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电网无功培训本科毕业设计论文

电网经济运行基本概论

一、前言

电力是一种使用方便的优质二次能源，广泛应用于国计民生各个领域，当今世界“能源的发展是以电力为中心”。

根据有关资料的估算：

从发电到供电，一直到用电的过程—广义电力系统中的各种电气设备（包括发电机、变压器、电力线路、电动机等）全部的电能消耗约占发电量的28％～33％。

这对全国来说一年就有3178～3746亿kW·h的电能损耗在运行的电气设备中，相当于10个中等用电量省的用电量之和。

这说明节电潜力非常之大。

在新世纪中为保证国民经济高速稳定的发展，寻求一条不用物资投资，依靠高新技术就能节电的途径具有重大意义。

电网经济运行就是不用物资投资取得明显节电效果的一项内涵节电技术。

电网经济运行一是把变压器经济运行节电技术形成一个系统工程，并按系统工程方法对变压器经济运行节电技术进行优化排序；二是把变压器经济运行领域扩充到变压器及其供电线路经济运行，变电所及其供电网经济运行，也就是说扩展到输电网经济运行（三绕组变压器及其供电系统）和配电网经济运行（双绕组变压器及其供电系统）。

变压器在整个电力系统中是一种应用广泛的电气设备，一般说来，从发电、供电一直到用电，需要经过3～5次的变压过程，其自身要产生有功功率损失和无功功率消耗。

由于变压器台数多，总容量大，所以在广义电力系统（包括发、供、用电）运行中，变压器总的电能损失占发电量的10％左右。

这对全国来说，意味着全年变压器总的电能损失为1100亿kW·h以上，相当于3个中等用电量省的用电量之和。

变压器经济运行是在损失电能的1100亿kW·h以上电能中去挖掘节电潜力；电网经济运行则是在损失的3178～3746亿kW·h电能中挖掘节电潜力。

二、电网经济运行的概念与特点

 1.电网经济运行的基本内涵

电网经济运行是在保证区域电网（110kV以上）和地区电网（110kV以下的城区网、农网和企业网）的安全运行和在满足供电量和保证供电质量的基础上，充分利用电网中现有输（配）变电设备，通过优选变压器及电力线路经济运行方式和负载的经济调配及变压器与供电线路运行位置的优化组合等技术措施，从而最大限度地降低变压器与供电线路的有功损耗和无功消耗。

2.变压器经济运行的基本内涵

变压器经济运行是在确保变压器安全运行及满足供电量和保证供电质量的基础上，充分利用现有设备；通过择优选取变压器最佳运行方式、负载调整的优化；变压器运行位置最佳组合以及改善变压器运行条件等技术措施，从而最大限度地降低变压器的电能损失和提高其电源侧的功率因数，所以变压器经济运行的实质就是变压器节电运行。

变压器经济运行节电技术是把变压器经济运行的优化理论及定量化的计算方法与变压器各种实际运行工况密切结合的一项应用技术，该项节电技术不用投资，在某些情况下还能节约投资（节约电容器投资和减少变压器投资）。

所以，变压器经济运行节电技术属于知识经济范畴，是向智力挖潜、向管理挖潜实施内涵节电的一种科学方法。

3.电网经济调度

电网经济调度是以电网安全运行调度为基础，以降低电网线损为目标的调度方式。

由于电网经济调度是属于知识密集和技术密集型领域，所以电网经济调度是按电网经济运行的科学理论，根据电网经济运行方式软件和经济调度软件定量计算的结果，全面实施电网经济运行的调度方式。

4.电网改造节电技术

电网改造节电技术是在不增加电网改造投资和充分利用现有电网改造资金的基础上，在提高电网供电容量和保证供电质量的前提下，运用20余种优化定量计算新技术降低城乡电网的线损，如老旧变压器淘汰中要劣中汰劣，新型变压器选型中要优中选优，既要根据城网和农网负载分布的特点，调整变压器运行位置与供电线路实现优化组合，又要根据电网中变压器与供电线路的分布状况，优化负载经济分配和电网经济运行方式。

