低压动态无功补偿装置的设计毕业设计论文.docx
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低压动态无功补偿装置的设计毕业设计论文
毕业设计（论文）
题目：
低压动态无功补偿装置的设计
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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摘要
依据用电设备的功率因数，可测算输电线路的电能损失。
通过现场技术改造，可使低于标准要求的功率因数达标，实现节电目的。
本文分析了无功补偿的作用和补偿容量的选择方法，着重论述了低压电网和异步电动机无功补偿容量的配置。
结合应用实例说明采用无功补偿技术，提高低压电网和用电设备的功率因数，已成为节电工作的一项重要措施。
关键词:
节电技术；功率因数；无功补偿
Abstract
Thepowerfactorofequipmentcanbeusedtomeasurethelossofenergyintransmissionlines。
Byrefiningthetechnique,wecanletthepowerfactorwhichisbelowthestandardgetstandardizedtosaveelectricity。
Thisarticleanalysesthefunctionofreactivecompensationandthewaystochoosecapacityofcompensation。
Itemphasizesindiscussingtheconfigurationoflowvoltagenetworkandasynchronousmotor’scapacityinreactivecompensation。
Bycombiningwithactualexamples,thisarticlealsoexplainsthatusingthetechniqueofreactivecompensationtoimprovethepowerfactoroflowvoltagenetworkandequipmenthasbecomeanimportantmeasuretosaveelectricity。
Keywords:
Techniqueofelectricitysaving；,Powerfactor；Reactivecompensation
前言…………………………………………………………………………1
第一章无功补偿的基本知识……………………………………………2
1.1无功补偿的基本原理……………………………………………2
1.2无功补偿的意义…………………………………………………2
1.3无功补偿的实现方法……………………………………………2
1.4无功补偿的合理配置原则………………………………………2
第二章现有补偿装置存在的问题几解决方法…………………………5
第三章提高低压电网功率因数的无功补偿的方法……………………7
3.1影响功率因数的因素……………………………………………7
3.2随机补偿…………………………………………………………7
3.3随器补偿…………………………………………………………7
3.4跟踪补偿…………………………………………………………8
第四章无功功率补偿容量的选择方法…………………………………9
4.1单负荷就地补偿容量的选择的几种方法 ……………………9
4.2多负荷补偿容量的选择…………………………………………10
第五章无功补偿的效益…………………………………………………11
5.1节省企业电费开支………………………………………………11
5.2提高设备的利用率………………………………………………11
5.3降低系统的能耗…………………………………………………11
5.4改善电压质量……………………………………………………11
第六章应用实例…………………………………………………………13
结论………………………………………………………………14
参考文献………………………………………………………………15
致谢………………………………………………………………16
前言
