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低壓無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)與運(yùn)用

瀏覽次數(shù):4248更新日期:2016-10-13

徐霜

安科瑞電氣股份有限公司

 

摘要:隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,企業(yè)對(duì)供電的需求與電力設(shè)備的質(zhì)量提出了更高的要求,電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與電能質(zhì)量、無(wú)功功率有著密不可分的關(guān)系,本文就低壓無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述與研究,并介紹了無(wú)功功率補(bǔ)償裝置在現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)用。

 

關(guān)鍵詞:電能質(zhì)量 無(wú)功功率 無(wú)功補(bǔ)償 設(shè)計(jì) 應(yīng)用  

 

0 引言

    近年來(lái),隨著經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展,電能質(zhì)量管理的概念在各大企業(yè)中得到了廣泛的關(guān)注,“用電安全、用電質(zhì)量、用電經(jīng)濟(jì)”理念深入人心,無(wú)功功率補(bǔ)償作為電能質(zhì)量管理的重要組成部分,也成為了廣大電力人研究的方向。國(guó)家對(duì)于無(wú)功功率不達(dá)標(biāo)的企業(yè)更加是使用了鐵腕政策,力率電費(fèi)也成為了一些用電企業(yè)的負(fù)擔(dān)。本文針對(duì)此種情況,對(duì)低壓無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)與選型進(jìn)行了闡述與分析,并舉例說(shuō)明了低壓無(wú)功功率裝置在現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行與應(yīng)用。

 

1 有功功率和無(wú)功功率

    在交流電路中,由電源供給負(fù)載的電功率有兩種;一種是有功功率,一種是無(wú)功功率。     

    有功功率是保持用電設(shè)備正常運(yùn)行所需的電功率,也就是將電能轉(zhuǎn)換為其他形式能量(機(jī)械能、光能、熱能)的電功率。

    無(wú)功功率比較抽象,它用于電路內(nèi)電場(chǎng)與磁場(chǎng)的交換,并用來(lái)在電氣設(shè)備中建立和維持磁場(chǎng)的電功率。

    視在功率、有功功率、無(wú)功功率的關(guān)系可以從功率三角形上得出,公式如下所示:

 

 

    舉個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō),電動(dòng)機(jī)需要建立和維持旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng),從而帶動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng),電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)就是靠從電源取得無(wú)功功率建立的。變壓器也同樣需要無(wú)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。

    因此,無(wú)功功率不是無(wú)用功率,它在電力系統(tǒng)中占據(jù)了一個(gè)重要的位置。沒(méi)有無(wú)功功率,電動(dòng)機(jī)就不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng),變壓器也不能變壓,交流接觸器不會(huì)吸合。

 

 

2 低壓無(wú)功功率補(bǔ)償裝置簡(jiǎn)介

    低壓無(wú)功功率補(bǔ)償裝置,在電力供電系統(tǒng)中所承擔(dān)的作用是提高電網(wǎng)的功率因數(shù),降低供電變壓器及輸送線路的損耗,提高供電效率,供電環(huán)境。所以無(wú)功功率補(bǔ)償裝置在電力供電系統(tǒng)中處在一個(gè)*的位置。合理的選擇低壓無(wú)功功率補(bǔ)償裝置,可以zui大限度的減少網(wǎng)絡(luò)的損耗,使用戶用電質(zhì)量提高。反之,不合理地選擇或者使用方法不當(dāng),也有可能會(huì)造成供電系統(tǒng)電壓波動(dòng)、閃變、諧波放大等多種不可控的因素。

 

3 無(wú)功補(bǔ)償裝置的原理

    從功率三角形可以看出,用戶的變壓器容量(S)是固定的,如果用戶的設(shè)備需要的無(wú)功功率(Q)過(guò)大,就會(huì)使有功功率(P)的出力減少。這不僅會(huì)使得使用電設(shè)備不能正常工作,還可能造成線路過(guò)載導(dǎo)致設(shè)備損壞,此時(shí),就需要對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償。

    如圖1所示,在進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償前,負(fù)載的無(wú)功功率、有功功率均通過(guò)變壓器來(lái)自于電網(wǎng),就會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)的功率因數(shù)降低,電能質(zhì)量下降,用電效率差。