由于电网的线损主要是由变压器损耗与电力线路损耗所组成，所以电网改造的节电降耗，也就是对电网中的所有变压器和电力线路进行择优选择和优化组合，组建成“安全经济型电网”。

因此，在电网运行中变压器及其供电系统经济运行也是电网改造节电技术的基础和实施目标。

无功电压技术部分

一、无功补偿基础知识

（一）功率、功率因数

1.有功功率：

在直流电路中，从电源输送到电器（负载）的电功率，是电压与电流的乘积，也就是电器实际所吸收的功率。

在交流电路中，由于有电阻和电抗（感抗和容抗）的同时存在，所以电源输送到电器的电功率并不完全做功。

因为其中有一部分电功率（电感和电容所储的电能）仍能回输到电源，因此，实际为电器所吸收的电功率叫有功功率。

用字母P表示。

国际单位瓦，用字母W表示。

通常有功功率的单位用千瓦，用字母kW表示。

2.无功功率：

电感和电容所储的电能仍能回输到电源，这部分功率在电源与电抗之间进行交换，交换而不消耗，称为无功功率。

用字母Q表示，国际单位乏，用字母var表示。

通常无功功率的单位用千乏，用字母kvar表示。

3.视在功率：

在交流电路中，如负载是纯电阻，电压和电流是同相位，那么电压和电流的乘积就是有功功率，但在有电感或电容的电路中，电压和电流有着相位差，所以电压和电流的乘积并不是负载电路实际吸收的电功率，而叫做视在功率。

用字母S表示，国际单位伏安，用字母VA表示。

通常视在功率的单位用千伏安，用字母kVA表示。

4.功率因数：

有功功率与视在功率的比值。

用cos表示，它是没有单位的。

cos=P/S

5.功率三角形：

有功功率、无功功率、视在功率三者之间的关系符合勾股定理。

如图

单相电路中：

S=UI；P=UIcos；Q=UIsin；

三相电路中：

S=3UI；P=3UIcos；Q=3UIsin；

6.用户功率因数的计算方法

⑴电量计算：

在一定时间内（如三天或一周）取用户有功电量和无功电量。

功率因数cos=有功电量/（有功电量2+无功电量2）1/2

⑵转数（老式电度表）：

在同样的时间内计量有功表、无功表所转圈数。

根据无功表和有功表所转圈数比计算出功率因数。

⑶脉冲（新式电度表）：

在同样的时间内计量无功和有功的脉冲数。

根据无功表和有功表脉冲比计算出功率因数。

根据无功和有功之比计算功率因数

无功比有功

功率因数

无功比有功

功率因数

无功比有功

功率因数

1:

10

0.995

1:

2

0.894

2.6:

1

0.36

1:

9

0.9938

1:

1.9

0.8849

2.7:

1

0.35

1:

8

0.9922

1:

1.8

0.8742

2.8:

1

0.34

1:

7

0.9899

1:

1.7

0.8619

2.9:

1

0.33

1:

6

0.9864

1:

1.6

0.8480

3:

1

0.32

1:

5

0.980

1:

1.5

0.8321

3.1:

1

0.31

1:

4

0.970

1:

1.4

0.8137

3.2:

1

0.30

1:

3.9

0.9686

1:

1.3

0.7926

3.3:

1

0.29

1:

3.8

0.9671

1:

1.2

0.7682

3.4:

1

0.28

1:

3.7

0.9653

1:

1.1

0.7399

3.5:

1

0.27

1:

3.6

0.9635

1:

1

0.707

3.6:

1

0.2676

1:

3.5

0.9615

1.1:

1

0.6727

3.7:

1

0.261

1:

3.4

0.9594

1.2:

1

0.6402

3.8:

1

0.255

1:

3.3

0.9570

1.3:

1

0.6097

3.9:

1

0.248

1:

3.2

0.9545

1.4:

1

0.58

4:

1

0.243

1:

3.1

0.9517

1.5:

1

0.55

4.1:

1

0.237

1:

3

0.948

1.6:

1

0.53

4.2:

1

0.232

1:

2.9

0.9453

1.7:

