有关功率因数的探讨

关于提高电网功率因数的分析探讨摘要：对广大工矿企业来说，功率因数的高低是关系到电能质量和电网安全，经济运行的一个重要问题，应予以充分重视，本文集中讨论影响电力系统功率因数的几个重要因素，提出相应的解决措施，并结合我矿的实际情况，对利用并联移相电容提高电网的功率因数进行了探讨。砚北煤矿是一家以煤矿开采为主体的能源企业，是目前全省最大的现代化安全矿井。矿井开采能力为年产600万吨，洗选能力为600万吨/年。我矿电力系统总装机容量为2×16000KVA，设有一个35KV变电站、2个10KV井下变电所和2个6ＫＶ井下变电所，及地面低压配电系统，共有电力变压器21台，年用电量约291.7万KWh，由于同步电机容量较小，动力负荷主要是异步电动机，所以平均功率因数低，我矿主要针对高低压配电网络进行补偿，补偿前整个电力系统的功率因数只有0.75，补偿后整个电力系统因数可以到0.90以上。影响我矿功率因数的主要原因及对策：一、异步电动机对功率因数的影响我矿绝大部分动力负荷都是异步电动机,异步电动机转子与定子间的气隙是决定异步电动机需要较多无功的主要因素，而异步电动机所耗用的无功功率是由其空载时的无功功率和一定负载下无功功率增加值两部分所组成。所以要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率。因此，在选择异步电动机时，既要注意它们的机械性能，又要考虑它们的电器指标，合理选择异步电动机的型号、规格和容量，使其处于经济运行状态，若电动机长期处于低负载下运行，既增大功率损耗，又使功率因数和效率都显著恶化，故从节约电能和提高功率因数的观点出发，必须正确的合理的选择电动机的容量。其次，要提高异步电动机的检修质量，因为异步电动机定子绕组匝数变动和电动机定、转子间的气隙变动时对异步电动机无功功率的大小有很大的影响。二、电力变压器对功率因数的影响电力变压器的无功功率消耗，是由于变压器的变压过程是由电磁感应来完成的，是由无功功率建立和维持磁场进行能量转换的。没有无功功率，变压器就无法变压和输送电能。变压器消耗无功的主要成分是它的空载无功功率，提高变压器的功率因数就必须降低变压器的无功损耗，避免变压器空载运行或长期处于低负载运行状态。我矿对提高功率因数采取的措施：一、提高自然功率因数的方法提高自然功率因数主要是靠提高变压器、电动机负载率、调整负荷结构，使功率因数达到最佳。如以下方法：（1）正确的选择电动机的型号和容量。在选型方面,要注意选用节能型,淘汰高能耗的电动机,并依据电机机械工作对启动力矩、启动次数、调速等方面的具体要求,选用不同的型号。电动机的效率与功率因数cos是反映电动机经济运行水平的主要标,都与负载率有密切关系。GB/T12497-90对三相异步电机三个运行区域规定如下:当负载率在70%-100%之间时,为经济运行区；当40%70%时,为一般运行区；当40%时,为非经济运行区。（2）根据负荷选择相匹配的电力变压器，电力变压器一次侧功率因数不但与负荷的功率因数有关，而且与负载率有关。若变压器满载运行,一次侧功率因数仅比二次侧降低约3-5%；若变压器轻载运行,当负荷小于0.6时,一次侧功率因数就显著下降,下降达11-18%,所以电力变压器的负荷率在0.6以上运行时才较经济,一般应在60%-70%比较合适。为了充分利用设备和提高功率因数,电力变压器一般不宜作轻载运行。当电力变压器负荷率小于30%时,应当更换成容量较小的变压器。根据变压器的最佳负载系数合理选用变压器，将变压器进行更换及调整，在负载小的时候切除部分变压器，这样可以减少无功功率的需求量，使自然功率因数得到提高。（3）若异步电机的同步化运行。对于负荷率不大于0.7及最大负荷不大于90%额定功率的绕线式异步电动机,必要时可使其同步化,即当绕线式异步电动机在起动完毕以后,向转子三相绕组中送入直流励磁,即产生转矩把异步电动机牵入同步运行,其运转状态与同步电动机相似。在过励磁的情况下,电动机可向电网送出无功功率,从而达到改善功率因数的目的二、并联电容器提高功率因数的方法根据我矿实际生产中使用的异步电动机比较多，占全矿的90%以上电动机。所以我们采用并联电容器的方式进行功率因数补偿。（一）、补偿方式的选择根据并联电容器在工矿供电系统中的装置位置，有高压集中补偿、低压成组补偿和低压分散补偿三种方式。高压集中补偿是将高压并联电容器集中装设在变配电所的高压母线上，这种补偿方式只能补偿母线前所有线路上的无功功率。