芻議無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在配電網(wǎng)中的節(jié)能作用

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摘要：近幾年，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，電力需求量不斷增大，消耗量同時(shí)也增大。如何有效的節(jié)約電能，也就顯得更為重要。本文闡述了無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在配電網(wǎng)中的補(bǔ)償原則、提高功率因數(shù)的作用、影響功率因數(shù)的因素、補(bǔ)償分類，以及新舊型無(wú)功補(bǔ)償裝置的性能比較。

關(guān)鍵詞：無(wú)功補(bǔ)償、分類、性能比較   1、概述 近年來(lái)，連云港地區(qū)用電保持高速增長(zhǎng)。2007年全社會(huì)用電量完成52.7417億千瓦時(shí)，同比增長(zhǎng)7.27％；2008年最大用電負(fù)荷102萬(wàn)千瓦，最大日用電量1856萬(wàn)千瓦時(shí)。 隨著連云港地區(qū)主網(wǎng)結(jié)構(gòu)的不斷完善以及地區(qū)無(wú)功電壓優(yōu)化運(yùn)行控制系統(tǒng)的投入，35kV及以上電網(wǎng)的線損率逐年下降、功率因數(shù)合格率及電壓合格率得到進(jìn)一步的提高。但10kV及以下配電網(wǎng)的線損率仍然較高, 10kV及以下配電網(wǎng)中線損占地區(qū)總線損電量的70%左右,部分線路功率因數(shù)偏低、配變供電能力受限。另外在部分區(qū)域還存在低電壓?jiǎn)栴}。 這其中的原因之一是隨著居民家用電器的普及以及小工業(yè)用戶的增多，尤其是各類電力電子裝置的大量應(yīng)用，低壓配網(wǎng)中無(wú)功功率的需求日益增大。據(jù)相關(guān)研究表明，日光燈負(fù)載的功率因數(shù)僅為0.54左右，電風(fēng)扇、洗衣機(jī)、電冰箱等的功率因數(shù)僅在0.65～0.85左右。而與其相對(duì)應(yīng)的用戶側(cè)隨器無(wú)功補(bǔ)償裝置安裝容量嚴(yán)重不足，低壓配網(wǎng)中缺少大量無(wú)功補(bǔ)償容量。 受電網(wǎng)投資資金規(guī)模的限制，前些年供電公司對(duì)低壓電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償重視不足，系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備安裝較少。為解決這一問題，連云港供電公司近年來(lái)為近200臺(tái)柱上變壓器和100處小區(qū)變電所安裝了低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置，采用的方式為配電變壓器低壓側(cè)集中補(bǔ)償和線路三分之二處根據(jù)電壓補(bǔ)償無(wú)功兩種。實(shí)踐表明由于缺少對(duì)低壓網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)控，對(duì)于補(bǔ)償效果很難進(jìn)行科學(xué)的評(píng)估，從而很難指導(dǎo)下一步的無(wú)功優(yōu)化工作。 目前省內(nèi)還未形成統(tǒng)一的低壓無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備配置標(biāo)準(zhǔn)，有必要對(duì)典型地區(qū)低壓無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑圏c(diǎn)安裝和實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行分析，研究低壓無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的配置位置、配置容量、配置方式的優(yōu)化及其改善電壓質(zhì)量和降損節(jié)點(diǎn)的效果，為今后中低壓網(wǎng)絡(luò)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的配置優(yōu)化工作提供依據(jù)。 