4_第二章 负荷计算与无功补偿

1电力工程基础毛玲Email:[e-mail]:13851620850南京航空航天大学自动化学院电气工程系南京航空航天大学《电力工程基础》2第二章负荷计算与无功补偿§2-1电力负荷与负荷曲线§2-2计算负荷的确定§2-3功率损耗与电能损耗的确定§2-5无功功率补偿§2-4企业计算负荷的确定§2-6尖峰电流的计算3§2-1电力负荷与负荷曲线§2-2计算负荷的确定§2-3功率损耗与电能损耗的确定§2-5无功功率补偿§2-4企业计算负荷的确定§2-6尖峰电流的计算第二章负荷计算与无功补偿42.5无功功率补偿一、功率因数低的不良影响1．使供电网络中的功率损耗和电能损耗增大。2．使供电网络的电压损失增大，影响负荷端的电压质量。3．使供配电设备的容量不能得到充分利用，降低了供电能力。4．使发电机的出力下降，发电设备效率降低，发电成本提高。因为功率因数越低，在保证输送同样的有功功率时，系统中输送的总电流越大，从而使输电线路上的功率损耗和电能损耗增加。由于发电机、变压器都有一定的额定电压和额定电流，在正常情况下不允许超过额定值，根据，功率因数越低，输出的有功功率越小，使设备的容量不能得到充分利用，降低了供电能力。cos3UIP当有功功率保持不变时，功率因数越低，无功电流越大，对发电机转子的去磁效应越大，端电压越低，发电机就达不到预定的出力。由于，当P、R、X一定时，功率因数越低，Q越大，则越大。UNUQXPRU5二、功率因数的计算1.瞬时功率因数：可由功率因数表（相位表）直接读出，或由电压表、电流表和功率表在同一时刻的读数按下式求出：UIP3cos指某一规定时间内，功率因数的平均值。其计算公式为：2.均权功率因数：22cosqpPav2.5无功功率补偿指在年最大负荷（即计算负荷）时的功率因数。其计算公式为：3.最大负荷时的功率因数：3030cosSP6三、提高功率因数的方法1.提高自然功率因数的方法不加任何补偿设备，采取措施减少供电系统中无功功率的需要量，称为提高自然功率因数。用小容量的电动机代替负荷不足的大容量电动机。•正确选用感应电动机的型号和容量。当电动机的负荷系数KL＞70%时，可以不换；当KL＜40%时，必须换小电机；当40%＜KL＜70%时，则需经过技术经济比较后再进行更换。降低感应电动机的端电压就降低了感应电动机的无功功率需要量，从而可提高系统的功率因数。对负荷不足的电动机可用降低外加电压的办法提高功率因数。2.5无功功率补偿7定子绕组的匝数不能减少。mdpΦkfWEU1144.4所以降低增加增加减小cos01IΦWm•限制感应电动机的空载运行。•提高感应电动机的检修质量。变压器的负荷系数在60%以上运行时才较经济，其最佳负荷系数为75%~80%，因此变压器不宜轻载运行。一般当变压器的负荷系数KL＜30%时，才考虑换小容量的变压器。对负荷率不大于0.7及最大负荷不大于90%的绕线式异步电动机，必要时可使其同步化运行。即当绕线式异步电动机起动完毕后，向转子三相绕组中送入直流励磁，产生转矩把异步电动机牵入同步运行，其运行状态与同步电动机一样，在过励磁下，电动机可向电网送入无功功率，从而达到改善功率因数的目的。气隙δ不能增加。•合理使用变压器。•感应电动机同步化运行。2.5无功功率补偿82．提高功率因数的补偿法采用移相电容器（即静电电容器）采用同步电动机采用同步调相机静电电容器具有重量轻、安装方便、投资小、故障范围小、有功功率损耗小、易于维护等优点，是目前工业企业中应用最广泛的无功补偿装置。调节同步电动机的励磁电流，使其在超前功率因数下运行，就能向电网输送无功功率，因而能提高企业的功率因数。