1

0.51

4.3:

1

0.227

1:

2.8

0.9417

1.8:

1

0.49

4.4:

1

0.222

1:

2.7

0.9377

1.9:

1

0.47

4.5:

1

0.217

1:

2.6

0.9333

2:

1

0.45

4.6:

1

0.212

1:

2.5

0.9285

2.1:

1

0.43

4.7:

1

0.208

1:

2.4

0.9231

2.2:

1

0.41

4.8:

1

0.204

1:

2.3

0.9170

2.3:

1

0.40

4.9:

1

0.200

1:

2.2

0.9104

2.4:

1

0.38

5:

1

0.196

1:

2.1

0.9029

2.5:

1

0.37

（二）提高功率因数的意义

1．由功率三角形可以看出，在一定的有功功率下，当用电企业cos越小，其视在功率也越大，为满足用电的需要，供电线路和变压器的容量也越大，这样，不仅增加供电投资，降低设备利用率，也将增加线路网损。

2．负载的功率因数低，对电力系统不利。

⑴负载的功率因数过低，供电设备的容量不能充分利用。

例如：

一台容量为60kVA的单相变压器，设它在额定电压，额定电流下运行，在负载的功率因数等于1时，它传输的有功功率P=60×cos=60kW，它的容量得到充分利用，负载的cos=0.8时，它传输的有功功率降低为48kW，容量的利用较差，cos越小，容量利用的越不充分。

⑵在一定的电压下向负载输送一定的有功功率时，负载的功率因数越低，通过输电线的电流越大，导线电阻的能量损耗和导线阻抗的电压降落越大，功率因数是电力经济中的一个重要指标。

3．全国供用电规则规定：

在电网高峰负荷时，用户的功率因数应达到的标准：

高压用电的工业用户和高压用电装有带负荷调整电压装置的电力用户，功率因数为0.9以上；其它100kVA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；农业用电功率因数为0.80以上。

凡功率因数达不到上述规定的用户，供电部门会在其用户使用电费的基础上按一定比例对其进行罚款（力率电费），要提高企业的用电功率因数，必须进行无功补偿，并做到随其负荷和电压的变动及时投入或切除，防止无功电力倒送。

全国供用电规则规定：

无功电力应就地平衡.

（三）无功功率补偿的基本原理

把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，当容性负荷释放能量时，感性负荷吸收能量；而感性负荷释放能量时，容性负荷却在吸收能量。

能量在两种负荷之间交换。

这样感性负荷所需要的无功功率可从容性负荷输出的无功功率中得到补偿，这就是无功功率补偿的基本原理。

1.什么是电网的无功平衡？

电网所谓无功平衡就是指在电网运行的每一个时刻，电网中各无功电源所发出的无功功率要等于电网中各个环节上的无功功率损耗和用户所消耗的无功功率（即无功负荷）之和。

无功功率平衡直接关系到电网的运行电压水平，电网的无功功率平衡是维持电网电压水平的首要条件，电网无功电源的配置与电网调压措施的实施是一密不可分的整体，二者相辅相成。

当电网无功电源充足时，电网运行电压就高，当电网无功电源不足时，电网运行电压就低，因此各级调度、运行值班人员必须加强对管辖范围内的各级运行电压的监视和调整工作。

2.电网中为什么需要进行无功补偿？

由于电网中的负荷大部分均为感性负荷，再加上电网中的各级变压器和线路也为感性，因此电网需要的无功功率就要比有功功率大得多，若假设电网的综合发电负荷为100％，那么电网的无功总需求就大约是130％～150％。

电网中发电机的功率因数一般都大于0.8，这样仅靠发电机所发的无功就无法满足电网和电网负荷的总无功需求；同时无功远距离传输，由于变压器和输电线路电抗和电阻的存在，不但要产生无功损耗，而且还会带来不必要的有功损耗，同时由于输电网络的电抗较大，无功的远距离传输，不但会产生较大的无功损耗，而且会造成过大的电压降，这就使无功的远距离传输几乎不能实现，为此电网必须进行无功补偿。