    圖2對(duì)設(shè)備進(jìn)行了無(wú)功功率的補(bǔ)償,此時(shí)設(shè)備的有功功率通過(guò)變壓器來(lái)自于電網(wǎng),而無(wú)功功率取自我們的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。假設(shè)設(shè)備的無(wú)功功率均從無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備提取,此時(shí),從電網(wǎng)側(cè)來(lái)看,無(wú)功功率(Q)為0,此時(shí)的視在功率(S)等于有功功率(P),功率因數(shù)為1。此時(shí)電網(wǎng)的供電效率是zui高的,此種情況雖然為理想狀態(tài),但在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中,只要補(bǔ)償?shù)卯?dāng),月平均功率因數(shù)達(dá)到0.95以上是沒(méi)有問(wèn)題的

 

 

      圖1無(wú)功補(bǔ)償前圖例                           圖2無(wú)功補(bǔ)償后圖例

 

 

 

4 無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹匾?/strong>

    一般來(lái)說(shuō),使用無(wú)功補(bǔ)償裝置來(lái)提高功率因數(shù)的意義體現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是可以減少輸電線路上的功率損失;二是可以充分發(fā)揮電力設(shè)備(如電機(jī)、變壓器等)的潛力。因?yàn)橛秒婋娖骺偸窃谝欢妷汉鸵欢ㄓ泄β氏鹿ぷ鳎绻β室驍?shù)較低,就要用較大的電流來(lái)保障用電器正常工作,輸電電流變大,導(dǎo)致線路損耗增加。此外,任何電力設(shè)備工作時(shí)總是工作在一定的額定電壓與額定電流內(nèi),超過(guò)額定電壓值,會(huì)威脅設(shè)備的絕緣性能;工作電流超過(guò)額定值,會(huì)使內(nèi)部溫升過(guò)高,從而降低了設(shè)備的使用壽命。對(duì)于一些發(fā)電設(shè)備而言,功率因數(shù)的提高能大大增加效率,例如:一臺(tái)發(fā)電機(jī)容量為1500kW,當(dāng)電力系統(tǒng)的功率因數(shù)由0.6上升至0.8時(shí),就可以使實(shí)際發(fā)電能力提高到3000kW。

 

5 無(wú)功補(bǔ)償?shù)慕?jīng)濟(jì)效益

    無(wú)功補(bǔ)償?shù)慕?jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在力率電費(fèi),力率電費(fèi)=有功電量×電價(jià)×力率電費(fèi)調(diào)整系數(shù)。力率電費(fèi)調(diào)整系數(shù)根據(jù)功率因數(shù)的值查表獲得。不同基準(zhǔn)的力率電費(fèi)調(diào)整系數(shù)表見(jiàn)表1和表2。

表1 以0.90為標(biāo)準(zhǔn)值得力率電費(fèi)調(diào)整表

 

表2 以0.85為標(biāo)準(zhǔn)值得力率電費(fèi)調(diào)整表

 

   

 

   

 

 

    國(guó)家對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值也做出了規(guī)定,凡需變壓器容量100kVA及以上10kV供電的用戶應(yīng)進(jìn)行功率因數(shù)考核,具體標(biāo)準(zhǔn)如下:

    ♦ 100kVA以上160kVA(不含160kVA)以下的用戶,功率因數(shù)需達(dá)到0.85;

    ♦ 160kVA以上的用戶功率因數(shù)應(yīng)達(dá)到0.90以上。

    ♦ 用戶的功率因數(shù)大于標(biāo)準(zhǔn)的減少其當(dāng)月電費(fèi),低于標(biāo)準(zhǔn)的增加其當(dāng)月電費(fèi)。

    舉個(gè)例子:某變壓器用戶的變壓器容量為160kVA,采用低壓計(jì)量,某月改用戶消耗有功電量為25000kWH,無(wú)功電量為27000kWH,假設(shè)電費(fèi)為0.68元/度。通過(guò)調(diào)研資料,該變壓器的有功變損為1036kWH,無(wú)功變損為3790kWH,所以該用戶共消耗有功電量26036kWH,消耗無(wú)功電量為30790kWH,通過(guò)功率三角形或查表可知該用戶的功率因數(shù)為0.65。通過(guò)查表可知該用戶力率電費(fèi)調(diào)整系數(shù)為+15%,共需收取實(shí)際消耗電費(fèi)25000×0.68為17000元,需加收的力率電費(fèi)為25000×0.68×0.15為2550元,總計(jì)為19550元。

現(xiàn)通過(guò)無(wú)功功率補(bǔ)償為該用戶將功率因數(shù)從0.65提高到0.95,通過(guò)查表可知該用戶力率電費(fèi)調(diào)整系數(shù)為-0.75%,共需收取實(shí)際消耗電費(fèi)25000×0.68為17000元,需加收的力率電費(fèi)為25000×0.68×(-0.0075)為-127.5元,總計(jì)為16872.5元。

