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高壓電網無功補償及諧波治理

文章出處:安高電氣人氣:-发表时间:2016-08-01 16:30【
摘要 : 摘要 阐述电网無功補償及滤波装置的重要性,以及安装滤波装置后所产生的效果及经济效益。 1 无功电量的概念 在平稳直流状态下, 功率等于电压与电流的乘积, 即:P=U×I。

摘要 阐述电网無功補償及滤波装置的重要性,以及安装滤波装置后所产生的效果及经济效益。

1 无功电量的概念

在平稳直流状态下, 功率等于电压与电流的乘积, 即:P=U×I。

在交流状态下, 由于电压与电流均为时间的周期函数,则功率由下式来进行计算:

当电网中的负荷含有电抗成分(通常为感性成分)或者负荷具有非线性特性时,电压与电流就会有相位差或者电流含有谐波成分,此时电网传输能量的能力下降,功率的计算值小于电压有效值与电流有效值的乘积,于是就引入了功率因數的概念。功率因數的英文全称是Power factor,简称PF。PF 是一个无量纲的小于1 的实数。

當電壓與電流用有效值表示並引入功率因數時,則功率由下式來進行計算:

blob.png 

當系統中沒有諧波時,功率因數就是电压与电流相位差φ 的余弦函数即:PF = cosφ。于是功率的表达式可写为:

P=U×I×cos

引入了功率因數的概念以后,我们就可以利用向量的方法将电流分解为有功电流和无功电流:

blob.png 

式中:P 为有功功率,PL为无功功率,PS为视在功率。

有功功率代表著能量的傳遞,而無功功率是一種交流電網中特有的不傳遞能量的伴生量。

在电网系统计量过程中,还经常使用有功电量与无功电量来计算功率因數,由于有功电量相当于有功功率对时间的积分,无功电量相当于无功功率对时间的积分,因此这样的计算结果相当于功率因數在一个计量周期的平均值。

需要注意的是:

(1)只有無功電流與無功功率的概念,沒有無功電壓的概念。因此通常所說的無功可以指無功電流,也可以指無功功率。

(2)当系统中含有谐波时,用cos 来表达功率因數会产生较大的误差。谐波含量越大,误差越大。

2 無功補償的必要性

由于無功電流的存在,在傳送同樣能量的情況下,電流比沒有無功的情況下增加,會大量增加系統的銅損,降低線路與變壓器的利用率,這是顯而易見的事情。

在一个交流连接的电网中(这里强调交流连接的原因是因为直流输电线路不传递无功,因此用直流输电线路连接的若干电网可以分开为各自独立的电网来考虑无功问题),无功电流在任何瞬间都是平衡的,也就是说,无功电流的发出量与吸收量在任何瞬间都是相等的, 这就是无功平衡原理。由于无功平衡原理的存在,无功电流虽然不传递能量,但是却会影响电网的电压,这是由电网中的设备性质决定的。电网中绝大部分发电机均为同步发电机。同步发电机在激磁电流不变时输出的无功电流与输出电压成反比,即:随着输出电压的减少而输出无功电流增加,反之,随着输出电压的增加而输出无功电流减少。而电网中大部分负荷所吸收的无功电流与电压成正比。因此,当电网中没有补偿装置时,负荷吸收的无功功率就全部要由发电机来提供。如果系统的无功不足,电压就会下降,电压下降以后,负荷吸收的无功减少,发电机发出的无功增加,从而保持无功的平衡。反之,如果系统的无功过剩,电压就会升高,电压升高以后,负荷吸收的无功增加,发电机发出的无功减少,从而保持无功的平衡。也就是说,电网可以依靠电压的变化来自动保持无功平衡。当系统中的无功严重不足,就会导致电压急剧下降,电压下降导致发电机发出的无功电流急剧增加,这时,如果某1 台发电机由于电流过载而解列退出电网,则无功更加不足,如此连锁反应,会导致电网崩溃的大事故。所以在电网中设置一些無功補償装置来补充无功功率,以保证用户对无功功率的需要和用电设备在额定电压下工作就显得非常必要。

由于无功的不良作用,供电部门对企业35kV 客户功率因數标准一般为0.9,因此、对于我们用户来讲,总是希望尽量提高功率因數,减少无功,减少无功的方法就是無功補償,使负荷所吸收的无功被就地平衡, 避免大量无功电流的传输,这样既可以避免低功率因數罚款,相反、还能获得奖励。

3 谐波的产生及危害

電力諧波對電力網(用戶)危害是十分嚴重的,它是一種電力汙染,一種人們看不見、嗅不到、摸不著的汙染。所以往往不被人們注意。對于電力系統,諧波是個很要命的問題!