随着我国电力工业的迅猛发展，电网逐步扩张电力负荷增长很快，电压等级越来越高，电网、发电机单机容量也越来越大，电网覆盖的地理在不断扩大但是，由于地理环境、燃料运输、水资源及经济发展规模等诸多因素的影响，致使电源（发电厂）分布不均衡，要保证系统的稳定和优良的电能质量，就必须解决远距离输电、电压调节及无功补偿等问题。
电压是电能质量的重要指标之一，电压质量对电网稳定及电力设备安全运行线路损失、工农业安全生产、产品质量、用电单耗和人民生活用电都有直接影响。
无功电力是影响电压质量的一个重要因素，电压质量与无功是密不可分的，可以说电压问题本质上就是无功问题。
解决好无功补偿问题，具有十分重要的意义。
目前，许多地方电力系统的无功补偿和电压调节依然采用传统的调节方式，有载调压变压器、静电电容器等只能手动调节和投切，不能实现实时电压调节或无功补偿。
因此，实现实时无功补偿以保证电力系统电压的连续稳定性，是本文研究和探讨的主要方向。
第一章无功补偿的基本知识
1.1无功补偿的原理
电网输出的功率包括两部分：
一是有功功率，二是无功功率。
直接消耗电能能转变为机械能、热能、化学能或声能，利用这些能作功，这部分功率称为有功功率，是把电能转换为另一种形式的能，这种能作为电气设备能够作功的必备条件，并且，这种能是在电网中与电能进行周期性转换,这部分功率称为无功功率,如电磁元件建立磁场占用的电能,电容器建立电场所占的电能。
电流在电容元件中作功时，电流超前于电压90℃。
而电流在电感元件中作功时，电流滞后电压90℃。
在同一电路中，电感电流与电容电流方向相反，互差180℃。
如果在电磁元件电路中有比例地安装电容元件,使两者的电流相互抵消,使电流的矢量与电压矢量之间的夹角缩小,从而提高电能作功的能力,这就是无功补偿的道理。
1.2无功补偿的意义
（1）减少电力损失，一般工厂动力配线依据不同的线路及负荷情况，其电力损耗约2%--3%左右，使用电容提高功率因数后，总电流降低，可降低供电端与用电端的电力损失。
（2）改善供电品质，提高功率因数，减少负载总电流及电压降。
于变压器二次侧加装电容可改善功率因数提高二次侧电压。
（3）延长设备寿命。
改善功率因数后线路总电流减少，使接近或已经饱和的变压器、开关等机器设备和线路容量负荷降低，因此可以降低温升增加寿命（温度每降低10°C，寿命可延长1倍）
（4）最终满足电力系统对无功补偿的监测要求，消除因为功率因数过低而产生的罚款
1.3无功补偿的实现方法
一种是在电网上并联电容器，通过提高电网的功率因数达到减少线路电压损耗，提高供电设备利用率的目的；另外一种是在电网上并入同步电动机，通过改变同步电动机励磁电流的方法来改变电路负载特性。
其中前一种方法适用于居民、商业及小型工厂的低压供电系统，而后一种方法适用于大型工厂中的无功功率补偿。
1.4无功补偿的合理配置原则
从电力网无功功率消耗的基本状况可以看出，各级网络和输配电设备都要消耗一定数量的无功功率，尤以低压配电网所占比重最大。
为了最大限度地减少无功功率的传输损耗，提高输配电设备的效率，无功补偿设备的配置，应按照“分级补偿，就地平衡”的原则，合理布局。
（1）总体平衡与局部平衡相结合，以局部为主。
（2）电力部门补偿与用户补偿相结合。
在配电网络中，用户消耗的无功功率约占50%～60%，其余的无功功率消耗在配电网中。
因此，为了减少无功功率在网络中的输送，要尽可能地实现就地补偿，就地平衡，所以必须由电力部门和用户共同进行补偿。
（3）分散补偿与集中补偿相结合，以分散为主。
集中补偿，是在变电所集中装设较大容量的补偿电容器。
分散补偿，指在配电网络中分散的负荷区，如配电线路，配电变压器和用户的用电设备等进行的无功补偿集中补偿，主要是补偿主变压器本身的无功损耗，以及减少变电所以上输电线路的无功电力，从而降低供电网络的无功损耗。
但不能降低配电网络的无功损耗。
因为用户需要的无功通过变电所以下的配电线路向负荷端输送。
所以为了有效地降低线损，必须做到无功功率在哪里发生，就应在哪里补偿。
所以，中、低压配电网应以分散补偿为主。
（4）降损与调压相结合，以降损为主。
在实际应用中，由于电路特性是随时变化的，为了达到较好的补偿效果，就必须动态跟踪电路特性的变化，实时监测电路中U与I的相位差角，根据角的大小决定并联电容器的值。
基本的功率因数cosφ补偿电路如图1所示。
电路中的K1～Kn在自动动态补偿装置中可采用双向可控硅，在电路工作时，一般保证cosφ<0.95，避免电路出现谐振现象，损坏电网供电设备和用电器。
具体的方法是通过对电压U和电流I的相位检测来判断是否并入补偿电容器，并入几个这些都是通过控制装置自动完成的，这就是动态无功功率补偿装置的工作原理。