3.什么是无功补偿的分层分区和就地平衡原则？

目的是什么？

无功补偿设备配置应贯彻执行分层分区和就地平衡的原则。

所谓分层，是指主要承担有功功率传输的220～750KV电网，应尽量保持各电压层间的无功功率平衡，减少各电压层间的无功功率串动；所谓分区，是指110KV及以下的供电电网，应实现无功功率分区和就地平衡。

分层分区和就地平衡都是为了达到减少无功传输产生的大量功率损耗为目的。

（四）无功功率补偿的方法

无功功率补偿的方法很多，采用电力电容器或采用具有容性负荷的装置进行补偿。

1．发电机：

是电网中最基本的无功功率电源。

一般可通过改变进入转子回路的励磁电流来实现对发电机输出无功功率的平滑调整，既可以发出无功，又可以吸收无功，是电网中最基本的，也是最好的无功调整电源。

2.并联电抗器：

是吸收无功功率的设备。

在超高压电网中得到广泛应用，它们一般都是直接接到超高压线路或母线，或经主变三次侧或较低电压母线两种接线设置方式接入电网。

另外还又串联电抗器，主要用于串联在电容器组前限制高次谐波或限流。

3.同步调相机：

是一种专门设计的无功功率电源，是不带机械负载的同步电动机，一般装设在电网的负荷区，这样可以减少因传输无功功率而引起输电电网的能量损耗和电压降落。

正常运行时，它从电网吸收少量有功功率供给其运行时的铜耗、铁耗和机械损耗等，并根据电网电压要求调节其无功功率的方向和大小，调节性能不错。

但其运行维护费用大，动态调节响应慢，增加电网短路容量等，处于被淘汰的状态。

4.静止补偿器（SVC）：

它是由并联电容器和并联电抗器等无功元件组成的，可快速响应的无功补偿设备

5.并联电容器：

是应用最广泛的无功补偿设备，只能发出无功功率，提高电压，而不能吸收无功功率，降低电压。

其补偿调压是通过在负荷侧安装并联电容器来提高负荷的功率因数，以减少通过输电线路上的无功功率来达到调压目的。

调压只能根据负荷变化而分组投切，调压是阶梯形的。

同时当母线电压下降，并联电容器供给电网的无功功率减少，尤其是在电网发生故障或其他原因使电压下降时，电容器无功输出的减少将导致电压进一步下降，不符合调压要求，因此其无功功率调节性能相对较差。

安装电容器进行无功功率补偿时，可采取集中、分散或个别补偿三种形式。

⑴个别补偿:

个别补偿是对单台用电设备所需无功就近补偿的办法，把电容器直接接到单台用电设备的同一个电气回路，用同一台开关控制，同时投运或断开。

这种补偿方法的效果最好，电容器靠近用电设备，就地平衡无功电流，可避免无负荷时的过补偿，使电压质量得到保证。

个别补偿一般常用于容量较大的高低压电动机等用电设备。

但这种方法在用电设备非连续运转时，电容器利用率低，不能充分发挥其补偿效益。

⑵分散补偿：

将电容器组分组安装在车间配电室或变电所各分路的出线上，它可与工厂部分负荷的变动同时投入或切除。

这种补偿方法效果也较好。

⑶集中补偿：

把电容器组集中安装在变电所的一次或二次侧的母线上，这种补偿方法，安装简便，运行可靠，利用率较高。

（五）并联电容器提高功率因数的原理

交流电路中，纯电阻电路负载中的电流IR与电压U同相位，纯电感负载中的电流IL滞后电压90°。

而纯电容的电流IC则超前于电压90°。

可见，电容中的电流与电感中的电流相差180°能够互相抵消。

电力系统中的负载，大部分是感性的，因此总电流I将滞后于电压于一个角度。

如果将并联电容器与负载并联，则电容器的电流IC将抵消一部分电感电流，从而使电感电流IL减小到IL‘，总电流从I减少到I‘，功率因数将由cos1提高到cos2，这就是并联补偿的原理。