從例子中我們可以看出,通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償能為企業(yè)產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)效益,一般10個(gè)月到一年即可收回裝備成本,為企業(yè)創(chuàng)造收入。

 

6 無(wú)功補(bǔ)償?shù)倪x型

6.1容量選型

    6.1容量選型

    6.1.1新建項(xiàng)目

    新建項(xiàng)目由于現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)無(wú)法確定,為了方便進(jìn)行快速選型,首先將行業(yè)進(jìn)行分類(lèi),各行業(yè)所屬類(lèi)別如下表(,是指無(wú)功補(bǔ)償容量,是指變壓器容量,是指無(wú)功補(bǔ)償行業(yè)系數(shù)):

行業(yè)、場(chǎng)合

所屬類(lèi)別

行業(yè)、場(chǎng)合

所屬類(lèi)別

行業(yè)、場(chǎng)合

所屬類(lèi)別

LED屏

煤礦

醫(yī)院辦公類(lèi)

辦公樓

汽車(chē)充電站

銀行證券

玻璃廠

汽車(chē)制造

印刷

大型超市

商業(yè)廣場(chǎng)

影院

電鍍廠

石油化工

娛樂(lè)場(chǎng)所

電視演播室

食品加工

造紙

電子加工

塑料加工

展覽中心

發(fā)電廠

隧道類(lèi)照明

住宅樓

紡織

體育館

風(fēng)電廠

圖書(shū)館

雷達(dá)基站

鋼鐵

污水處理

冶金

港口

舞臺(tái)廣場(chǎng)

醫(yī)技樓

軌道交通

寫(xiě)字樓

煙草

焊接

學(xué)校

機(jī)械加工

交通類(lèi)照明

藥業(yè)

 

 

   Ⅰ:系數(shù)約為0.3,適用于寫(xiě)字樓、住宅等諧波、無(wú)功需求相對(duì)較小的場(chǎng)合;

    Ⅱ:系數(shù)約為0.4,適用于商業(yè)、軌道交通等諧波、無(wú)功需求相對(duì)中等的場(chǎng)合;

    Ⅲ:系數(shù)約為0.55,適用于重工業(yè)、制造業(yè)等諧波、無(wú)功需求相對(duì)較大的場(chǎng)合;

6.1.2改造項(xiàng)目

    改造項(xiàng)目一般都需要去現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地測(cè)量,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況,配置相應(yīng)的無(wú)功補(bǔ)償方案,需測(cè)量的要點(diǎn)包括:有功功率、無(wú)功功率、視在功率、實(shí)際功率因數(shù)、目標(biāo)功率因數(shù)、負(fù)載狀況、電網(wǎng)背景等。其無(wú)功補(bǔ)償裝置的容量可通過(guò)實(shí)際測(cè)量后計(jì)算獲得,以上面那個(gè)例子來(lái)說(shuō),假設(shè)補(bǔ)償前用戶變壓器為滿載狀態(tài),該用戶變壓器容量為160kVA,功率因數(shù)為0.65,目標(biāo)功率因數(shù)為0.95,計(jì)算如下:

    補(bǔ)償前視在功率為,功率因數(shù),補(bǔ)償前有功功率為,補(bǔ)償前無(wú)功功率為。

補(bǔ)償前與補(bǔ)償后有功功率不變?yōu)椋繕?biāo)功率因數(shù),補(bǔ)償后視在功率為,補(bǔ)償后無(wú)功功率為。

所以,需要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率為。

6.2型號(hào)說(shuō)明

6.3技術(shù)參數(shù)

電氣參數(shù)

額定電壓

AC400V

補(bǔ)償容量

60~630kvar

工作頻率

50Hz

響應(yīng)時(shí)間

≤20ms

過(guò)載能力

電壓過(guò)載1.1倍,電流過(guò)載1.3倍

目標(biāo)功率因數(shù)

0.8~1.0(可設(shè)定)

控制特性

補(bǔ)償方式

共補(bǔ)、分補(bǔ)及混合補(bǔ)可選

控制路數(shù)

2至16回路

控制方式

具有手動(dòng)、自動(dòng)兩種投切模式

投切算法

循環(huán)投切

保護(hù)功能

過(guò)壓、欠壓、缺相、短路保護(hù)功能

結(jié)構(gòu)特征

防護(hù)等級(jí)

IP30

顏色

RAL7035(可按客戶要求定制)

