無功補償設(shè)計

1、電力系統(tǒng)自動化課程設(shè)計報 告 書題 目 名 稱： 無功補償設(shè)計 學(xué) 院： 機電工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 2013級2班 學(xué) 號：姓 名： 指 導(dǎo) 教 師： 2016年12月課程設(shè)計報告書設(shè)計目的文將對供配電系統(tǒng)中無功功率產(chǎn)生機理及其對電力系統(tǒng)產(chǎn)生的影響及造成的危害進行分析，同時，分析、研究無功補償裝置的原理，通過電容器的無功補償，得到一套較為完善的補償方案，并用本方案對某一需要無功補償?shù)呐潆娋W(wǎng)進行無功補償。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償,不僅能保證電壓質(zhì)量,而且能提高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性

2、。電網(wǎng)無功補償設(shè)備有調(diào)相機、并聯(lián)電容器、串聯(lián)電容器、靜止補償器、交流濾波器等。其中并聯(lián)電容補償裝置因具有投資少、損耗低、噪音小及施工運行維護簡單等優(yōu)點,而被電網(wǎng)大量而普遍的使用。并聯(lián)電容補償裝置設(shè)計是一個綜合性的技術(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、自動投切裝置、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設(shè)計內(nèi)容一、無功補償?shù)囊饬x無功補償技術(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償原理簡單、安裝方便、投資小，有功損耗小，

3、運行維護簡便、安全可靠等優(yōu)點。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，通過采用補償電容器進行合理的補償，是能夠提高供電質(zhì)量并取得明顯的經(jīng)濟效益的。二、無功補償裝置2.1無功補償裝置的類型無功補償裝置按照出現(xiàn)的時間順序可以分為傳統(tǒng)的補償裝置和現(xiàn)代的補償裝置。傳統(tǒng)補償裝置有由簡單的電容器和電抗器構(gòu)成的補償裝置和同步調(diào)相機；現(xiàn)在的補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。 變電站中傳統(tǒng)的無功補償裝置主要是調(diào)相機和靜電電容器。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，交流無觸點開關(guān)SCR、GTR、GTO等相繼出現(xiàn)，將其作為投切開關(guān)無功補償都

4、可以在一個周波內(nèi)完成，而且可以進行單相調(diào)節(jié)。如今所指的靜止無功補償裝置一般專指使用晶閘管投切的無功補償設(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)的靜止無功補償裝置高級靜止無功發(fā)生器2.2無功補償裝置的作用：無功功率比較抽象，它是用于電路內(nèi)電場與磁場的交換，并用來在電氣設(shè)備中建立和維持磁場的電功率。它不對外作功，而是轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?。凡是有電磁線圈的電氣設(shè)備，要建立磁場，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。電動機的轉(zhuǎn)子磁場就是靠從電源取得無用功率建立的。變壓器也

5、同樣需要無功功率，才能使變壓器的一次線圈產(chǎn)生磁場，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)重時會造成電壓崩潰，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)的安全運行及用戶的正常用電。無功補償設(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)的選取對于無功功率補償裝置來說，選擇何種電容器投切執(zhí)行機構(gòu)，對整套裝置的安全運行是至關(guān)重要的。目前用于電容器投切的執(zhí)行元件主要有：(1)電容器專用接觸器，此類產(chǎn)

6、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，運行費用低且價格低廉。但會產(chǎn)生投切涌流和關(guān)斷時的過電壓，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態(tài)補償功能，該裝置特別適用于電容器需要頻繁投切的無功補償場合。但晶閘管也存在損耗大、散熱差等不足，影響了無功補償裝置的可靠性，且成本相對過高。(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，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

7、有可控硅開關(guān)過零投切的優(yōu)點，又有接觸器無功耗的優(yōu)點。投電容器時，保證電壓過零合閘；切電容時，保證電流為零關(guān)斷，在保證快速投切情況下，避免了涌流、諧波注入及觸點燒損現(xiàn)象。而在正常工作時，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，不會帶來高溫升、高能耗問題。復(fù)合開關(guān)適宜頻繁操作，整機使用壽命長，價格也相對適中。要保證投切開關(guān)長期、可靠的運行，選用時必須注意以下幾點：(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、電容器無功補償方式電容器補償裝置可以串聯(lián)補償也可并聯(lián)補償，一般用于補償配電網(wǎng)中感