同步调相机实质上是空载运行的同步电动机，专门向电网输送无功功率，大容量的同步调相机主要装设在电力系统的区域性变电所，作为该地区的无功补偿电源，用于提高该地区的功率因数和电压质量。2.5无功功率补偿9四、静电电容器补偿的控制方式1.按昼夜时间划分进行控制根据全天24小时无功负荷的变化曲线，按时间程序投入或切除补偿电容器。其特点是控制设备简单、操作方便，并可以防止无功功率倒送向电网，适用于负荷比较稳定，无功负荷变化有规律的场合。2.5无功功率补偿2.按母线电压的高低进行控制起动元件采用低电压和过电压两个继电器，当母线电压低于低电压继电器的整定值时，电容器自动投入；当母线电压高于过电压继电器的整定值时，电容器自动切除。103.按无功功率的大小进行控制4．按功率因数的大小进行控制起动元件是一个无功功率检测器，当无功检测器测出的无功功率值大于上限给定值时，电容器自动投入；反之，当无功检测器测出的无功功率值小于下限给定值时，电容器自动切除。起动元件是一个相位检测器，通过检测一个线电压和一个线电流的相位来得出系统当前的功率因数值，若此功率因数值小于下限给定值，电容器自动投入；反之，若此功率因数值大于上限给定值，则电容器自动切除。2.5无功功率补偿四、静电电容器补偿的控制方式11五、电容器并联补偿的工作原理在工业企业中，绝大部分电气设备的等值电路可视为电阻R和电感L的串联电路，其功率因数可表示为：SPQPPXRRL2222cos当在R、L电路中并联接入电容器C后，如图2-8(a)所示，回路电流为：RLCIII图2-8电容器无功补偿原理图2.5无功功率补偿12可见，并联电容器后与之间的夹角变小了，因此，供电回路的功率因数提高了。UI欠补偿：补偿后电流落后电压，如图2-8（b）所示。IU过补偿：补偿后电流超前电压，如图2-8（c）所示。IU2.5无功功率补偿图2-8电容器无功补偿原理图一般都不采用过补偿，因为这将引起变压器二次侧电压的升高，会增大电容器本身的损耗，使温升增大，电容器寿命降低，同时还会使线路上的电能损耗增加。13六、电容器的接线方式与装设位置1．电容器的接线方式低压电容器一般接成三角形。高压电容器组宜接成星形，但容量较小（450kvar及以下）时可接成三角形。由于，而，因此电容器接成三角形时的容量为采用星形接线时的3倍。若电容器采用三角形接线，一电容器断线时，三相线路仍能得到无功补偿；而采用星形接线时，一相电容器断线，该相将失去无功补偿，造成三相负荷不平衡。但是，电容器采用三角形接线时，任一电容器击穿将造成两相短路，有可能发生电容器爆炸；而采用星形接线时，若一相电容器击穿，短路电流数值相对较小。因此星形接线较之三角形接线安全多了。2CUQCUU3CQ2.5无功功率补偿142．电容器的装设位置（补偿方式）高压集中补偿：将高压电容器组集中安装在企业或地方总降压变电所6～10kV母线上。低压分组补偿：将低压电容器组分散安装在各车间变电所低压母线上。个别补偿：将电容器组直接安装在需要进行无功补偿的各个用电设备附近。特别注意：电容器从电网上切除后有残余电压，其最高可达电网电压的峰值。所以电容器组应装设放电装置，且其放电回路中不得装设熔断器或开关设备，以免放电回路断开，危及人身安全。对高压电容器，通常利用母线上电压互感器的一次绕组来放电；对分散补偿的低压电容器组，通常采用白炽灯的灯丝电阻来放电；对就地补偿的低压电容器组，通常利用用电设备本身的绕组来放电。2.5无功功率补偿15七、补偿容量的计算30303030)tan(tanPqPQQQcC电容器的补偿容量可用下式确定（图2-9）:图2-9功率因数与无功功率和视在功率的关系2.5无功功率补偿式中，P30为最大有功计算负荷（kW）；和分别为补偿前、后的功率因数角的正切值；称为补偿率或比补偿功率（kvar/kW）。