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无功补偿及电网测试


无功补偿及电网测试
攀钢信息工程技术有限公司
自动化分公司设计调试部

问题

什么是无功功率,它是怎样产生的? 什么是无功功率,它是怎样产生的? 无功功率为什么要进行补偿?怎么补偿? 无功功率为什么要进行补偿?怎么补偿? 目前无功补偿方面有哪些主要的技术和产品? 目前无功补偿方面有哪些主要的技术和产品? 怎么进行无功

补偿装置的设计和选型? 怎么进行无功补偿装置的设计和选型? 电网测试的目的是什么? 电网测试的目的是什么?其内容包括哪些方面 我公司目前进行电网测试的手段主要有哪些? ?我公司目前进行电网测试的手段主要有哪些?

第一部分 无功补偿技术

1. 交流电路的无功功率


u(t )

i(t )

任意一两端无源网络如图所示. 任意一两端无源网络如图所示.设电压和电流分别为
i (t ) = I m sin(ωt ) = 2 I sin(ωt ) u (t ) = U m sin(ωt ) = 2U sin(ωt )

则瞬时功率
p(t ) = u (t )i (t ) = U m I m sin(ωt ) sin(ωt ) = U m I m sin(ωt ) sin(ωt ) cos U m I m sin(ωt ) cos(ωt ) sin = pr (t ) + px (t )

pr在一周期内的平均值为 px在一周期内的平均值为0. 在一周期内的平均值为0 Pr即为电路消耗的有功功率,用P表示; px这一部分电流不消耗有功功率, 即为电路消耗的有功功率, 表示; 这一部分电流不消耗有功功率, 表示 但它要占用电源的视在功率,即电源的发电能力, 但它要占用电源的视在功率,即电源的发电能力,其幅值为 UI sin ,该值定 义为电路的无功功率Q 对于感性负载而言, 义为电路的无功功率Q.对于感性负载而言,这一部分电流是在电源与负载 中的电感之间交换,用于建立磁场,储存于电感中;而对于容性负载, 中的电感之间交换,用于建立磁场,储存于电感中;而对于容性负载,它 在电源与电容之间交换,用于建立电场,储存于电容中. 在电源与电容之间交换,用于建立电场,储存于电容中.
r 0

P=

1 T

T

∫p

(t )dt =

UmIm cos = UI cos 2



2. 无功功率的计算 有功功率是一个平均值,无功功率是一个交换功率的幅值. 有功功率是一个平均值,无功功率是一个交换功率的幅值. 在电路中将u 的有效值之积定义为视在功率S 在电路中将u(t)与I(t)的有效值之积定义为视在功率S, S=UI=P2+Q2 P=ScosФ Q=SsinФ 功率因数PF= 功率因数PF= cosФ=P/S

感性无功符号为正,或者说感性负荷吸收无功功率. 感性无功符号为正,或者说感性负荷吸收无功功率. 容性无功符号为负,或者说容性负荷供给无功功率. 容性无功符号为负,或者说容性负荷供给无功功率.
功率三角形: 功率三角形:

3. 无功功率对电网的影响

无功功率在电力网元件之间流动, 无功功率在电力网元件之间流动,将会在电 力网元件中引起电压损耗和功率损耗, 力网元件中引起电压损耗和功率损耗,降低电 网的电压质量,增加电网的线损率. 网的电压质量,增加电网的线损率.