低压无功补偿一般要用到的元件：
①无功功率自动补偿控制器（ 根据电网无功功率是否达到无功设定值来控制电力电容器的投入和切除,并且有过,欠电压保护功能）②无触点可控硅模块或智能复合开关 ③电容器（内带放电电阻） ④熔断器⑤电流互感器⑥避雷器 ⑦开关 ⑧电抗器（对无触点开关起到过电流保护作用，容器过电流也起到抑制作用）另外,还装配监视用的电压表,电流表,功因数表和信号指示灯等。
第二章现有补偿装置存在的问题及解决方法
2.1存在的问题
上面所述的方法只局限于某一段电路，并没有从整个电为了弥补这一缺陷，就有必要对整个供电系统中的各段电路功率因数补偿装置进行集中调控，使整个系统处于协调工作状态。
由于现有的动态功率因数补偿装置还没有实现整网连调，所以，有必要增加动态功率因数补偿装置的数据通讯功能，将其工作状态及相关的电流、电压功率因数、工作温度、环境状态等参数发送到总调室，总调室中的主控微机则根据前端工作状态实时调整控制参数达到整网均衡运行的目的。
另外，在分析补偿过程中所提到的电容器，是按理想电容器来分析计算的，实际的电容器可等效为电阻R与电容器C并联电路，如图2所示，电路的矢量图如图3所示。
由矢量图可列
tg
=IR/IC=
;R=
式中：
tgδ———为介质损耗系数；δ———为介质损耗角
由式可见：
电阻R减小，电容器介质损耗增加，电容器发热，电解液易枯竭使电容量减小，补偿不足。
同时，电容器在密闭较严时易出现爆炸现象。
为及时发现并解决这一问题，也应对电容器的工作温度、电容量等参数进行检测，并将检测结果及时发送给控制终端，便于及时维修更换，避免事故的发生。
2.2解决的方法
对于功率因数补偿问题，多年来，人们一直在变压器输出端或工厂电力入口等前端上进行无功功率补偿，补偿方案如图4所示。
由图可见，前端补偿只补偿了10kV以上供电网的无功电流，400V低压输电网下端的无功电流并没有得到补偿，而现今居民和商业用电户，多采用节能型日光灯照明，电路功率因数低，且得不到补偿图5为了解决这一问题，有必要开发研制一种造价低、性能好的小型动态无功功率补偿装置（MTSC）。
将此装置安装于居民（或商业）用户的集中供电箱中，这样就构成了新的动态补偿控制方案。
第三章提高低压电网功率因数的无功补偿的方法
3.1影响功率因数的因素
由于无功的存在，将会对电网的功率因数产生较大的影响。
当有功功率P一定时，如减少无功功率Q，则功率因数便能够提高。
在极端情况下，当Q=0时，则其力率=1 影响功率因数的主要因素
（1）大量的电感性设备，如异步电动机、感应电炉、交流电焊机等设备是无功功率的主要消耗者。
据有关的统计，在工矿企业所消耗的全部无功功率中，异步电动机的无功消耗占了60％～70％；而在异步电动机空载时所消耗的无功又占到电动机总无功消耗的60％～70％。
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。
（2）变压器消耗的无功功率一般约为其额定容量的10％～15％，它的空载无功功率约为满载时的1/3。
因而，为了改善电力系统和企业的功率因数，变压器不应空载运行或长期处于低负载运行状态。
（3）供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响。
当供电电压高于额定值的10％时，由于磁路饱和的影响，无功功率将增长得很快，据有关资料统计，当供电电压为额定值的110％时，一般无功将增加35％左右。
当供电电压低于额定值时，无功功率也相应减少而使它们的功率因数有所提高。
但供电电压降低会影响电气设备的正常工作。
所以，应当采取措施使电力系统的供电电压尽可能保持稳定。
3.2随机补偿
随机补偿就是将低压电容器组与电动机并接，通过控制、保护装置与电机，同时投切。
随机补偿适用于补偿电动机的无功消耗，以补励磁无功为主，此种方式可较好地限制用电单位无功负荷。
随机补偿的优点是：
用电设备运行时，无功补偿投入，用电设备停运时，补偿设备也退出，而且不需频繁调整补偿容量。
具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活，维护简单、事故率低等。
3．3随器补偿
随器补偿是指将低压电容器通过低压保险接在配电变压器二次侧，以补偿配电变压器空载无功的补偿方式。
配变在轻载或空载时的无功负荷主要是变压器的空载励磁无功，配变空载无功是用电单位无功负荷的主要部分，对于轻负载的配变而言，这部分损耗占供电量的比例很大，从而导致电费单价的增加。
