基于节能降损的工程施工用电无功补偿

王纯高

(中国葛洲坝集团公司,湖北 宜昌 443002)

0 引言

以水电站枢纽工程为例,主体施工阶段用电量比较大.作为现代能源的主导,水利水电行业、长期经营发展的企业也需要及时转变观念,在节能降耗上应加大投入.近几年来,其工程施工用电无功补偿技术正在积极地推广应用.

水电站枢纽工程一般由挡水建筑物、泄水建筑物、进水建筑物、引水建筑物、平水建筑物、厂房枢纽建筑物等组成.每一建筑工程从地面附着物拆除、路面平整、测量放线、场地围墙搭设、基坑开挖、地基处理、基础、主体施工、装饰装修、设备安装、试车到整体工程竣工、交付业主验收过程中的用电均称为工程施工用电.

目前,我国已开工的大型水电站基本上都处在西部经济不发达的山区,交通不便.自然环境恶劣,极端气候时有发生.与日常农村供电系统和城市供电系统相比,有以下几个方面的特点.

1)供、用电设备临时性多,永久性的少,线路变更频繁.

2)网架结构简单,线路支点多.

3)负荷性质重要,供电质量、可靠性要求高.

4)负荷变化幅度大.

5)动力设备占绝大多数,均为感性负荷,功率因数偏低.

6)负荷分散,线路和设备故障率高.

工程施工现场大量使用电动机负荷(cosΦ≈0.8)和电焊机负荷(cosΦ≈0.4),同时施工现场变压器经常在负载率不足50%状态下工作,这几种主要因素导致施工现场总的功率因数长期处在0.7左右.由于功率因数过低,输配电系统线路传输电流增加,各供配电设备容量得不到充分利用,限制了供电能力[1].诸如感应电动机、电力变压器、电焊机等这些设备不仅需要从电力系统吸收有功功率还要吸收无功功率以产生这些设备正常工作所必需的交变磁场.然而在输送有功功率一定的情况下无功功率增大就会降低供电系统的功率因数.因此功率因数是衡量企业供电系统电能利用程度及电气设备使用状况的一个具有代表性的重要指标.从节约能源,提高输配电系统的利用率,改善供电质量等方面考虑,需要进行无功补偿.对其进行无功补偿既有其必要性,又有其特殊性.

1 无功补偿

功率因数cosφ是工程施工用电的一个重要技术指标,是电压与电流之间的相位差φ的余弦,在数值上,是有功功率和视在功率的比值:cosφ=P/S.

工程施工用电不但有功功率要平衡,无功功率也要平衡.有功功率、无功功率、视在功率之间的关系,如图1所示.其关系式为:

式中:P为有功功率;Q为无功功率;S为视在功率.

由图1可以看出,在一定的有功功率下,施工用电功率因数cosφ越小,则所需的无功功率越大,为满足用电的要求,供电线路和变压器的容量需增大,从而造成施工用电量大大增加.因此,提高施工用电功率因数十分必要.

图1 功率三角形

施工用电的自然功率因数往往小于0.85,而自然功率因数与用电设备的性能密切相关,因此除了要求一些设备制造厂要充分利用先进技术外,工地现场也应采取恰当选择异步电机,防止"大马拉小车",减少电动机无功消耗,或采用同步电动机代替;合理配置变压器容量,避免变压器空载运行;调整生产工艺流程,均衡用电负荷,改善用电设备的运行状况;优化配电线路布局,统筹规划施工用电等,通过对电动机、变压器、电缆及架空线几何间距的合理选择与控制方法来提高自然功率因数.

鉴于提高自然功率因数的方法在工程施工用电中所起的作用是有限的,因而近些年来人工补偿无功功率的方法正在积极地推广应用.一般是安装无功功率补偿设备,其基本原理是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,使感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率得到补偿,以防止无功倒送[2].

无功补偿是电力部门和用户单位共同关注的问题.根据供用电规则,无功电力应就地平衡,应在提高用电自然功率因数的基础上,设计和装置无功补偿设备,只要运行利用的好,功率因数达到0.95以上是可以做到的.但是由于工程施工现场配电变压器的数量较多、安装地点分散,补偿工程的投资较大,运行维护工作量大,加装补偿装置表面上增加了建设成本.事实上,如果在电网某处可补,其补偿装置的容量小于或等于临界补偿容量时,就能获得补偿效益,并且保证补偿装置的投资在规定的抵偿年限内收回.经理论计算和实测表明,一次性投资,约1年左右就可回收.尽管工程施工用电的补偿装置一般使用在户外,环境差,还存在装置本身的可靠性问题.但是毕竟补偿装置无转动部分,具有运行安全、使用方便、在本次工程完工后可周转使用于下一工程等优点.这就是无功补偿的潜质所在.