3.1 无功负荷对电压损耗的影响

R:电源电阻,X:电源电抗 P:负荷有功功率,Q:负荷无功功率 电压损耗定义为U = U e U U ≈ PR + QX Ue QX Ue

负荷无功功率引起的电压损耗U x =

PR 负荷有功功率引起的电压损耗U R = Ue 通常R << X,所以U ≈ U x = QX Ue

3.2 无功负荷对电力网线损的影响

P2 + Q2 线损功率P ≈ R 2 Ue P2 负荷的有功功率引起的线损功率PP = 2 R Ue Q2 负荷的无功功率引起的线损功率PQ = 2 R Ue

4. 无功补偿

无功功率不能远距离输送 无功功率不能远距离输送
有功功率损耗 电压损耗

Q2 PQ = 2 R Ue U = QX Ue

因此:需要就地设置除发电机外的其它无功电 因此:需要就地设置除发电机外的其它无功电 以满足系统电压要求, 源以满足系统电压要求,称:无功补偿

5. 无功补偿的原理

QC S S' φ P φ' Q' Q

补偿前: , , φ 补偿前:Q,S,cosφ 补偿容量: 补偿容量:Qc 补偿后: 补偿后:Q' ,S',cosφ' , φ

6. 无功补偿的必要性

工矿企业大量应用三项异步电动机, 工矿企业大量应用三项异步电动机,由于该种 电机的特性,其额定功率因数不超过0.89 0.89, 电机的特性,其额定功率因数不超过0.89,且 随着负载的降低, 随着负载的降低,电动机的功率因数也随之下 一般工矿企业的功率因数为0.65 0.65——0.84. 0.84. 降.一般工矿企业的功率因数为0.65 0.84 这样就有大量的无功功率(无功电流) 这样就有大量的无功功率(无功电流)在企业 内部电网中流动,造成的有功损耗是非常大的, 内部电网中流动,造成的有功损耗是非常大的, 也增加了电网,变压器的负荷. 也增加了电网,变压器的负荷.所以应采取措 改善企业中异步电动机的功率因数, 施,改善企业中异步电动机的功率因数,节约 电能.补偿低压无功负荷, 电能.补偿低压无功负荷,不但可以减轻上一 级电网的补偿压力, 级电网的补偿压力,而且可以提高配电变压器 的利用率,改善用户功率因数和电压质量, 的利用率,改善用户功率因数和电压质量,降 低线损. 低线损.

7. 无功补偿的意义

1)提高发供电设备效率 ) 无功补偿后, 无功补偿后,可使补偿点以前的输配电线路和变压器中通过的 无功电流减少,从而使线路和变压器的供电能力增加. 无功电流减少,从而使线路和变压器的供电能力增加. 2)降低有功损耗 )
cos 由表列值提高到 0.95 时
线损率减少百分数% 0.6 60 0.65 53 0.7 46 0.75 38 0.8 29 0.85 20 0.9 10

3)提高供电电压质量 4)减少用电贴费

8. 无功补偿技术分类

无功补偿技术包括同步调相机,静电电容器 (滤波器),机械触点开关投切电容器,静止 无功补偿装置,有源滤波器等.

8.1 同步调相机

同步调相机就是空载运行的同步电动机, 同步调相机就是空载运行的同步电动机,通过 改变励磁电流的大小, 改变励磁电流的大小,可以控制它从电网中吸 收无功功率或是输出无功功率.它可以连续, 收无功功率或是输出无功功率.它可以连续, 快速地调整无功出力, 快速地调整无功出力,对于保持与维护电力系 统无功静态稳定的作用好.但是它价格较贵, 统无功静态稳定的作用好.但是它价格较贵, 有功损耗大,噪音大,运行与维护费用高, 有功损耗大,噪音大,运行与维护费用高,而 且它没有能力去稳定冲击性无功功率的变动, 且它没有能力去稳定冲击性无功功率的变动, 更没有能力消除高次谐波电流. 更没有能力消除高次谐波电流.

8.2 静电电容器

8.3机械触点开关投切电容器 8.3机械触点开关投切电容器

电容器组投入瞬间有冲击电流, 电容器组投入瞬间有冲击电流,会产生暂态过 电压和过电流现象,投切时有火花, 电压和过电流现象,投切时有火花,而且当系 统中有谐波存在时容易造成过谐振, 统中有谐波存在时容易造成过谐振,对电容器 的运行寿命很不利, 的运行寿命很不利,不能频繁投切 .

