第1章无功补偿的意义和经济效益的分析

1无功补偿技术潘大伟2012《电网无功补偿实用技术》王向臣中国水利水电出版社Page2无功补偿的意义和经济效益的分析确定无功补偿容量的方法电力电容器的结构、接线和安装电力电容器的运行与维护补偿电容器在运行中的异常现象及预防措施动态补偿器在电网中的应用网路调压和谐波分析电力电容器微机保护无功补偿容量和安装位置的优化Page3第一章无功补偿的意义和经济效益的分析无功补偿的一般概念功率因数调整电费用户最佳功率因数值的确定和改善功率因数的效益分析无功补偿对电压损失率的影响和无功补偿经济当量Page4第一节无功补偿的一般概念一、电力网络的功率因数功率因数物理意义：供给线路的有功功率P占线路视在功率S的百分数。在电力网的运行中，我们所希望的是功率因数越大越好，如能做到这一点，则电路中的视在功率将大部分用来供给有功功率，以减少无功功率的传输。Page5二、功率因数cosφ与效率η的区别电动机和变压器的效率：输出有功功率与输入的有功功率的比值，用效率的概念来说明电动机或变压器的有功损耗。功率因数cosφ：用来说明在电网和设备之间往复振荡的电场或磁场能量有多少，功率因数越高，说明在电网和设备之间往复振荡的能量越少。三、设备的自然功率因数和经济功率因数自然功率因数：指供、用电设备在没有采取任何补偿手段的情况下，设备本身固有的功率因数，或者在没有投入无功补偿装置前，设备本身有功功率与视在功率的比值。设备自然功率因数的高低，取决于负荷性质和负荷状态。对于电阻性负荷，其功率因数较高，而对于电感性负荷，其自然功率因数就较低。另外，在设备负荷率很低时，其自然功率因数也会低。Page62．经济功率因数用户的节能效益和电能质量最佳，支付电费最少的用电功率因数，称为经济功率因数。整个系统合理的补偿容量应综合考虑两个方面：为了保证系统正常的运行电压水平，无功电源与无功负荷必须保持平稳并留有必要的备用容量；按运行费用最小的原则决定用户的经济功率因数。《供电营业规则》中规定，无功电力应就地平衡，用户应在提高用电自然功率因数的基础上，设计和装设无功补偿设备，并做到随其负荷和电压变动及时投入或切除，防止无功电力倒送。Page7功率因数要求值：高压供电的工业用户和高压供电带有负荷调压装置的电力用户，功率因数为0.90以上。其他100kVA（kW）及以上电力用户和大、中型电力排灌站，功率因数为0.85以上。趸售和农业用电，功率因数为0.80。经济功率因数值的确定原则：因减少了电网传输无功电力所引起的有功损失，而获得年度最大的节约。因进行无功补偿，使电网输变电设备的送电能力增加最大。因进行无功补偿所花费的资金，用电能节约的价值回收的年限为最短。Page8经济功率因数主要取决于用户电压，确定的一般要求：发电厂直供的，其经济功率因数较低；距离电源较远，且又经过多级变压器的，其经济功率因数较高；受电的电压越低，变压的次数越多，其经济功率因数也越高。一般按供电方式划分的经济功率因数变动范围如下：供电方式用户端的经济功率因数值发电厂直配供电0.8～0.85过经2～3级变压0.9～0.95经过3～4级变压0.95～0.98此外，经济功率因数还与供电的距离、用电设备的自然功率因数、用电容量、时间和电价高低等因素有关。Page9四、提高功率因数的意义1．改善设备的利用率可见，在一定的电压和电流下，提高cosφ，其输出的有功功率增大。因此改善功率因数是充分发挥设备潜力，提高设备利用率的有效方法。2．提高功率因数可减少电压损失故采用补偿电容提高功率因数后，电压损失ΔU减小，改善了电压质量。Page103．减少线路损失可见，线路有功损失ΔP与cos2φ成反比。cosφ越高，则ΔP越小。4．提高电力网的传输能力可见，在传送一定有功功率P的条件下，cosφ越高，所需视在功率越小。