2 无功补偿方法

2.1 无功补偿方式的分类

按无功补偿的方式及适用场合分类,无功补偿技术主要有:变电站集中补偿、低压集中补偿、杆上线路补偿和用户终端分散补偿等方式[3].配电网系统各种无功补偿方式,如图2所示.

图2 配电网系统各种无功补偿方式示意图

变电站(10 kV)集中补偿方式是供电部门采用较多的方式之一,这里不再探讨.而对工程施工用电而言,通常结合工程施工用电的特点,在电压过低和负荷集中的地方为具体布点.方式二与方式三、四对比具有突出的优点:方式二(低压集中补偿)具有安装方便、建设周期短、单位造价低、自身电能损耗小、运行维护简便、搬迁方便等优点.方式三(杆上线路补偿)也有单位投资小,设备利用率很高等优势,在低压电网的补偿中也会逐步应用起来.当然,如果对用电设备采用个别补偿、分组补偿的终端补偿方式能够达到要求的话,方式四(用户终端分散补偿)也是个不错的选择,它能够很好的提高功率因数和电网品质,增加电力变压器容量和降低损耗,改善电压质量的效果最好,只是单位投资费用较大,不便于统一管理.显然就地补偿方式具有广阔的发展前景,而就工程施工工地环境来讲,后两种补偿方式有其明显的缺点.

根据分类的内涵不同,无功补偿的方法诸多,如手动补偿、自动补偿、随机补偿、跟踪补偿;集中补偿、就地补偿、分散补偿、随器补偿等.当前,工程施工用电广泛采用(0.4 kV)并联电容器组自动跟踪、就地集中的方法作为无功补偿.

2.2 无功补偿方式的选择

工程施工用电负荷不是一成不变的,由于无功负荷变化剧烈,使得无功补偿容量也要相应变化.因为单纯用人工操作投切并联静止电容器,显然是不能很好地抵消电感负荷的无功功率的.一般将补偿电容以电压为约束条件,根据无功功率(或无功电流)进行分组,通过配置微机调节控制装置、跟踪负荷波动依据所采集取样的信号,自动及时地对电容器组实现投切无功功率补充容量[4].

方式二也就是在配电变压器(0.4 kV)总配电箱低压母线处进行集中补偿,配电变低压补偿是目前工程施工用电应用最普遍的补偿方法.由于用户的日负荷变化大,通常采用微机控制、跟踪负荷波动分组投切电容器补偿.工程施工用电无功补偿选择方式二的效果,目的是提高专用变用户功率因数,实现无功的就地平衡,降低配电网损耗和改善用户电压质量.配变低压无功补偿的优点是补偿后功率因数高、降损节能效果好.补偿容量在几十至几百千乏之间.低压并联电容集中自动无功补偿单线原理图和程序流程图,分别见图3和图4.虽然这样从总配电箱到各用电设备间的配电线路没有补偿,达不到其它补偿方式的效果,但就节省用电费用这一项来,已足以满足节约建设成本的要求,对用电量巨大的工程,有极为可观的投资回报率.

图3 低压无功补偿原理单线图

图4 低压无功补偿程序流程图

配变低压无功补偿的优点是补偿后功率因数高、降损节能效果好.但由于配电变压器的数量多、安装地点分散,补偿工程投资较大,运行维护工作量大,因此也要求相关生产厂家尽可能降低装置的成本,提高装置的可靠性.

3 无功补偿容量的确定

设计人员应根据技术要求来选择无功补偿容量.只要把握好实际有功功率p的确定、不要过补偿这两点,是取得理想补偿效果的关键.但是,目前采用的配置做法,大多由经验或用限定功率因数法决定.一些无功补偿装置的生产厂商受当初技术所限,折中的考虑功率因数0.7的办法,把变压器端补偿直接按容量的30%的做法并不十分科学.这种方法虽然简单易行,但经济效果却不是最合理的.应该如果负荷的自然功率因数比较低,按变压器容量的30%~50%选择补偿电容器.以下介绍两种确定无功补偿容量的方法:

3.1 补偿容量确定方法之一

设变压器满载运行,视在功率为S,补偿前功率因数为cosφ1,若将cosφ1提高到cosφ2,计算需要的补偿电容器容量Qc:

设补偿装置本身损耗为k%.则补偿前P1=S cosφ1,Q1=S sinφ1;补偿后的无功功率Q2=Q1-Qc,可求tg φ2,于是有:,故可求得补偿容量:

3.2 补偿容量确定方法之二

功率补偿向量关系,如图5所示.