8.4 静止无功补偿器(SVC) 静止无功补偿器(SVC)

是指凡是能够以无机械传动部件而达到提供无功出力 的装置, 的装置,它是由电容器和晶闸管等部件组合而成的

8.5 有源滤波器

向系统中注入与谐波源产生的谐波幅值相同单相位相 反的谐波电流或电压
使用可关断的电力电子元件 造价高

电压型有源滤波器
带直流储能电容器 采用电压源逆变器 (VSI).

电流型有源滤波器
直流侧采用电抗器 采用电流型逆变器 (CSI).

9. 静止无功补偿器分类

可控饱和电抗器式静补装置CSR 1) 可控饱和电抗器式静补装置CSR 自饱和电抗器式静补装置SSR 2) 自饱和电抗器式静补装置SSR 晶闸管控制电抗器式静补装置TCR 3) 晶闸管控制电抗器式静补装置TCR 晶闸管投切电容器式静补装置TSC 4) 晶闸管投切电容器式静补装置TSC 5) 晶闸管控制电抗器和投切电容器的混合式 静补装置 其中TCR TSC响应速度快 损耗小,控制灵活, TCR和 响应速度快, 其中TCR和TSC响应速度快,损耗小,控制灵活, 可靠性高,在全世界得到了广泛的应用. 可靠性高,在全世界得到了广泛的应用.

10. SVC技术所包含的类型 SVC技术所包含的类型

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

晶闸管控制SVC的结构型式 晶闸管控制SVC的结构型式 SVC (a)TCR (b)TSC (c)TSR (d)TCR/TSC (e)TCT

11. TCR装置的典型接线和特性 TCR装置的典型接线和特性

Bus Voltage U

Network Characteristic
谐振 电抗器

电容器

Capacitive
TCR

Inductive

Isvc

TCR装置典型应用线路 TCR装置典型应用线路

带电容器的TCR输出特性 带电容器的TCR输出特性 TCR

12. TSC装置的典型接线和特性 TSC装置的典型接线和特性
U

U
U Deadband
C4 C3 C2 C1 Network Characteristic

U ref

...

C1

C2

C3

. . . Cn

Isvc

TSC型静补装置基本电路图 TSC型静补装置基本电路图

TSC输出特性 TSC输出特性

主回路中串联电抗器的作用:
抑制浪涌电流 滤除系统中的部分谐波

XL 1 > 2 XC n

13. 补偿容量计算(1) 补偿容量计算(1

已知:
视在功率S(变压器容量) 目前功率因数PF

补偿后要达到的功率因数:
PF'

补偿容量QC:
2 1 PF 2 PF 1 PF' QC = S PF'

(

)


14. 补偿容量计算(2) 补偿容量计算(2

已知:
有功功率S(负荷功率) 目前功率因数PF

补偿后要达到的功率因数:
PF'

补偿容量QC:

1 1 QC = P -1 -1 2 PF 2 PF'

第二部分 电网测试

1. 电能质量

电能质量: 电能质量:公用电网供应到用户受电端的电能品质的优劣 程度.通常用电压质量和频率质量来衡量. 程度.通常用电压质量和频率质量来衡量. 电压质量 来衡量 衡量指标: 衡量指标: 供电频率允许偏差 频率允许 供电频率允许偏差 供电电压允许偏差 电压允许 供电电压允许偏差 供电电压波动 电压波动和 供电电压波动和闪变 供电三相电压允许不平衡度 供电三相电压允许不平衡度 供电电压正弦波形畸变率 供电电压正弦波形畸变率

2. 电能质量问题的根源

非线性负荷 谐波源 闪变源 各种瞬变过程 不同的变流装置

3. 电能质量问题的分类(1) 电能质量问题的分类(1

电压质量问题:影响用户设备正常运行的不理想的系统电压
闪变 瞬时过电压,跌落 谐波,畸变 各相电压不平衡等

电流质量问题:电力电子设备等非线性负荷给电网带来的电 流畸变
流入电网的谐波电流 无功,不平衡负荷电流 低频负荷变化造成的闪烁等

4. 电能质量问题的分类(2) 电能质量问题的分类(2

稳态电能质量问题以波形畸变 稳态 波形畸变为特征,主要包括谐波, 间谐波,波形下陷以及噪声等; 动态电能质量问题通常以频谱和暂态持续时间 动态 频谱和暂态持续时间为特征, 分脉冲暂态和振荡暂态两大类.
主要体现为电压质量问题 电压跌落占其中很大的比例