8、性負(fù)荷。在電力系統(tǒng)中，負(fù)載類型是多樣化的，但其中以異步電動機類型的負(fù)載為最多。異步電動機類型的負(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)可用式公式計算。cos=RR2+XL2=RR2+(L)2此時，電壓U與電流I之間的相位差由補償前的1變小到2，即系統(tǒng)的功率因數(shù)提高，如果補償后的功率因數(shù)2cos達(dá)到要求，則達(dá)到了無功補償?shù)哪康摹?.1串聯(lián)無功補償串聯(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)壓的一個顯著優(yōu)點。但對負(fù)荷功率因數(shù)高(cosf>0.95)或者導(dǎo)線截面小的線路，由于PR/V分量的比重較大，串聯(lián)補償?shù)恼{(diào)

9、壓效果就很小。此外，串聯(lián)補償可能會產(chǎn)生鐵磁諧振和自勵磁等許多異常現(xiàn)象。串聯(lián)電容器與導(dǎo)線相串聯(lián)以補償線路的感性電抗。這將減小線路所連節(jié)點間的轉(zhuǎn)移電抗，增大最大傳輸功率，減小實際的無功功率損耗。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黾?，在這個方面，串聯(lián)電容器能自我調(diào)節(jié)。串聯(lián)電容器主要用于補償線路的部分串聯(lián)感抗，從而降低輸送功率時的無功功率損耗，也是得到較早應(yīng)用的一種無功功率補償裝置。它是國內(nèi)外電力系統(tǒng)在遠(yuǎn)距離輸電時比較普遍采用的提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和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)

10、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。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)cos2。由此可知，只要串聯(lián)恰當(dāng)?shù)碾娙萜鳎涂梢詼p小功率因數(shù)角2即提高功率因數(shù)cos2。4.2并聯(lián)電容器的補償方式并聯(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償?shù)脑O(shè)備，它以其低廉的價格、方便的使用而受到廣泛使用。其補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，并聯(lián)電容器組無功功率補償方式一般可以分為集中補償方式、分散補償方式和單機就地補償方式三種。 (1)集中補償方式：將電容器組直接安裝在變電所的610KV母線上，用

11、60;來提高整個變電所的功率因數(shù)，使該變電所的供電范圍內(nèi)無功功率基本平衡?？梢詼p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，也稱為分散補償。這種方式具有與集中補償相同的優(yōu)點，僅無功補償容量和范圍相對小些。但是分組補償效果比較明顯，采用的較為普遍。 (3)就地補償方式：將電容器或電容器組裝設(shè)在異步電動機或者電感性用電設(shè)備附近，就地進行無功補償，也稱為單獨補償或個別補償方式。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，對中小型設(shè)備十分適用。4.3并聯(lián)電容器的接線

12、方式 電容器接線方式不同，相應(yīng)的補償方式也不同。在無功補償中，線路的補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(-Y)，相應(yīng)的補償方式也就分為三相共補、三相分補、三相共補與三相分補相結(jié)合的方式。 三角形接線對應(yīng)于三相共補的方式。如圖2.3所示。傳統(tǒng)的低壓補償大都是采用三相共補的方式，根據(jù)控制器統(tǒng)一采樣，各相投入相同的補償容量。這種補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)。星形接線對應(yīng)于三相分補方式。三相分補方式就是各相分別取樣，按照需要分別投入不同的補償容量。此種方法適用于各相負(fù)載相差較大，其功率因數(shù)值

13、也有較大差別的場合。與三相共補不同的是：控制器分相進行工作,互不影響。當(dāng)然,其價格高于三相共補的裝置,一般要貴20%30%。 三角形和星形相結(jié)合接線對應(yīng)于三相共補與三相分補相結(jié)合的方式。三相共補部分的電容器為接線，三相分補部分的電容器為Y接線。采用此種接線方式的補償裝置，運行方式機動靈活。4.4并聯(lián)無功補償并聯(lián)無功補償與串聯(lián)無功補償?shù)淖饔弥欢荚谟跍p少電壓損耗中的QcX/V分量。并聯(lián)補償能減少Q(mào)，采用并聯(lián)補償能從網(wǎng)損節(jié)約中得到抵償，而在降低網(wǎng)損及提高用戶功率因數(shù)方面，并聯(lián)補償要比串聯(lián)補償優(yōu)越的多。4.5并聯(lián)電容器裝置的投切方式對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