图5 功率补偿矢量关系图

根据功率补偿向量关系,还可采用当前所通用的简便方法计算确定补偿容量,若知功率因数cosφ1,补偿后提高到cosφ2,显然可求出无功补偿容量Qc为:

式中:tgφ1、 tgφ2为补偿前、后功率因数角的正切值;cosφ1、cosφ2为补偿前、后功率因数值;P为最大负荷月的平均有功功率.

在统计最大负荷月平均有功功率的基础上,即可通过上式算出所需的无功补偿容量.

4 采用并联电容器进行无功补偿的主要作用及效益分析

加装无功补偿设备,发、供、用三方均可互利共赢,具有实在的经济效益和广泛的社会效益[5],主要作用有:①提高功率因数;②节约电能、减少有功损耗;③提高电力系统的电压水平,改善电能质量;④充分挖掘设备发供、输送功率的潜力,提高设备的利用率;⑤减少电费支出,降低生产成本;⑥改善电力系统的动态性能,提高输电线路的输送能力和稳定性.

4.1 无功补偿提高功率因数

由图5可以看出:在有功功率P一定的前提下,无功功率补偿以后(补偿量Qc=Q1-Q2,功率因数角由φ1减小到φ2,即φ2<φ1,cosφ2>cosφ1则提高了功率因数.

4.2 无功补偿降低电能损耗

三相负荷功率平衡时,P= ■ 3 UIcosφ,在电压U和功率P近似不变的条件下,电流I与I/cosφ成正比,而功率损耗△P=3I2R=3[P/(■ 3 Ucosφ)]2R,故在当电压和输送的有功功率不变时,功率因数越低,电流越大,功率损耗越大[6].可见,△P与I的平方成正比,与cosφ平方成反比.

当加装无功补偿后,cosφ提高了,电流减小了,显然降低了△P,也就降低了变压器及线路的功率损耗,设功率因数由cosφ1提高到cosφ2,则电网元件中功率损耗减少了△P.

比原来损耗减少的百分比为:

得:

式中:P为有功功率;U为额定电压;R为电网元件中总电阻.

4.2.1 降低线路有功功率损耗

线路有功功率损耗减少的数值△PL为:

式中:RL为线路电阻;U为线路电压;P为输送有功功率.

4.2.2 减少变压器铜耗

由于变压器存在着铁损与铜损,所以它的输出功率永远小于输入功率,变压器损耗分为空载损耗和负载损耗两部分.变压器的空载损耗Po为定值;而负载损耗Pcu的大小与通过绕组中的电流的大小有关,即为铜损,它随负荷大小的变化而变化.额定负荷时,变压器的铜耗可近似等于负荷损耗,可用短路试验方法测得:任意负荷时变压器的铜耗等于负荷系数β(负荷电流与额定电流的比值)的平方乘以额定铜损(额定电流时的负荷损耗):式中:Pcu为变压器在额定电流下的短路损耗;S1为变压器的实际运行负荷;Sr为变压器的额定容量;Ie为变压器的额定电流;Sr为变压器额定容量;Pcur为变压器额定铜损.

1)变压器铜耗变化的分析

设I1和I2分别为变压器补偿前后的电流,铜耗分别为Pcu1、Pcu2,铜耗与电流的平方成正比:

由于P1近似等于P2,U1近似等于U2,即I2/I1=cosφ1/cosφ2,那么有:

2)变压器铜耗减少值的计算

P=S1cosφ1,取U近似等于Ue,得:

4.3 无功补偿降低电压损失、改善电能质量

众所周知:电压和频率是电能质量的两个重要指标.无功补偿可以降低电压损失,改善电压质量,从而改善了电能质量.

设线路的负荷P+jQ,线路电压损失△U简化计算如下:

式中:△U为线路电压损失;R为线路电阻;X为线路电抗;

加装补偿设备容量Qc后,电流I下降为I1,线路电压降为△U1,则有:

很明显,△U1<△U,即安装补偿电容后电压损失减小了.

4.3.1 线路电压损失分析

设线路输送的负荷为S=P+jQ,取末端电压为参考相量,线路的等值图和其中一相的电压矢量图,分别如图6、图7所示.

图6 等值线路图

图7 相电压矢量图

根据Uφ1-Uφ2=I(R+jX),显然相电压的落降为:

△Uφ=I(Rcosφ2+Xsinφ2),δUφ=I(Xcosφ2-Rsinφ2)由于Uφ+△U远大于δUφ,为简化(避免复数)计算,不计电压落降横分量δUφ则线电压损失为:

(在实际计算中,常采用线路的额定电压Ue来代替U2).