tantan)tan(tancq16在确定了总的补偿容量QC时，就可根据所选电容器的单个容量qC来确定电容器的个数n，即：CCqQn2.5无功功率补偿在计算补偿用电容器的容量和个数时，应考虑以下两个问题：当电容器的额定电压与实际运行电压不相符时，电容器的实际补偿容量应按下式进行换算：2NNNUUQQ17八、无功补偿的效益分析1.线路损耗下降百分值设补偿前线路电流为I，功率因数为cos，补偿后线路电流降为，功率因数为，由于负荷有功功率不变，故IcoscoscoscosII或coscosII由于线路的功率损耗与电流平方成正比，所以补偿后功率损耗下降百分数为（补偿前为100%）%100coscos1%100coscos%10022222222IIIIII2.5无功功率补偿182.变压器铜耗下降百分值设额定电流时的铜耗为100%，在补偿前通过电流I时，变压器铜耗的百分值为（相对额定电流而言）%1002NII则补偿后变压器的铜耗下降百分值为：%100coscos122NII2.5无功功率补偿3.减少变压器容量值由于负荷有功功率不变，故补偿后存在coscos1SSSScoscosSS19九、无功功率自动补偿装置•无功功率自动补偿装置采用静电电容器作为补偿元件。•普通的功率因数自动调节装置适用于三相平衡负载，通过检测一个线电压和一个线电流，实现对三相电力电容器的联动投切。•相控式无功功率自动补偿装置适用于三相不平衡负载，它分别测量各相的功率因数，并分别控制各相电力电容器的投切。图2-10为SG-91型相控式无功功率自动补偿装置的电路图。•静止无功补偿器（SVC）是由可控硅控制的可调电抗器与电容器并联组成的无功功率自动补偿装置。调节性能好，响应速度快，补偿效率高，噪声小，损耗低，不仅可以作为一般的无功补偿装置，而且可用于急剧变动的冲击性负荷的无功补偿。2.5无功功率补偿20A相：C1～C3B相：C4～C6C相：C7～C9共有三组电容器：三个电容器的容量分别为5kvar、10kvar、20kvar。不同的负荷无功功率应投入的电容器如表2-9所示。具有测量、调节、延时以及手动操作和参数显示等功能。可分别检测各相的电压和电流，计算各相的无功功率，控制各中间继电器K1～K9的吸合或释放。21表2-9A相不同无功负荷时投入的电容器无功负荷功率QL/kvar5＜QL10＜QL＜1515＜QL＜2020＜QL＜2525＜QL＜3030＜QL＜3535＜QL电容器代号C1C2C1+C2C3C3+C1C3+C2C3+C2+C1“欠补偿”2.5无功功率补偿22§2-1电力负荷与负荷曲线§2-2计算负荷的确定§2-3功率损耗与电能损耗的确定§2-5无功功率补偿§2-4企业计算负荷的确定§2-6尖峰电流的计算第二章负荷计算与无功补偿23一、单台用电设备的尖峰电流单台用电设备的尖峰电流就是其起动电流，即NststpkIKII二、多台用电设备的尖峰电流max.11.stniiNpkIIKImax30)NstpkIIII（或2.6尖峰电流的计算选择熔断器、自动开关等；整定继电保护装置、校验电动机自起动条件多台用电设备的尖峰电流计算需引入同时系数𝑲𝚺，一般为0.7~1；台数越多，𝑲𝚺越小。24三、用电设备同时自起动的尖峰电流如果有一组用电设备需同时参与自起动，则其尖峰电流等于所有用电设备的起动电流之和，即niiNistpkIKI1..)(istK.iNI.式中，n为参与自起动的用电设备台数；和为分别对应于第i台用电设备的起动电流倍数和额定电流。2.6尖峰电流的计算