3.1 谐波的概念

当电网中的电压或电流波形非理想的正弦波时,即说明其中含有频率高于50Hz 的电压或电流成分, 我们将频率高于50Hz 的电流或电压成分称之为谐波。当谐波频率为工频频率的整数倍时,我们将其称之为整数次谐波,这类谐波通常用次数来表示。例如:将频率为工频频率5 倍(250Hz)的谐波称之为5 次谐波,将频率为工频频率7 倍(350Hz)的谐波称之为7 次谐波,依此类推。当谐波频率不是工频频率的整数倍时,我们将其称之为分数谐波。这类谐波通常直接使用谐波频率来表示。例如:频率为1627Hz 的谐波。

3.2 谐波产生的原因。

谐波产生的原因多种多样,比较常见的有2 类:第1 类是由于非线性负荷而产生谐波,例如可控硅整流器、开关电源等, 这一类负荷产生的谐波频率均为工频频率的整数倍。例如三相六脉波整流器所产生的主要是5 次和7 次谐波,而三相12 脉波整流器所产生的主要是11 次和13 次谐波;第2 类是由于逆变负荷而产生谐波,例如中频炉、变频器,这一类负荷不仅产生整数次谐波,还产生频率为逆变频率2 倍的分数谐波。例如: 使用三相六脉波整流器而工作频率为820Hz 的中频炉则不仅产生5 次和7 次谐波,还产生频率为1640Hz 的分数谐波。

諧波在電網誕生的同時就是存在的,因爲發電機和變壓器都會産生少量的諧波。但是由于産生大量諧波的用電設備不斷增加,並且電網中大量使用的並聯電容器所造成的諧波放大,使得諧波的影響越來越嚴重,逐漸引起人們的重視。

3.3 谐波造成的危害

当电网中的谐波电流较大,以至于电压波形也产生畸变时,我们将其称之为电网被污染。电网的污染程度用电压波形畸变率来表示,简称THDu。按照国家标准GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》的规定:10kV 电网的THDu 应小于4%,400V 电网的THDu 应小于5%。谐波与无功电流不同。无功电流只影响电网的电压,并增加供电系统的铜损,通常不会影响用户,也不会影响计量精度。而谐波的影响可以用“无孔不入”来形容。在电网被污染的情况下,所有电网中的设备与负荷均会受到影响。谐波与无功还有一点不同:无功电流在没有补偿的情况下会一直传送到发电机,而谐波电流通常全部被电网中的设备与负荷吸收掉。

當電網的諧波汙染程度小于國家標准的規定時,通常不會對系統造成影響。隨著汙染程度的增加,諧波的影響就逐漸顯現出來。在諧波嚴重超標的情況下,如果不進行諧波治理,往往會産生很嚴重的後果。

諧波造成的危害大致如下:

(1)對變壓器,諧波電流會增加變壓器的銅損和漏磁損,諧波電壓會增加變壓器的鐵損,諧波會增加變壓器的工作噪音和溫升等。

(2)對電纜,諧波電流可能造成線路過載過熱,損害導體絕緣體,同時高頻諧波可能造成集膚效應降低電纜的額定載流,銅損急劇增加。

(3)對表計,諧波會影響表計的計量精度。從原理上進行分析:諧波源將其吸收的一部分電網電能轉變爲諧波發送到電網中去,因此電能表會將諧波能量當作發電來進行計算,從而導致計量誤差。對于機械式電能表還會由于高頻率諧波所産生的高頻渦流阻力而變慢。因爲在高次諧波嚴重的情況下(例如中頻爐)會嚴重影響電能表的計量精度,導致莫名其妙的丟電現象。

(4)對精密電子設備(包括電子式電能表),精密電子設備會被嚴重幹擾,導致不能正常工作,甚至燒毀。

(5)對設備,所有接于電網中的設備的損耗都會增加,溫升增加。含有電容器的設備受影響最爲嚴重,甚至可能導致設備損壞以及電容器爆炸等事故.