则线路的末端电压为:

式中:Ue为线路额定电压;U1为线路首端电压;U2为线路末端电压;R为线路电阻;X为线路电抗;P为输送的有功功率;Q为输送的无功功率.

4.3.2 减少电压损失比计算

当安装补偿设备容量Qc后,线路输送的负荷为S=P+j(Q-Qc),相应地线路的末端电压降[7]为:

4.4 无功补偿提高发、供电和用电设备利用率

由于P=Scosφ,S为视在功率,当视在功率不变时,P与cosφ成正比,即功率因数越高,一定电源提供的有功功率越大,发电设备的利用率越高.功率变化的关系如图8所示.

图8 功率变化关系图

在图8中的功率变化关系里,由于有功功率P=Scosφ,当发、供电设备的视在功率S一定时,如果功率因数角由φ1减小到φ2,相应地功率因数由cosφ1提高到cosφ2,则设备可以提供的有功功率P也随之增大到P+ΔP,可见,当增加了无功补偿装置后,不需要增加供电设备的视在功率时,在一定的范围内增加了有功设备的出力,从而提高了供电设备的带负载能力.

1)多发、多供有功功率

在设备容量不变的条件下,由于功率因数提高,可以少发、少供无功功率,因此可以多发、多供有功功率.可多发、多供的有功功率ΔP,计算如下:

2)减少发、供电设备容量

如需要的有功不变,采取无功补偿后,则由于需要的无功减少,使无功负荷降低,也就可使用户配变的容量相应地减少△S,或使发电机少发无功,多发有功功率,充分达到铭牌的额定出力,计算如下:

可以减少发、供电设备容量占原容量的百分比为△S/S计算如下:

总之,有功功率P=UIcosφ,当线电压U和线电流I一定时,功率因数cosφ提高后,有功功率P就提高了.发、供电及用电单位同样的发、供电设备、配变容量和输电线路就可向用户输送更多的有功功率.或者说,在输送同样容量的有功功率P时,当cosφ提高后,线路可以相应减小截面,变压器容量也可以相应减小,降低了设备投资和运行费用.当用电单位设法提高终端负载功率因数后,上述利益用户也将得到实惠.

4.5 无功补偿减少电费支出,降低生产成本

(1)功率因数低于国家规定标准时,增加用户生产成本,用户要多交一定的电费.加装无功补偿甚至还可以避免因功率因数低于规定值而受罚.

(2)用户功率因数低,会使变压器利用率低,用户线路损耗增加,用户端电力传输能力、电能质量和供电电压下降;情况严重时,会造成用户设备损坏,导致电网系统解列.可见无功补偿可以减少用户内部因分配和传输无功功率造成的有功功率损耗,因而相应可以减少电费的支出.

总之,加装无功补偿,可使补偿点以前的变压器及线路中通过的无功电流减小,降低变压器及线路的损耗,增加变压器及线路的供电能力,更好地改善电压质量,从而提高发、供、用三方的经济效益.

5 结论

工程施工用电平均功率因数偏低是一个普遍现象,采用补偿电容器进行合理的补偿一定能取得显著的经济效益.如何对配电网进行无功补偿,是一项建设性的节能降损技术措施.目前,配电网的无功补偿容量一般是根据供电部门要求达到的功率因数来笼统确定的,而没有细致到用户电能质量最佳、支付电费最少的实际节能效益的经济功率因数.如何确定无功补偿设备的合理配置和分布,需寻找技术上和经济上的最优方案,将是一项系统工程.

提高功率因数对于节约电能,降低损耗,提高变配电设备的供电能力是极其有利的,特别是对于正在进行的工程施工用电来说,除了应该按照要求进行踏勘、设计、施工外,还应该根据用电负荷的特点,合理配置无功功率补偿装置,同工程施工用电建设一并进行设计、施工,显得更加重要.

随着电力网络的发展,无功功率对供电系统和用户负载的运行非常关键.要想提高电能质量、降低线变损、提高设备的利用率,有必要对用户终端进行就地无功补偿.为了解决现行的电容器组频繁投切问题,新一代无功补偿技术及新型无功补偿设备[8]正在不断改进、拓展新方向,综合潮流控制器、电力有源滤波器等正应运而生.无功补偿应在电磁开关基础上,科学地推广电力电子开关器件作为智能复合开关的控制方式.无功补偿装置,还应在补偿负荷的三相不平衡、谐波滤除、抑制电压闪变以及分布式电源并网对配网系统的影响[9]等功能方面作进一步的探究.

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