11、13次為主，濾波裝置接入10KV母線。(2) 4#變壓器容量為 20000KVA變比為35KV/10KV主要負(fù)載為 10KV母線側(cè)2臺(tái)8000KVA中頻爐變和總功率為4200KW直流軋機(jī)，濾波 裝置接入10KV母線。2. 投資效果分析(1) 總投資：本項(xiàng)目分2段實(shí)施，分別為1#變、4#變。本案列僅討論1#變，1#變諧波濾除及無功補(bǔ)償裝置總投資五十多萬(wàn)元。(2) 諧波治理及無功補(bǔ)償效果濾波裝置投入后，系統(tǒng)10KV側(cè)諧波電壓畸變率由10.5%降到了3.85%,諧波電流畸變率也由10.20%降到了 7.1%

16、，各次諧波均在國(guó)標(biāo)允 許值以內(nèi)。系統(tǒng)功率因數(shù)也從 0.827提升到了 0.99，濾波裝置投入后， 系統(tǒng)消耗的總無功功率減少了 4800Kvar。3. 節(jié)電效果(1)線路頻率損后的節(jié)電設(shè)公司1#主變最大負(fù)荷全年耗電時(shí)間為3000小時(shí)(t ),線路電能損耗于傳輸電能比為0.03以S表示.則，補(bǔ)償后的全年節(jié)電量： 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為主變負(fù)荷率(2)補(bǔ)償后變壓器全年節(jié)電量： 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為變壓器短路損耗,為240KW(3) 補(bǔ)償投入后的全年總的節(jié)電效果： W/ WL+ WT =288000+140000=428000(kw h)= 428000x0.58 元=24.8 萬(wàn)元式中：電費(fèi)按0.58元/度，負(fù)荷1年工作時(shí)間為3000小時(shí)(4) 力率電費(fèi)的節(jié)約：根據(jù)浙江地區(qū)的電費(fèi)計(jì)價(jià)方式，用戶全年應(yīng)交納的功率因數(shù)調(diào)整電 費(fèi)約為：(以當(dāng)?shù)毓╇娋止β室驍?shù)考核點(diǎn)為0.9計(jì)算，補(bǔ)償前用戶系統(tǒng)的功率因數(shù)為0.827,則功率因數(shù)罰款力率為

18、+3.5%o)力率罰款電費(fèi)=有功電費(fèi)*力率=有功功率*全年工作小時(shí)*電費(fèi)單價(jià)力率由于投入的設(shè)備具有一定的節(jié)能效果，以及通過無功補(bǔ)償，提高了 功率因數(shù)，全年節(jié)電效益明顯，僅節(jié)電一項(xiàng)，可使投資在6個(gè)月內(nèi)得以回收。投資效益顯著。=10500*3000*0.58*3.5%=64 萬(wàn)元因無功補(bǔ)償裝置投入后，系統(tǒng)功率因數(shù)達(dá)到了功率因數(shù)考核點(diǎn) 0.99 以上，故不會(huì)再產(chǎn)生功率因數(shù)罰款電費(fèi)，反而還會(huì)有部分電費(fèi)獎(jiǎng)勵(lì)。力率獎(jiǎng)勵(lì)電費(fèi)=有功電費(fèi)*力率二有功功率*全年工作小時(shí)*電費(fèi)單價(jià) *力率=10500*3000*0.58*0.75%=13.7 萬(wàn)元（5）合計(jì)全年節(jié)約電費(fèi)：24.8+64+13.7=102.5萬(wàn)元4、

19、投資回收期投資回收期約為：54/102.5 6個(gè)月設(shè) 計(jì) 小 結(jié) 及參 考 文 獻(xiàn)過此次課程設(shè)計(jì)，使我更加扎實(shí)的掌握了有關(guān)電力系統(tǒng)方面的知 識(shí)，在設(shè)計(jì)過程中雖然遇到了一些問題，但經(jīng)過一次又一次的思考，一 遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面的知 識(shí)欠缺和經(jīng)驗(yàn)不足。設(shè)計(jì)主要涉及了電力系統(tǒng)的無功功率平衡問題，讓我對(duì)電力系統(tǒng)無 功平衡有了更加深入的學(xué)習(xí)和了解，掌握了各種無功補(bǔ)償措施以及補(bǔ)償 裝置的特點(diǎn)和使用場(chǎng)合。通過采用合適的無功補(bǔ)償措施，對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn) 行分地區(qū)、分電壓等級(jí)地進(jìn)行無功平衡，能夠有效地改善電壓質(zhì)量，使 用戶處的電壓接近額定值，同時(shí)能夠提供功率因數(shù)，降低電網(wǎng)損耗，大 大提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。此次設(shè)計(jì)也讓我明白了思路，有什么不懂不明白的地方要及時(shí)請(qǐng)教 或上網(wǎng)查詢，只要認(rèn)真鉆研，動(dòng)腦思考，動(dòng)手實(shí)踐，就沒有弄不懂的知 識(shí)，收獲