14、方式。對于系統(tǒng)內(nèi)樞紐點大容量電容器組的投切,應(yīng)綜合考慮無功功率、電壓、時間及有載調(diào)壓變壓器等因素。10 kV及以下的電容器組的自動投切技術(shù)比較成熟和簡單,設(shè)備選擇也較容量,固定宜選用自動投切方式。 35 kV及以上電容器組的自動投切的技術(shù)相對較復(fù)雜和不成熟,其頻繁操作對高壓開關(guān)的機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)載為2臺7200KVA中頻爐變和一臺1800KVA加熱爐變，中頻爐運行產(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

15、容量為20000KVA，變比為35KV/10KV，主要負(fù)載為10KV母線側(cè)2臺8000KVA中頻爐變和總功率為4200KW直流軋機，濾波裝置接入10KV母線。2.投資效果分析(1)總投資：本項目分2段實施，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償裝置總投資五十多萬元。(2)諧波治理及無功補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%，各次諧波均在國標(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

16、損后的節(jié)電設(shè)公司1#主變最大負(fù)荷全年耗電時間為3000小時(),線路電能損耗于傳輸電能比為0.03以表示.則,補償后的全年節(jié)電量:WL=SL*cos1*1-cos1/cos22    =0.8×16000×0.827×0.03×3000×1-(0.827/0.99)    288000(kw·h)注:0.8為主變負(fù)荷率（2）補償后變壓器全年節(jié)電量:   WT=Pd*(S1/S2)2*1-(cos1/cos2)2=240×(0.8×160

17、00)/160002×3000×0.30218140000(kw·h)式中Pd為變壓器短路損耗,為240KW（3）補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=24.8萬元式中：電費按0.58元/度，負(fù)荷1年工作時間為3000小時（4）力率電費的節(jié)約:根據(jù)浙江地區(qū)的電費計價方式，用戶全年應(yīng)交納的功率因數(shù)調(diào)整電費約為：（以當(dāng)?shù)毓╇娋止β室驍?shù)考核點為0.9計算，補償前用戶系統(tǒng)的功率因數(shù)為0.827,則功率因數(shù)罰款力率為+3.5%。）力率罰款電費=有功電費*力率=有功功率*全年工

18、作小時*電費單價*力率由于投入的設(shè)備具有一定的節(jié)能效果，以及通過無功補償，提高了功率因數(shù)，全年節(jié)電效益明顯，僅節(jié)電一項，可使投資在6個月內(nèi)得以回收。投資效益顯著。=10500*3000*0.58*3.5%=64萬元因無功補償裝置投入后，系統(tǒng)功率因數(shù)達(dá)到了功率因數(shù)考核點0.99以上，故不會再產(chǎn)生功率因數(shù)罰款電費，反而還會有部分電費獎勵。力率獎勵電費=有功電費*力率=有功功率*全年工作小時*電費單價*力率=10500*3000*0.58*0.75%=13.7萬元（5）合計全年節(jié)約電費：24.8+64+13.7=102.5萬元4、投資回收期投資回收期約為：54/102.56個月設(shè)計小結(jié)及參考文獻過此

19、次課程設(shè)計，使我更加扎實的掌握了有關(guān)電力系統(tǒng)方面的知識，在設(shè)計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欠缺和經(jīng)驗不足。設(shè)計主要涉及了電力系統(tǒng)的無功功率平衡問題，讓我對電力系統(tǒng)無功平衡有了更加深入的學(xué)習(xí)和了解，掌握了各種無功補償措施以及補償裝置的特點和使用場合。通過采用合適的無功補償措施，對電力系統(tǒng)進行分地區(qū)、分電壓等級地進行無功平衡，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)的運行效率。 此次設(shè)計也讓我明白了思路，有什么不懂不明白的地方要及時請教或上網(wǎng)查詢，只要認(rèn)真鉆研，動腦思考，動手實