2、無(wú)功補(bǔ)償原則 電力網(wǎng)除了要承擔(dān)用電負(fù)荷的有功功率P，還有負(fù)擔(dān)負(fù)荷的無(wú)功功率Q。有功功率P、無(wú)功功率Q和視在功率S之間存在下述關(guān)系，即： ，而 被定義為電力網(wǎng)的功率因數(shù)。在電力網(wǎng)的運(yùn)行中，我們希望功率因數(shù)越大越好，如能做到這一點(diǎn)，則電路中的視在功率將大部分用來(lái)供給有功功率，以減少無(wú)功功率的消耗。 提高功率因數(shù)具有重要的意義。 （1）改善設(shè)備的利用率 功率因數(shù)可表示成 ，其中U、I為線電壓、線電流。即在一定的電壓和電流下，提高 ，其輸出的有功功率越大，因此，改善功率因數(shù)是充分發(fā)揮設(shè)備潛力，提高設(shè)備利用率的有效方法。 （2）減少電壓損失 電力網(wǎng)的電壓損失 ，影響△U的因素有四個(gè)：線路的有功功率P、無(wú)功功率Q、電阻R、電抗x。如果采用容抗為Xc的電容來(lái)補(bǔ)償，則電壓損失變?yōu)?，即采用補(bǔ)償電容提高功率因數(shù)后，電壓損失△U減小，改善了電壓質(zhì)量。 （3）降低線路電能損耗 當(dāng)線路通過電流I時(shí)，其有功損耗：   可見，線路有功損失△P與 成反比， 越高，△P越小。 （4）提高電力網(wǎng)的傳輸能力      視在功率與有功功率關(guān)系 ，可見在傳輸一定有功功率P的條件下， 越高，所需視在功率越小。 根據(jù)《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》、《電力系統(tǒng)電壓和無(wú)功電力管理?xiàng)l例》、《國(guó)家電網(wǎng)公司電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償配置技術(shù)原則》等一系列規(guī)程導(dǎo)則的技術(shù)規(guī)定，結(jié)合江蘇電網(wǎng)的實(shí)際情況，江蘇省電力公司制定了《江蘇電網(wǎng)“十一五”電壓質(zhì)量和無(wú)功電力規(guī)劃》，其中對(duì)于無(wú)功補(bǔ)償總的配置原則如下： （a）堅(jiān)持長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)和近期需求相結(jié)合的原則，統(tǒng)一規(guī)劃，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，突出重點(diǎn)，循序漸進(jìn)，優(yōu)化資源配置。 （b）綜合利用調(diào)壓和無(wú)功補(bǔ)償手段，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓質(zhì)量和無(wú)功電力平衡綜合治理，改善電網(wǎng)電壓質(zhì)量，提高電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平，實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的共同提高。 （c）堅(jiān)持調(diào)壓與降損相結(jié)合，以降損為主；集中補(bǔ)償與分散補(bǔ)償相結(jié)合，以分散補(bǔ)償為主；高壓補(bǔ)償與低壓補(bǔ)償相結(jié)合，以低壓補(bǔ)償為主的原則，實(shí)行分級(jí)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)無(wú)功動(dòng)態(tài)就地平衡。 （d）堅(jiān)持科技創(chuàng)新的原則，加大資金投入，積極研究開發(fā)和推廣應(yīng)用先進(jìn)適用的新技術(shù)、新設(shè)備，提高電網(wǎng)電壓無(wú)功管理的科技水平。     3、低壓無(wú)功補(bǔ)償配置方式 低壓電網(wǎng)處于電網(wǎng)的最末端，直接面向眾多用戶，做好低壓無(wú)功補(bǔ)償工作，不但可以減輕上一級(jí)電網(wǎng)補(bǔ)償?shù)膲毫?