因此母线后的厂内线路不起补偿作用。低压成组补偿是将一项电容器装设在车间变电所的低压母线上，这种补偿方式能补偿车间变电所低压母线前的车间变电所主变压器和厂内高压配电线及前面电力系统的无功功率，其补偿范围较大。由于这种补偿能使变压器的视在功率减少从而使变压器容量选得小一些，比较经济，而且它安装在变电所低压配电室内，运行维护方便，有利于低压移相电容器的安全稳定运行。低压分散补偿，又称个别补偿，是将电容器分散地装设在各个车间或用电设备的附近。这种补偿方式能够补偿安装部位前的所有的高低压线路和变电所主要变压器的无功功率，因此它的补偿范围最大，效果也较好。但是这种补偿方式总的设备投资较大，且电容器在用电设备停止工作时，它也一并被切除，所以利用率不高。综合以上三种补偿方式的优缺点，根据我矿的实际情况，我们选择了高低压成组补偿方式。（二）、补偿容量的确定对于高压母线采用高压并联电容器成套装置，其型号为ＴＷ10--1/BR-2400-6。对于变电所低压母线，安装的容性无功量应等于装置所在母线上的负载按提高功率因数所需补偿的容性无功量于变压器所需补偿的容性无功量之和。1）负载所需补偿的装置容量Kvar（千乏）按下式考虑：QC1=P(tgφ1-tgφ2)QC1—符合所需补偿的容性无功量（Kvar）P—母线上的平均有功率负荷功率φ1—补偿前的功率因数角φ2—补偿后的功率因数角2）变压器所需补偿的装置容量Kvar（千乏）按下式考虑：QC2=(UK%/100+IO%/100)SeQC2—变压器所需补偿的容性无功量（Kvar）UK%—变压器阻抗电压的百分比分数IO%—变压器空载电流的百分数Se—变压器额定容量（Kvar）（三）、高低压成组补偿设备的选择选择补偿设备，应在充分考虑安全性的同时，根据我矿实际情况，从实用性、可靠性和经济性入手，将其费用最优化。1、投切方式的选择电容器投切有两种方式：人工投切和自动投切。人工投切对运行人员是件繁重的工作，且难以实现及时准确地操作，影响供电电压质量。我们采用自动投切方式，可实现电容器的自动投切，我们采用了BKD3—110变电所电压无功综合控制装置，这种控制器具有压板、调容、调压、自动、手动与时间记录报警功能，能自动跟踪功率因数变化合理选择电容组数，还能在功率因数超前时快速切除已投电容。在我矿的应用中，这种控制方式能满足我矿的实际要求。2、并联电容器的选择我矿选用的电容器为BFM11/3-1W型并联电容器。该电容器的额定工作电压11KV，容量134Kvar，三相三角形接法，具有自放电功能，最高过电压110%额定电压，最高过电流130%额定电流。电容容量的确定要考虑到开关、接触器的容量，补偿梯度大小对电气设备的影响及维护成本，还有各矿实际使用习惯。我矿广泛采用134Kvar三相并联电容器，我们认为其补偿梯度合理，设备费效比高。额定电压的确定要考虑到变压器低压母线电压的波动和补偿后母线电压升高的因素，并联补偿电容器的额定电压应大于并联补偿电容器的实际工作电压。3、断路器的选择Q1—Q6为单台电容器提供主保护，我矿选用调TWK10-1/BR-2400-6（无锡）有限公司高压无功自动控制装置。该开关具有过流和速断保护功能，我们一般将断路器过流整定值整定在32A，可有效保护电容过电流。该开关分断能力强，分断电流可达25KA，可靠性也比较高，单台电容器故障时能可靠切除，不影响其它电容器的运行。Q我们选用陕开KYN28A户内金属铠装抽出式开关断路器，该断路器具有电子式过流和速断保护功能，动作准确可靠，分断能力极强，并具有稳定可靠的限流能力，可作为整套电容器组的后备保护。采用上述两种开关后，完全可以将电容故障限制在电容柜内，而不对配电系统产生影响。补偿效果通过对全矿供电系统安装并联电容器组，向电网提供可阶梯调节的容性无功，补偿多余的感性无功，使我矿实际功率因数提高到0.90以上，补偿效果明显。减少供电损耗，节约电费我矿年用电量约为3500万KWh,补偿后功率因数从0.75提高到0.90，则每年可减低费用，按每度电0.44元计算，可节约电费150万元（计算按表1）。提高设备的利用率。表1：35KV功率.电流关系换算功率(KW)流(A)10152025303540455060708090cos0.7545463190811351362158418162043227027243178363240860.9545817109013621635190721802452272532703812436049055450