见下图。

（六）并联电容器在电力系统中的作用

采用并联电容器进行无功补偿主要作用是：

1.补偿无功功率，提高功率因数

系统中大部分为感性负载，为使其正常运行，必须供应它们建立磁场所须的能量，这就出现了电源与负载之间的能量交换，表现为电源要向负载供应无功功率，如对感性负载并联容性设备，让它们之间就地进行一部分能量交换，便能减少电源与负载之间的能量交换。

减少电源供应的无功功率，从而提高了功率因数。

2.增加电网的传输能力，提高设备利用率

若P1和P2分别为补偿前、后的有功功率的出力，cos1和cos2分别为补偿前、后的功率因数，则：

△P=P2-P1=S（cos2-cos1）为补偿后的有功功率的出力增量。

可见，在视在功率S不变的前提下，线路传输的功率的出力将有所增加，其增加值为△P：

cos1

0.7

0.7

0.7

0.7

cos2

0.95

0.97

0.98

1

△P%

36%

39%

40%

43%

3.降低线路损失和变压器有功损失

安装无功补偿装置后功率因数提高，线路电流会下降，线路损耗降低，变压器的有功损失也会降低。

对于高压计量的用户，在低压侧安装无功补偿装置，可降低安装点与计量点间的线损，其线损降低量与安装点的位置有关。

如下图，C为高压集中补偿装置，C1、C2为低压集中补偿装置，C3、C4为单独就地补偿装置，M为交流电动机。

安装低压集中补偿装置C1，降低的线损为A、D间，但线损要分段计算，分A、C段的线损与C、D段的线损，因为这两段流过的电流是不同的。

安装低压集中补偿装置C2，降低的线损为A、B间的。

安装单独就地补偿装置C3、C4，降低的线损也要分段计算。

如果安装高压补偿电容器，降低的线损为计量点之前的，这部线损不在用户的范围内。

对于低压计量的用户，计量点虽然在变压器的二次侧，但供电公司考核时以变压器一次侧的考核点为准。

如下图，同样补偿装置安装在不同的位置降低的线损也是不同的。

由以上两图可以看出：

单独就地补偿的效果最好，但补偿点分散，不便于维护。

安装补偿装置后，可以降低安装点前变压器的有功损失，所以低压补偿对降低变压器的有功损失效果最好。

变压器的有功损失包括铁损和铜损两部分，铁损与一次侧电压的平方成正比，一次侧电压基本不变，所以铁损可认为是不变的有功损失；铜损与二次侧电流的平方成正比，二次侧电流是随负载变化的，所以铜损可认为是可变的有功损失。

线损节电量

变压器铜损节电量

线损降低率

变压器铜损降低率

线损降低率与变压器铜损降低率是相同的。

用电企业的自然功率因数一般在0.7左右,功率因数从0.7提高到0.95以上线损降低率和变压器的铜损降低率如下表:

cos1

0.7

0.7

0.7

0.7

cos2

0.95

0.97

0.98

1

线损降低率

46%

48%

49%

51%

变压器的铜损降低率

46%

48%

49%

51%

其中：

R——线路电阻,Ω

P——线路传输的有功功率，kW

T——设备运行时间，h

UL——线路线电压，kV

cos1、cos2——补偿前、后的功率因数

K——负荷系数（一班制3.6；二班制1.8；三班制1.2）

PK——变压器铜损，kW

T1——变压器运行时间，h

A——用户变压器二次侧有功用电量

S——变压器额定容量，kVA

4.减少设备容量

在保证有功负荷P不变的条件下，增加无功补偿时，可以减少设备容量。

这是因为

当功率因数提高后,在输送同样的有功功率的情况下,上式的△S是负值,即可以减少视在功率。

5.改善电压质量

在线路中电压损失△U的计算如下：

（七）电网无功补偿的原则

⑴对750（330）kV及以上网络，由于线路输送功率均小于自然功率，线路呈现容性，因此在750kV网络中，除变压器能消耗一部分容性无功外，整体上无功过剩，除发电机需高功率因数必要时进相运行外，电网应以配置感性无功补偿设备为主，如电抗器。