，還可以提高配變利用率、改善用戶功率因數(shù)和電壓質(zhì)量，并有效的降低電能損失，減少用戶電費(fèi)，這對(duì)用戶和系統(tǒng)均有益。 低壓無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康氖菍?shí)現(xiàn)無(wú)功的就地平衡，在進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償配置時(shí)，需要確定兩方面內(nèi)容:①補(bǔ)償?shù)攸c(diǎn)和補(bǔ)償方式的確定；②補(bǔ)償容量的配置。通常采用的方法有三種：跟蹤補(bǔ)償、隨機(jī)補(bǔ)償、隨器補(bǔ)償。 （1）跟蹤補(bǔ)償及隨機(jī)補(bǔ)償 跟蹤補(bǔ)償和隨機(jī)補(bǔ)償常用于用戶端補(bǔ)償。跟蹤補(bǔ)償是最常用的補(bǔ)償方式，通過將低壓電容器組安裝在用戶0.4kV母線上，使用自動(dòng)投切方式跟蹤無(wú)功負(fù)荷的變化。隨機(jī)補(bǔ)償常用于大型電動(dòng)機(jī)和電焊機(jī)等功率因數(shù)很低的設(shè)備，通過控制、保護(hù)裝置與電動(dòng)機(jī)同時(shí)投切。對(duì)于大型電動(dòng)機(jī)等設(shè)備有很好的經(jīng)濟(jì)效益。 （2）隨器補(bǔ)償 隨器補(bǔ)償是指將低壓電容器接在配電變壓器二次側(cè)以補(bǔ)償配電變壓器空載無(wú)功的補(bǔ)償方式。配電變壓器，尤其是綜合用戶配變，普遍存在負(fù)荷輕、“大馬拉小車”現(xiàn)象，在負(fù)荷低谷時(shí)接近空載。配電變壓器在輕載或空載時(shí)的無(wú)功負(fù)荷主要是變壓器的空載勵(lì)磁無(wú)功。 早期的隨器補(bǔ)償多數(shù)為固定式補(bǔ)償，只能補(bǔ)配變的空載無(wú)功負(fù)荷，若補(bǔ)償容量值過大易引起配變輕載時(shí)的過補(bǔ)償問題?，F(xiàn)在則大多將自動(dòng)無(wú)功投切裝置作為無(wú)功控制保護(hù)裝置，可根據(jù)變壓器無(wú)功負(fù)荷的大小自動(dòng)投切，這種方式己經(jīng)成為近年來(lái)隨器補(bǔ)償?shù)闹饕绞健?另外還有一種方式則為低壓線路“三分二”補(bǔ)償方式，即在低壓線路的2/3長(zhǎng)度處配置總無(wú)功負(fù)荷的2/3容量。此方法的前提是假設(shè)低壓線路上的無(wú)功負(fù)荷沿線路均勻分布。 4、影響功率因數(shù)的主要因素 （1）電感性設(shè)備影響。如異步電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)電爐、交流電焊機(jī)等大量的電感性設(shè)備，是無(wú)功功率的主要消耗者。 （2）變壓器影響。變壓器消耗的無(wú)功功率一般約為其額定容量的10％～15％，它的空載無(wú)功功率只有滿載時(shí)的1/3。所以，為了改善電力系統(tǒng)和企業(yè)的功率因數(shù)，變壓器不應(yīng)空載運(yùn)行或長(zhǎng)期處于低負(fù)載狀態(tài)運(yùn)行。 （3）供電電壓高的影響。供電電壓超出規(guī)定范圍，也會(huì)對(duì)功率因數(shù)造成很大影響。當(dāng) 高于額定值的10％時(shí)，由于磁路飽和的影響，無(wú)功功率將增長(zhǎng)得很快；當(dāng)其低于額定值時(shí)，無(wú)功功率也相應(yīng)減少，從而使它們的功率因數(shù)有所提高。但供電電壓降低會(huì)影響電氣設(shè)備的正常工作。 5、無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆诸?就無(wú)功自動(dòng)補(bǔ)償性質(zhì)而言，一般分為三相電容自動(dòng)補(bǔ)償和分相電容自動(dòng)補(bǔ)償兩種。 （1）三相電容自動(dòng)補(bǔ)償比較適用于三相負(fù)載平衡的供配電系統(tǒng)。因?yàn)槿嗷芈肥瞧胶獾?，回路中無(wú)功電流相同，所以在補(bǔ)償時(shí)，調(diào)節(jié)無(wú)功功率參數(shù)的信號(hào)取自三相中的任意一相即可。然后再根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，三相同時(shí)投切，這樣可保證三相電壓的質(zhì)量。 （2）分相電容自動(dòng)補(bǔ)償。在民用建筑中大量使用單相負(fù)荷，它容易造成三相負(fù)載的嚴(yán)重不平衡，尤其是住宅樓在運(yùn)行中三相不平衡問題更為嚴(yán)重。若用傳統(tǒng)的三相無(wú)功補(bǔ)償方式，不但不節(jié)能，反而浪費(fèi)資源，難以對(duì)系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償進(jìn)行有效補(bǔ)償。再說，補(bǔ)償過程中所產(chǎn)生的過、欠補(bǔ)償?shù)缺锥烁墙o整個(gè)電網(wǎng)的正常運(yùn)行帶來(lái)了嚴(yán)重的危害。因此，對(duì)于三相不平衡及單相配電系統(tǒng)中，均采用分相電容自動(dòng)補(bǔ)償，其原理是調(diào)節(jié)無(wú)功功率參數(shù)的信號(hào)取自三相中的每一相，然后根據(jù)每相感性負(fù)載的大小和功率因數(shù)的高低作相應(yīng)的補(bǔ)償，對(duì)別的相不產(chǎn)生相互影響。 6、新舊無(wú)功補(bǔ)償裝置性能比較 （1）投切器件。普通型無(wú)功補(bǔ)償裝置是通過中間繼電器（或同態(tài)繼電器）接通接觸器、控制補(bǔ)償電容器投入或切除的。投切電容不能保證在零電位瞬間，容易引起很人的浪涌電流或電壓，進(jìn)而引起電氣傷害，也是供電故障的主要原因。新型無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVS）采用進(jìn)口芯片品閘管，電容采用零電位瞬間投切，無(wú)尖峰脈沖電流干擾電網(wǎng)，能保證系統(tǒng)安全供電，在有敏感電子設(shè)備的場(chǎng)合下應(yīng)用非常重要。 （2）補(bǔ)償方式。普通無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)三相不對(duì)稱負(fù)荷或單相負(fù)荷明顯的場(chǎng)所，也只能實(shí)行三相等量補(bǔ)償。新型無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVS）可根據(jù)實(shí)際需要自動(dòng)投入等量或不等量電容，實(shí)現(xiàn)三相對(duì)稱或不對(duì)稱補(bǔ)償功能。 （3）濾波回路。新型無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVS）帶有RC吸收回路，能濾除高次諧波，實(shí)現(xiàn)無(wú)投切振蕩，無(wú)補(bǔ)償呆區(qū)。適用于諧波污染嚴(yán)重的三相電網(wǎng)中無(wú)功功率的補(bǔ)償。 （4）投切時(shí)間。普通無(wú)功補(bǔ)償裝置在投入或切除一步之間需要很長(zhǎng)的時(shí)間，因此補(bǔ)償系統(tǒng)的特性受到影響。新型無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVS）當(dāng)負(fù)載變化需要投切不止一個(gè)組數(shù)時(shí)，可以同時(shí)精確控制相應(yīng)組數(shù)。 （5）響應(yīng)時(shí)間。普通無(wú)功補(bǔ)償裝置機(jī)電開關(guān)投切的反應(yīng)時(shí)間很慢，接通一組需要10～30s的時(shí)間，完成全部補(bǔ)償需要幾分鐘的時(shí)間。新型無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVS）對(duì)于50Hz電網(wǎng)，在每個(gè)周期內(nèi)使用快速傅里葉算法，自動(dòng)響應(yīng)時(shí)間小超過20ms。 （6）補(bǔ)償精度。普通無(wú)功補(bǔ)償裝置由十電容組合配置精度不高，且跟蹤不迅速，容易造成超前或滯后等補(bǔ)償不精確的現(xiàn)象。新型無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVS）由于每級(jí)電容按照2n-1倍數(shù)（1≤n≤4）等容遞增配置，可實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)隨機(jī)組合投切，并可實(shí)現(xiàn)三相不對(duì)稱同時(shí)分別補(bǔ)償，平均功率因數(shù)均為0.9～0.99。 （7）運(yùn)行性能。普通無(wú)功補(bǔ)償裝置接觸器投切系統(tǒng)的控制器通常情況下需要撥碼開關(guān)，小的顯示讓它非常困難地檢查系統(tǒng)的特性，沒有附加的遠(yuǎn)程控制和通信，保護(hù)功能落后。新型無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVS）采用先進(jìn)的微電腦控制器，檢測(cè)及跟蹤投切自動(dòng)控制完成，無(wú)需人工干預(yù)，使用大的LCD顯示屏，提供非常方便的使用特性，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)群控制及報(bào)告系統(tǒng)和電網(wǎng)的情況。它具有嚴(yán)格的抗干擾能力，對(duì)過壓、缺相、欠壓及輸出端短路等線路故障均具有保護(hù)功能。 （8）維護(hù)性能。普通無(wú)功補(bǔ)償裝置接觸器壽命有限，需經(jīng)常更換接觸器通斷所引起的浪涌會(huì)導(dǎo)致頻繁的設(shè)備故障和額外的更換。投入的電容器總是從零電位開始，對(duì)電網(wǎng)及電容器本身具有相當(dāng)大的沖擊。新型無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVS）通過特有的吸收回路，可將回路中的尖峰脈沖吸收，通過特有的充電回路，可將準(zhǔn)備投入的電容事先充電而保持一定電位的直流電平，減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，更好地保護(hù)開關(guān)模塊及電容器，具有很長(zhǎng)的使用壽命，從而大大減少現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)費(fèi)用。 （9）經(jīng)濟(jì)性能。普通無(wú)功補(bǔ)償裝置最初成本因?yàn)槠魇驳母鼡Q和維修而經(jīng)常改變，一段時(shí)間以后評(píng)估接觸器開關(guān)投切系統(tǒng)，實(shí)際的費(fèi)用和間接的損失將比初始的投資大。新型無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVS）初始投資比接觸器系統(tǒng)高，但是當(dāng)考慮到運(yùn)行和維護(hù)所需要的費(fèi)用，整體投資比接觸器開關(guān)投切的系統(tǒng)低。同時(shí)因?yàn)檠a(bǔ)償因數(shù)較高，供電部門可能還會(huì)有一定的獎(jiǎng)勵(lì)。 7、管理與維護(hù) 7．1 動(dòng)態(tài)管理 無(wú)功補(bǔ)償裝置安裝后，需要使用筆記本電腦進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)在線動(dòng)態(tài)管理，調(diào)出歷史資料查看裝置是否按照設(shè)置方式和參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)投切。還要從變電站觀察補(bǔ)償裝置投、切時(shí)線路上功率因數(shù)和電流是否發(fā)生了變化，達(dá)到預(yù)期的效果。如不理想，應(yīng)該分析原因，調(diào)整設(shè)置參數(shù)，甚至調(diào)整定補(bǔ)和自補(bǔ)容量。 7．2 制定無(wú)功補(bǔ)償管理制度 是為了做好無(wú)功管理工作的保障，必須編寫詳細(xì)，責(zé)任明確，達(dá)到閉環(huán)管理。要從補(bǔ)償裝置計(jì)劃提出開始，到對(duì)設(shè)備的技術(shù)要求、選型定貨、驗(yàn)收試驗(yàn)、安裝施工、運(yùn)行管理、維護(hù)檢修、拆遷移位等每個(gè)環(huán)節(jié)都要落實(shí)到相關(guān)部門，責(zé)任到人。 根據(jù)比較，新型低壓無(wú)功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置（SVS）的各項(xiàng)技術(shù)性能，都優(yōu)于傳統(tǒng)的補(bǔ)償裝置。而且使用壽命還長(zhǎng)，維護(hù)工作量也小，長(zhǎng)期節(jié)能效果也好。