几种动态电压质量问题的示意图波形

5. 电力系统中的电能质量问题

电力系统元件存在的电能质量问题 用电负荷存在的电能质量问题

5.1. 电力系统元件存在的电能质量问题

电力系统元件存在的电能质量问题
发电机产生的谐波 变压器励磁电流产生的谐波 直流输电产生的谐波 输电线路对谐波的放大作用 变电站并联电容器补偿装置对谐波的影响
大的谐波用户产生的谐波没有得到很好的治理(特别是 电气化铁道) 大量小用户和民用负荷产生的谐波不经治理直接注入系 统 系统变电站的补偿电容器串联电抗器参数的选择不合理

5.2. 用电负荷存在的电能质量问题——产生谐波的负荷 用电负荷存在的电能质量问题——产生谐波的负荷

产生谐波的负荷 各类采用直流或交流变流器传动的轧钢机,轧管机, 压延机负荷; 采用整流器供电的直流电弧炉负荷; 采用交流供电的交流电弧炉负荷; 整流供电的电解负荷; 电气化铁道机车负荷; 城市的地铁,电车; 各类交直流电源; 各类电焊机,缝焊机负荷; 计算机,电视机,日光灯,充电器等

5.3. 用电负荷存在的电能质量问题——引起无功冲击和电压波动的负荷 用电负荷存在的电能质量问题——引起无功冲击和电压波动的负荷

引起无功冲击和电压波动的负荷 各类采用直流或交流变流器传动的轧钢机,轧管机, 压延机负荷; 采用整流器供电的直流电弧炉负荷; 采用交流供电的交流电弧炉负荷; 各类电焊机,缝焊机负荷; 频繁启动的电动机负荷

5.4. 用电负荷存在的电能质量问题——产生电压闪变的负荷 用电负荷存在的电能质量问题——产生电压闪变的负荷

产生电压闪变的负荷 交流供电的交流电弧炉 直流供电的直流电弧炉 电焊机

6. 典型非线性负荷的电能质量特性

整流电源与直流传动

交流电弧炉负荷
无功冲击特性 谐波特性 电压闪变特性 负序特性 运行特性 电炉额定运行工况下一相断电流,只有两相电极有 电流; 一相电极处于正常运行,另两相电极发生短路. 实测表明,电弧炉运行过程中产生的负序电流可达 其额定电流的40%左右

直流电弧炉 无功冲击特性 谐波特性 电压闪变特性 负序特性 运行特性
三相负荷基本平衡,负序电流减少; 谐波分量减少; 随着整流器相数的增加,谐波的频谱向高次方向移 动; 产生的无功功率冲击略为同容量交流电弧炉的50% ; 直流电弧比交流电弧更加稳定,因此,直流电弧炉 引起的电压闪变较小

循环变流器(交交变频器)负荷 无功冲击特性 谐波特性 运行特性

7. 电网电能质量测试手段

测试方法: 以一定的采样频率记录一段时间电压,电流数据 软件分析 得出结论

8. 测试工具

电力录波仪: 型号:H8861 通道数:32 最大测试电压:DC500V 最大测试电流:AC500A 最高采样频率:100MHz 存储容量:由存储卡决定 功能:手动,自动录波,打印波形.

9. 分析软件

自行开发,针对H8861数据文件.
另存为 保存数据 显示波形 显示合成 波形 显示分析 结果 设置 分析 波形合成

功能: 数据转文本文件 波形合成 分段计算 互感器参数设置 分析计算:有功,无功,功率因数,电压,电流, 谐波,各电量的最大最小值,电压电流畸变率,一 段时间内的平均有功,无功

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