五、补偿度Page11第二节功率因数调整电费一、关于《功率因数调整电费方法》的规定（1）鉴于电力生产的特点，用户用电功率因数的高低，对发、供、用电设备的充分利用，节约电能和改善电压质量有着重要影响，为了提高用户的功率因数并保持其均衡，以提高供、用电双方和社会的经济效益，特制定本办法。（2）功率因数的标准值及其适用范围：功率因数标准0.90，适用于160kVA以上的高压供电工业用户（包括乡镇工业用户）、装有带负荷调整电压装置的高压供电电力用户和3200kVA及以上的高压供电电力排灌站。功率因数标准0.85，适用于100kVA（kW）及以上的其他工业用户（包括乡镇工业用户）、100kVA（kW）及以上的非工业用户和100kVA（kW）及以上的电力排灌站。Page12功率因数标准0.80，适用于l00kVA（kW）及以上的农业用户的趸售用户，但大工业用户计划由电业直接管理的趸售用户，功率因数标准应为0.85。（3）功率因数的计算：凡实行功率因数调整电费的用户，应装设带有防倒装置的无功电能表，按用户每月实用有功电量和无功电量，计算月平均功率因数。凡装有无功补偿设备且有可能向电网倒送无功电量的用户，应随其负荷和电压变动及时投入或切除部分无功补偿设备，电力部门应在计费计量点加装带有防倒装置的反向无功电能表，按倒送的无功电量与实用无功电量两者的绝对值之和，计算月平均功率因数。根据电网需要，对大用户实行高峰功率因数考核，加装记录高峰时段内有功、无功电量的电能表，由试行的省、直辖市、自治区电力局或电网管理局拟订办法，报水利电力部审批后执行。Page13（4）电费的调整。根据计算的功率因数，高于或低于规定标准时，在按照规定的电价计算出其当月电费后，再按照“功率因数调整电费表”所规定的百分数增、减电费。如用户的功率因数在“功率因数调整电费表”所列两数之间，则以四舍五入计算。（5）根据电网的具体情况，对不需增设补偿设备，用电功率因数就能达到规定标准的用户，或离电源点较近、电压质量较好、无需进一步提高用电功率因数的用户，可以降低功率因数标准值或不实行功率因数调整电费的办法，但须经省、市、自治区电力局批准，并报电网管理局备案。降低功率因数标准的用户的实际功率因数，高于降低后的功率因数标准时，不减收电费，但低于降低后的功率因数标准时，应增收电费。Page14三、按功率因数调整电费的目的和实施办法两部制电价：基本电费+电量电费+按功率因数调整电费1．实行功率因数调整电费的目的提高用户的功率因数，不但可以充分发挥发、供电设备的生产能力、减少线路损失、改善电压质量，而且可以提高用户用电设备的工作效率和节约电能。为合理地使用国家的能量资源充分发挥发、供电设备的生产能力，特制定按功率因数调整电费办法。2．按功率因数调整电费的办法（1）按照规定的电价计算出当月的基本电费和电量电费。（2）再按照功率因数调整电费表所订的百分数增减计算。Page15Page16Page17Page18（3）计算用户的功率因数采用加数平均值，即以用户在一个月内所消耗的有功电量W和无功电量Q进行计算，即如果用户的平均功率因数在功率因数调整电费表所列数字之间，以四舍五入计算。如0.855四舍五入为0.86、0.754四舍五入为0.75。3．功率因数调整电费计算公式现以功率因数标准0.85为例，来说明增收功率因数调整电费百分值计算公式的建立方法。当实际功率因数值在0.65～0.85之间，从表发现：功率因数每降低0.01，则功率因数调整电费的增收率增加0.5%，用公式表示则为(0.85-cosφ)×50%=50(0.85-cosφ)%Page19例：cosφ=0.79，则功率因数调整电费的增收率为50(0.85-0.79)%=3%当实际功率因数在0.6～0.65之间时，功率因数每降低0.01，则调整电费的增收率增加1%，于是有(0.65-cosφ)+0.1=0.75-cosφ=50(1.5-2cosφ)%例：cosφ=0.63，则功率因数调整电费的增收率为50(1.5-2×0.63)%=50×0.24%=12%Page20四、现代功率因数调整电费办法存在的问题1．