⑵对以架空线为主的220kV网络，由于线路输送功率均接近和等于有时甚至大于自然功率，线路随输送负荷的不同而呈现容性或感性，加上变压器为感性元件，因此对网架不强的220kV网络，一般大部分时间均呈感性，电网应以容性补偿为主。

而对网架较强且峰谷差较大的220kV网络，则电网在高峰负荷时由于线路输送负荷和变压器通过潮流较大，线路和变压器消耗无功都比较多，网络呈现感性，此时应以容性无功补偿（如电容器）为主，尤其在远离电源点的变电站；而在低谷负荷时，则由于线路输送负荷和变压器通过潮流较小，此时网络呈现容性，但由于电力负荷一般均为感性，只要调整发电机高功率因数运行，将220kV电压偏高（因为220kV侧往往是电源侧）变电站的电容器退出，必要时控制220kV下网功率因数不高于0.9，一般均可解决；而对冲击性负荷较大的电网，如轧钢负荷，为减少冲击负荷使电网电压造成过大的波动，在冲击负荷附近应配置静止补偿器。

⑶对110kV及以下电网，由于线路输送负荷一般均大于自然功率，呈现感性，再加上变压器和负荷的感性特点，无论从调压还是降损考虑，均应以容性无功补偿为主，尤其远离电源点的变电站和大用户，应在变电站集中装设容量较大的电容器进行集中补偿，无功补偿设备容量可按主变压器容量的10％～30％确定，并在主变压器最大负荷时，其二次侧的功率因数不小于下表中所示数值，或由电网供给的无功功率与有功功率比值不大于下表中所示数值。

表：

最大负荷时无功补偿按功率因数或无功功率与有功功率比值的配置

电压等级（kV）

220

35～110

功率因数

0.95～1.0

0.9～1.0

无功功率/有功功率

0.33～0

0.48～0

注：

1.由发电厂直接供电的变电站，当供电线路较短时，功率因数可取表中较低值，其他应取较高值。

2.若通过技术经济比较合理时，功率因数可高于表中的上限值。

⑷为了提高10（6）kV配电线路的功率因数，宜优先在配电变压器低压电网配置带自动投切装置的并联电容器，无功补偿总容量一般为配电变压器容量的10％～20％；对配电网中分散的负荷区（如配电线、配电变压器及用户的用电设备等）也可采用分散补偿。

⑸分散补偿包括分组补偿和就地补偿，是在集中补偿不能保证电压质量的条件下采用。

分组补偿一般结合降低线路有功损耗用于单电源的长辐射线路或对电压要求较高的用户变电所或变压器，主要用于城网和农网等35kV以下网络；就地补偿是针对用户用电设备如电动机等进行的与设备一同运行的补偿，分散补偿从调压和节能角度考虑，一般均以并联电容器补偿为主。

（八）低压无功补偿的几种方式

低压无功补偿是指在配电变压器低压400（380）伏网络中安装补偿装置，包括随机补偿、随器补偿、跟踪补偿几种方式。

随机补偿：

随机补偿就是将低压电容器经过熔断器与电动机并接，通过控制，保护装置与电动机同时投切。

（原理及注意事项）

随器补偿：

随器补偿是将低压电容器经过熔断器固定接在配电变压器低压侧，以补偿变压器的励磁及漏磁无功损耗。

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，将低压电容器组并接在大用户400伏母线上。

这种补偿方式，相当于随器补偿的作用。

另选几组低压电容器作为手动或自动投切，随时补偿400伏网络中变动的无功负荷。

（总结：

固定+变动）

（九）农网无功浅析

1.农网无功负荷浅析

在我们现有10千伏送电系统中，往往是一条线路接有几台或十几台甚至二、三十台容量大小不等的配电变压器。

由于用户分散，变压器容量又很小，75千伏安以下的变压器占70%以上，而且多数变压器每天有近15个小时接近空载运行，少数在额定容量的20%～40%之间运行，每逢栽插或收割季节，会出现无功不平衡。

在上述网络状态下，原有农网用户中，10千伏线路送出端或配电，变压器用户均没有配置补偿装置，致使10千伏送出端功率因数cos值很低。

其主要原因是众多的