安裝方式

室內(nèi)安裝,固定方式與進(jìn)線方式可選

環(huán)境條件

環(huán)境溫度

-25℃ 至+50℃

相對(duì)濕度

40℃ 時(shí),≤50%,20℃ 時(shí),≤90%

海拔

海拔2000米以下

 

7 無(wú)功補(bǔ)償模塊式方案

    現(xiàn)在,市面上的低壓無(wú)功功率補(bǔ)償裝置基本上都采取整柜的方式,基本上都屬于“一錘子買(mǎi)賣(mài)”雖然能夠滿足用戶現(xiàn)場(chǎng)的補(bǔ)償要求,但在補(bǔ)償后的維護(hù)、容量拓展等方面十分的不便,在用戶需要進(jìn)行改造時(shí)需要更換整柜,十分困難。圖3為一種無(wú)功補(bǔ)償模塊,將一套無(wú)功補(bǔ)償回路,包含:電容、電抗、晶閘管投切開(kāi)關(guān)、熔斷器、二次回路整合在一個(gè)模塊中,在實(shí)際使用中,模塊與模塊之間相互獨(dú)立,互不干擾,在維護(hù)使用中可以按模塊進(jìn)行容量增減與維護(hù)。                                                                                                                                                                                                                                                              圖3無(wú)功補(bǔ)償模塊

 

 

8 ANSVC在江蘇紅柳床單有限公司項(xiàng)目的應(yīng)用案例

8.1項(xiàng)目簡(jiǎn)介

    工程地址:江蘇紅柳床單有限公司項(xiàng)目地址位于美麗富饒的江蘇省無(wú)錫市江陰市,北枕長(zhǎng)江,南近太湖,東接常熟、張家港,西連常州,地處蘇錫常“金三角”幾何中心,交通樞紐便利。平均海拔6米左右,全年溫度條件較好,四季分明。江蘇紅柳床單有限公司占地面積15萬(wàn)平方米,建筑面積12萬(wàn)平方米,該項(xiàng)目共采購(gòu)了我司2臺(tái)無(wú)功補(bǔ)償柜和1臺(tái)有源濾波柜。針對(duì)無(wú)功補(bǔ)償,測(cè)量了1#變壓器出線側(cè),測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖4,目標(biāo)功率因數(shù)0.98,現(xiàn)場(chǎng)配電系統(tǒng)諧波源主要是變頻器和開(kāi)關(guān)電源,諧波頻次為3次、5次、7次、11次是典型的6n±1次特性諧波,通過(guò)ANAPF有源濾波器進(jìn)行治理,保護(hù)電容器。測(cè)量示意如圖5:(黑圈為測(cè)量點(diǎn))。

 

圖4 無(wú)功補(bǔ)償現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果

 

圖5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量示意圖

8.2 無(wú)功補(bǔ)償容量計(jì)算

    補(bǔ)償前視在功率為,功率因數(shù),補(bǔ)償前有功功率為,補(bǔ)償前無(wú)功功率為。

    補(bǔ)償前與補(bǔ)償后有功功率不變?yōu)?,目?biāo)功率因數(shù),補(bǔ)償后視在功率為,補(bǔ)償后無(wú)功功率為。

    所以,需要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率為。

    由于考慮到實(shí)際補(bǔ)償容量與標(biāo)稱(chēng)補(bǔ)償容量的區(qū)別,考慮到現(xiàn)場(chǎng)只能安放深度為800mm的柜子,所以選擇配置一臺(tái)350kvar主柜和一臺(tái)350kvar輔柜,共700kvar。

8.3 現(xiàn)場(chǎng)使用情況

 

 

圖5 現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

 

 

 圖6 現(xiàn)場(chǎng)竣工圖

 

9 結(jié)束語(yǔ)

    本文從低壓無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的基本知識(shí)、選型參數(shù)、經(jīng)濟(jì)效益、實(shí)例設(shè)計(jì)等方面對(duì)低壓無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)與選型進(jìn)行了闡述。提出了模塊式低壓無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的新思路。合理地配置低壓無(wú)功功率補(bǔ)償裝置不僅能為降低線損、提高設(shè)備壽命與運(yùn)行效率,更能夠?yàn)槠髽I(yè)減少力率罰款,獲得電費(fèi)獎(jiǎng)勵(lì),直觀的創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。

 

【參考文獻(xiàn)】

    • GB15576-2008-T    低壓成套無(wú)功功率補(bǔ)償裝置
    • 安科瑞電氣股份有限公司產(chǎn)品手冊(cè).2013.01.版
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