(6)對電機類負荷,諧波的逆序作用而導致輸出扭矩下降。

(7)對控制系統,諧波電流會造成電壓畸變,導致電壓過零點漂移,改變了線電壓之間的位置點,使得控制系統判斷錯誤而誤操作等。

谐波源的特性非常复杂,因为谐波的产生不仅仅取决于产生谐波的负荷本身,还与电网的短路容量、电网的组成形势以及电网中的其他负荷的性质有关。因此滤波器无法做成定型产品, 必须通过技术人员对谐波源现场情况的测试,然后根据现场测试结果进行专门设计。

4 谐波的治理

无源滤波器由滤波电容器, 滤波电抗器等适当组合成LC 滤波装置, 滤波器除起滤波作用外, 还兼作無功補償作用。LC 滤波器主要有调谐和滤波器,双调谐和滤波器,高通滤波器,C 型滤波器等。实际运用中根据谐波电流的分布及大小以及无功需求情况设计成几组滤波器,每一组滤波器对应某一次谐波呈低阻抗,高通滤波器对截止频率以上的谐波均呈现低阻抗,C 型滤波具有调谐频带宽,损耗低的特点。滤波器的分组需进行精密计算, 既要滤除主要的谐波电流,也要满足無功補償要求,同时还要防止某一词整数次频率下由于滤波器与系统阻抗发生并联谐振而产生的谐波电流放大。

本厂通过技术人员对谐波源现场情况的测试后决定采用的10kV 自动滤波成套装置为3 组不等容组合,可根据功率因數定值、无功需求量依据“先投后切”的原则自动投切滤波通道,使功率因數和谐波稳定在适当的范围内。

(1)针对系统需求选项,可同时滤除3 次到7 次的谐波电流,滤波效果明显。

(2)既能治理諧波又能補償無功。

(3)改善沖擊負載引起的電流沖擊,減少電壓波動和抑制電壓閃變,提高電壓穩定性。

(4)可提高功率因數。

(5)采用高性能真空斷路器投切各濾波支路,完善的控制系統,保護功能齊全,具有短路保護、過壓保護、過流保護等,運行可靠,操作簡單。

5 谐波治理带来的效益

安装谐波治理装置后, 带来明显的经济效益和社会效益:

(1)谐波经测试达到国家标准要求,同时能有效的就地無功補償,有效的降低了谐波电流,增加了变压器的有效容量,增加相应的带载能力,节电率达10%~30%,减少扩容所需的投资。

(2)有效的降低变压器的损耗,提高变压器的安全运行系数, 保证对谐波敏感的保护装置和器件不发生误动作,起到节能降耗的目的。

(3)平均谐波滤除率可达70%~80% 以上,减小集肤效应,热损、铜损、铁损、磁损、噪音大为下降,符合国家对能源节约和降耗的指示和可持续发展的要求。

(4)有效地抑制谐波电流,提高了电压稳定性,用电质量明显改善,10kV 侧满足国标GB/T14549-93 优化供电质量,进而提高了产品质量,同时避免因谐波造成的交流电波形畸变而造成电网计量具不准而被当地供电部门罚款。

(5)功率因數提高到0.92 以上,使电网线损降低并提高配电变压器的承载效率,力率调整费变罚为奖,经济效益明显。

(6)提高電網安全經濟運行水平,並逐步消除諧波汙染,減少諧波對通信、自動裝置、電能計量和繼電器保護的幹擾。

6 结束语

隨著我國電能質量治理工作的深進開展,綜合動態的諧波治理措施並同時考慮電網的無功功率補償問題,是用電企業當前面臨的一大課題。采取有力的抑制諧波的措施,不僅能夠改善整個網絡的電力品質,同時也能延長用戶設備使用壽命,提高産品質量,降低電磁汙染環境,減少能耗,提高電能利用率,同時能不斷降低企業成本,提高企業市場競爭力。

 







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