免费供应的无功电力比例过大对一般工业用户而言，要求功率因数为0.85，即对于供应1MW·h有功电量，则免费供应无功电量为619kvar·h。这种搭配比例已不适应大电力系统的发展，因为大电网的超高压输变电设备，输送无功的损耗很高，并且随负荷波动其变化很大。因此需要考虑自动调整的无功补偿，并要求无功电力就地供应。2．对超用或少用无功电量的用户计费方法不合理若功率因数的标准为0.85，欲使其从0.85提高到0.86，则当用户的有功电量为100MW·h，需补偿无功电量为Q=W(tanφl-tanφ2)=106×(0.6197-0.593)=2670kvar·h可是，按规定其减收电费为0.5%。而若使coscp从0.95提高到0.97，则需补偿无功电量为Q=W(tanφl–tanφ2)=106×(0.3287-0.2506)=7810kvar·h按规定只得到减收电费为0.2%。在客观上形成不支持用户把功率因数提高到0.95以上。Page213．不适当的鼓励造成电费收入减少对大工业用户，要求其功率因数为0.90，当用户装设少量的无功补偿设备时，使其cosφ达到0.905，按照四舍五入的原则，则可使cosφ折算为0.91，这时用户则可得到0.15%减收电费的利益。对于供电部门来说，这是少收电费的漏洞。4．无功倒送造成电费收入减少按照功率因数调整电费的办法规定，安装在用户的无功电能表应加装防倒装置，对用户倒送的无功电量不作扣除或不作统计。有些供电单位对这一规定执行不严，给电费收入造成损失。从道理上来说，仅装防倒装置是不够的，还应考虑加装倒送无功电量的计量，对倒送无功电量进行收费。这是因为，用户倒送无功的时间，绝大多数是电网无功过剩的时间，这将给电网带来很大的功率负担和额外线损，并对电网造成过电压危害，迫使安装电抗器，以便就近吸收，由此造成电网的投资增加。可见，电业部门对用户倒送无功收取一定的费用是合理的。Page225．关于民用电气设备的无功补偿问题目前，我国城市和农村生活用电不断增长，但民用电器的功率因数很低，大多数民用电器不带补偿装置，特别是日光灯。供电部门和政府有关部门应对民用电器生产实行严格的监督，要求cosφ应不低于0.95，否则将不颁发产品合格证。对未装补偿的民用电器应另行拟定收费办法。五、用户电费调整办法分析现行的无功电价是按有功电价的一定比例来收取的，即Page23设增、减收电费的百分数为f，即Page24对大工业用户，功率因数要求为0.95，B值可采用8+12K，故增收电费百分数为对用户的实收电费为对普通工业用户，功率因数要求为0.9，则增收电费百分数为f=(8+12K)(K-0.4843)%；当功率因数要求为0.85，则对农电用户，功率因数要求为0.8，而B=(6+10K)，故Page25例：对普通工业用户，若功率因数标准为0.85．现实功率因数为0.72，K=0.963，于是而按表2-2所示取为6.5%，造成上述差别的原因是K与cosφ不是简单的反比关系，故随着功率因数等差下降，增收百分数等差上升的计算是不合理的。Page26第三节用户的最佳功率因数值的确定和改善cosφ的效益分析一、最佳cosφ值的确定1．问题的提出用户改善cosφ可以少付电费，因此改善功率因数对电网有利，自然对用户也有利。可是为改善功率因数，用户必须付出一定的投资。问题的焦点是，将cosφ提高到何种程度其受益最大。这就是确定最佳cosφ值或者经济功率因数的含义。2．当有功功率不变时的情况设用户的有功功率为P，改善前、后的功率因数分别为cosφ1、cosφ2。改善前、后视在功率的变化量为：Page27若1kVA·h应付电费为x元，则改善后用户的经济效益为补偿装置发出的无功功率为假定1kVA的无功补偿装置的年摊销成本为Y元，则用户的补偿费用为：改善后，用户的经济效益为Page28为效益最大，将上式对φ2求导，并命其为0，有可见，对用户来说，最佳功率因数角φ2，与原功