随器补偿的优点：
接线简单、维护管理方便、能有效地补偿配变空载无功，限制农网无功基荷，使该部分无功就地平衡，从而提高配变利用率，降低无功网损，具有较高的经济性，是目前补偿无功最有效的手段之一。
3.4跟踪补偿
跟踪补偿是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补偿在大用户0.4kv母线上的补偿方式。
适用于100kVA以上的专用配变用户，可以替代随机、随器两种补偿方式，补偿效果好。
跟踪补偿的优点是运行方式灵活，运行维护工作量小，比前两种补偿方式寿命相对延长、运行更可靠。
但缺点是控制保护装置复杂、首期投资相对较大。
但当这三种补偿方式的经济性接近时，应优先选用跟踪补偿方式。
第四章无功功率补偿容量的选择方法
无功补偿容量以提高功率因数为主要目的时，补偿容量的选择分两大类讨论，即单负荷就地补偿容量的选择（主要指电动机）和多负荷补偿容量的选择（指集中和局部分组补偿）。
4.1单负荷就地补偿容量的选择的几种方法
（1）美国资料推荐：
Qc=（1/3）Pe [额定容量的1/3]
（2）日本方法：
从电气计算日文杂志中查到：
1/4～1/2容量计算
考虑负载率及极对数等因素，按式（5）选取的补偿容量，在任何负载情况下都不会出现过补偿，而且功率因数可以补偿到0.90以上。
此法在节能技术上广泛应用，对一般情况都可行，特别适用于Io/Ie比值较高的电动机和负载率较低的电动机。
但是对于Io/Ie较低的电动机额定负载运行状态下，其补偿效果较差。
（3）经验系数法：
由于电机极数不同，按极数大小确定经验系数选择容量 比较接近实际需要的电容器，采用这种方法一般在70%负荷时，补后功率因数可在0.95~0.97 之间
经验系数表：
电机类型
一般电机
起重电机
冶金电机
极数
2
4
6
8
10
8
10
补偿容量
0．2
0.2～0.25
0.25～0.3
0.35～0.4
0.5
0.6
0.75
电机容量大时选下限，小时选上限 ；电压高时选下限，小时选上限
Qc=P[（1/COS2φ1-1）1/2-（1/COS2φ2-1）1/2]
实际测试比较准确方法此法适用于任何一般感性负荷需要精确补偿的就地补偿容量的计算。
（4）如果测试比较麻烦，可以按下式
Io-空载电流=2Ie（1-COSφe ） 瑞典电气公司推荐公式
Qo若电动机带额定负载运行，即负载率β=1,则：
Qo =0
根据电机学知识可知，对于Io/Ie较低的电动机（少极、大功率电动机），在较高的负载率β时吸收的无功功率Qβ与激励容量Qo的比值较高，即两者相差较大，在考虑导线较长，无功经济当量较高的大功率电动机以较高的负载率运行方式下，此式来选取是合理的。
（5）按电动机额定数据计算：
Q= k（1- cos2φe ）3UeIe×10-3 （kvar）
K为与电动机极数有关的一个系数
极数
2
4
6
8
10
K值
0．7
0．75
0．8
0．85
0．9
4.2多负荷补偿容量的选择
多负荷补偿容量的选择是根据补偿前后的功率因数来确定。
对已生产企业欲提高功率因数，其补偿容量Qc按下式选择：
Qe=KmKj（tgφ1-tgφ2）/Tm
式中：
Km为最大负荷月时有功功率消耗量，由有功电能表读得；Kj为补偿容量计算系数，可取0.8～0.9；Tm为企业的月工作小时数；tgφ1、tgφ2意义同前，tgφ1由有功和无功电能表读数求得。
对处于设计阶段的企业，无功补偿容量Qc按下式选择：
Qc=KnPn（tgφ1-tgφ2）
式中Kn为年平均有功负荷系数，一般取0.7～0.75；Pn为企业有功功率之和；tgφ1、tgφ2意义同前。
tgφ1可根据企业负荷性质查手册近似取值，也可用加权平均功率因数求得cosφ1。
多负荷的集中补偿电容器安装简单，运行可靠、利用率较高。
但电气设备不连续运转或轻负荷运行时，会造成过补偿，使运行电压抬高，电压质量变坏。
因此这种方法选择的容量，对于低压来说最好采用电容器组自动控制补偿，即根据负荷大小自动投入无功补偿容量的多少，对高压来说应考虑采取防过补偿措施。
第五章无功补偿的效益
在现代用电企业中，在数量众多、容量大小不等的感性设备连接于电力系统中，以致电网传输功率除有功功率外，还需无功功率。
如自然平均功率因数在0.70～0.85之间。
企业消耗电网的无功功率约占消耗有功功率的60%～90%,如果把功率因数提高到0.95左右，则无功消耗只占有功消耗的30%左右。
