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淺談對無功補償和諧波治理分析
1配電網無功優化補償的基本原理
由于電網的線損主要是線路損耗與變壓器損耗,所以配電網的降損節能,也就是對電網中所有的電力線路和變壓器進行優化。無功優化的目的是通過調整無功潮流的分布降低網絡的有功功率損耗,并保持最好的電壓水平。無功優化補償一般有變電所無功負荷的最優補償、配電線路最優補償以及配電變壓器低壓側最優補償。在功率三角形中,有功功率P與視在功率S的比值,稱為功率因數cosΦ,其公式為:
cosΦ=P/S
在電力網的運行中,功率因數反映了電源輸出的視在功率被有效利用的程度,我們希望的是功率因數越大越好。這樣電路中的無功功率可以降到最小,視在功率將大部分用來供給有功功率,從而提高電能輸送的功率。
當線路所需無功功率不滿足功率因數要求時,可采用有載配電變壓器自動調壓和合理的無功自動補償,能保證配電網供電電壓質量,改善功率因數,達到無功就地平衡的目的,提高電力系統的供電能力,使配電網系統在經濟合理、穩定安全的狀態下運行。
2 影響功率因數的主要因素及無功補償的一般方法
2.1 影響功率因數的主要因素許多用電設備均是根據電磁感應原理工作的,如配電變壓器、電動機等,它們都是依靠建立交變磁場才能進行能量的轉換和傳遞。為建立交變磁場和感應磁通而需要的電功率稱為無功功率,因此,所謂的“無功”并不是“無用”的電功率,只不過它的功率并不轉化為機械能、熱能而已;因此在供用電系統中除了需要有功電源外,還需要無功電源,兩者缺一不可。功率因數的產生主要是因為交流用電設備在其工作過程中,除消耗有功功率外,還需要無功功率。當有功功率P一定時,如減少無功功率Q,則功率因數便能夠提高。在極端情況下,當Q=0時,則其功率因數=1。因此提高功率因數問題的實質就是減少用電設備的無功功率需要量。
2.2 無功補償的一般方法
無功補償通常采用的方法主要有3種:低壓個別補償、低壓集中補償、高壓集中補償。下面簡單介紹這3種補償方式的適用范圍及使用該種補償方式的優缺點。
2.2.1 低壓個別補償
低壓個別補償就是根據個別用電設備對無功的需要量將單臺或多臺低壓電容器組分散地與用電設備并接,它與用電設備共用一套斷路器。通過控制、保護裝置與電機同時投切。隨機補償適用于補償個別大容量且連續運行(如大中型異步電動機)的無功消耗,以補勵磁無功為主。低壓個別補償的優點是:用電設備運行時,無功補償投入,用電設備停運時,補償設備也退出,因此不會造成無功倒送。具有投資少、占位小、安裝容易、配置方便靈活、維護簡單、事故率低等優點。
低壓集中補償
低壓集中補償是指將低壓電容器通過低壓開關接在配電變壓器低壓母線側,以無功補償投切裝置作為控制保護裝置,根據低壓母線上的無功負荷而直接控制電容器的投切。電容器的投切是整組進行,做不到平滑的調節。低壓補償的優點:接線簡單、運行維護工作量小,使無功就地平衡,從而提高配變利用率,降低網損,具有較高的經濟性,是目前無功補償中常用的手段之一。
2.2.3 高壓集中補償高壓集中補償是指將并聯電容器組直接裝在變電所的6～10kV高壓母線上的補償方式。適用于用戶遠離變電所或在供電線路的末端,用戶本身又有一定的高壓負荷時,可以減少對電力系統無功的消耗并可以起到一定的補償作用;補償裝置根據負荷的大小自動投切,從而合理地提高了用戶的功率因數,避免功率因數降低導致電費的增加。同時便于運行維護,補償效益高。
3 電網的諧波治理
3.1 配網中的諧波源
嚴格意義上講,電力的每個環節,包括發電、輸電、配電、用電都可能產生諧波,其中產生諧波最多位于用電環節上。