由于减少了电网无功功率的输入，会给用电企业带来效益。
5.1节省企业电费开支
提高功率因数对企业的直接经济效益是明显的，因为国家电价制度中，从合理利用有限电能出发，对不同企业的功率因数规定了要求达到的不同数值，低于规定的数值，需要多收电费，高于规定数值，可相应地减少电费。
可见，提高功率因数对企业有着重要的经济意义。
5.2提高设备的利用率
对于原有供电设备来讲，在同样有功功率下，因功率因数的提高，负荷电流减少，因此向负荷传送功率所经过的变压器、开关和导线等供配电设备都增加了功率储备，从而满足了负荷增长的需要；如果原网络已趋于过载，由于功率因数的提高，输送无功电流的减少，使系统不致于过载运行，从而发挥原有设备的潜力；对尚处于设计阶段的新建企业来说则能降低设备容量，减少投资费用，在一定条件下，改善后的功率因数可以使所选变压器容量降低。
因此，使用无功补偿不但减少初次投资费用，而且减少了运行后的基本电费。
5.3降低系统的能耗
补偿前后线路传送的有功功率不变，P= IUCOSφ，由于COSφ提高，补偿后的电压U2稍大于补偿前电压U1,为分析问题方便，可认为U2≈U1从而导出I1COSφ1=I2COSφ2。
即:
I1/I2= COSφ2/ COSφ1,这样线损 P减少的百分数为：
ΔP%= （1-I22/I12）×100%=（1- COS2φ1（COS2φ2）1/2 ）× 100%
当功率因数从0.70～0.85提高到0.95时，由
（2）式可求得有功损耗将降低20%～45%
5.4改善电压质量
以线路末端只有一个集中负荷为例，假设线路电阻和电抗为R、X,有功和无功为P、Q,则电压损失ΔU为：
△U=（PR+QX）/Ue×10-3（KV） 两部分损失：
PR/ Ue→输送有功负荷P产生的；QX/Ue→输送无功负荷Q产生的；
配电线路：
X=（2～4）R，△U大部分为输送无功负荷Q产生的
变压器：
X=（5～10）R QX/Ue=（5～10） PR/ Ue 变压器△U几乎全为输送无功负荷Q产生的
可以看出，若减少无功功率Q,则有利于线路末端电压的稳定，有利于大电动机的起动。
因此，无功补偿能改善电压质量（一般电压稳定不宜超过3%）。
但是如果只追求改善电压质量来装设电容器是很不经济的，对于无功补偿应用的主要目的是改善功率因数，减少线损，调压只是一个辅助作用。
三相异步电动机通过就地补偿后，由于电流的下降，功率因数的提高，从而增加了变压器的容量，计算公式如下
△S=P/ COSφ1×[（ COSφ 2/ COSφ1）-1]
如一台额定功率为155KW水泵的电机，补前功率因数为0.857，补偿后功率因数为0.967，根据上面公式计算其增容量为：
（155÷0.857） ×[（0.967 ÷0.857）-1]=24KVA
第六章应用实例
烟台市能源监测中心于2003年4月24、29、30日对烟台氨纶股份有限公司B区制冷机、空压机电机进行了电机补偿装置的安装调试，从安装后测试结果看，平均降低电流22-51（A），电机功率因数提高到0.98，（见测试结果对比表），减少了公司内部低压电网的消耗，从而达到了节电的目的。
压缩机类型
型号
安装前
安装后
电流降低值
制冷压缩机
LM1-250MA1
0．86
0．98
51
制冷压缩机
2DLGS-K2
0．89
0．986
49
制冷压缩机
2DLGS-K2
0．89
0．98
48
空气压缩机
20S-200A
0．87
0．98
38
空气压缩机
20S-200A
0．86
0．978
36
空气压缩机
20S-200A
0．87
0．982
40
空气压缩机
60A-160
0．88
0．98
46
（1）由于电流减少，变压器的铜损及公司内部的低压损耗都降低。
配电系统电流下降率△Ｉ％＝（1－0.87/0.98）×100％＝11％；
配电系统损耗下降率 △Ｐ％＝（1-0.872/0.982）×100％＝21％
（2）该公司B区制冷机、空压机电动机补偿的总容量为780千乏，电流平均总下降518（A）依据GB/T12497-1997中计算公式，安装电动机补偿装置后，年可节电量＝补偿容量×无功经济当量×年运行时间＝780×0.04×24×300＝224640kWh，节约价值11.2万元，补偿投资费用（包括设备的购置、安装及现场调试）为：
6.24万元（80元/千乏） 。
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