發電機是由三相繞組組成的,理論上講,發電機三相繞組必須完全對稱,發電機內的鐵心也必須完全均勻一致,才不致造成諧波的產生,但受工藝、環境以及制作技術等方面的限制,發電機總會產生少量的諧波。
輸電和配電系統中存在大量的電力變壓器。因變壓器內鐵心飽和,磁化曲線的非線特性以及額定工作磁密位于磁化曲線近飽和段上等諸多因素,致使磁化電流呈尖頂形,內含大量奇次諧波。變壓器鐵心飽和度越高,其工作點偏離線性就越遠,產生的諧波電流就越大,嚴重時三次諧波電流可達額定電流的5%。用電環節諧波源更多,晶閘管式整流設備、變頻裝置、充氣電光源以及家用電器,都能產生一定量的諧波。
3.2 諧波在配網中的危害
諧波對于配電系統的,表現在對線路上所配置的保護及測量設備的影響。因這些設備一般采用電磁式繼電器、感應繼電器元件,容易接受諧波干擾而誤動和拒動,系統中存在的不明原因的誤動和拒動,與諧波不無關系。所以諧波超標,會嚴重威脅配電系統的安全穩定運行。諧波會大大增加電力變壓器的銅損和鐵損,降低變壓器有效出力,諧波導致的噪聲,會使變電所的噪聲污染指數超標,影響工作人員的身心健康。對于電力電容器,諧波會導致端電壓升高,損耗加大,電容器發熱,加速老化,從而縮短使用壽命。
配網中使用大量異步電動機,產生的諧波會增加附加損耗。負序諧波產生的負序旋轉磁場,會產生制動力矩,影響電動機的有功出力。對斷路器而言,無論其構成元件為電磁的、還是熱磁的、亦或的,都可能受諧波的影響誤動。電能表是評價電能消耗重要而基本的測量工具,是用戶繳費的憑證,而諧波可能使電能計量產生較大誤差,嚴重時會導致計量混亂。同樣,諧波也是引起錄波裝置誤啟動,保護誤動和拒動的重要因素。此外,諧波會通過靜電感應、電磁感應以及傳導等多種方式耦合進通訊系統,影響它們的正常運行。對于人體,諧波會刺激人體細胞,使正常的細胞膜電位發生快速波動或可逆的翻轉,當這種波動或翻轉頻率接近諧波頻率時,會影響人體大腦與心臟。
3.3 配電網諧波治理的對策
既然諧波存在多方面的危害,采取必要的有效手段,避免或補償已產生的諧波,就顯得尤為重要。可歸納以下治理措施:加強標準和相應規范的宣傳貫徹。IEC6100以及國標GB/T14549-1993,對于諧波定義、測量等進行了宣傳,明確諧波治理是一項互惠互利、節能增效,是保證電網和設備安全穩定運行的舉措;主管部門對所轄電網進行系統,正確測量,以確定諧波源位置和產生的原因,為諧波治理準備充分的原始材料;在諧波產生起伏較大的地方,可設置長期觀察點,收集可靠的數據。對電力用戶而言,可以監督供電部門提供的電力是否滿足要求;對于供電部門而言,可以評估電力用戶的用電設備是否產生了超標的諧波污染。針對諧波的產生和傳播的特點,采取相應的隔離、補償和減小措施。在配電網中,主要存在的是三次諧波污染,可以在諧波檢測的基礎上,通過適當加裝濾波設備來減小諧波注入電網。對于各種電氣設備的設計者,在設計初始,就要考慮其設備的諧波污染度,將諧波限制在標準允許的范圍內。加強管理,多方出資,共同治理。諧波的治理,需要大量的投資,不能僅僅靠供電部門,要調動電力供需環節中的各個方面,在分清諧波來源基礎上,走共同治理之路。
4 結論
本文對無功補償和諧波治理問題進行的探討和研究,有力的說明無功補償以及提高功率因數對廣大供電系統穩定和效益的重要性,并介紹了影響功率因數的主要因素和提高功率因數的幾種辦法,同時對諧波的有效治理能延長用戶設備使用壽命,提高產品質量,降低電磁污染環境,減少能耗,提高電能利用率。這對供電企業是十分有益的。
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