基于節能降損的工程施工用電無功補償

王純高

(中國葛洲壩集團公司,湖北 宜昌 443002)

0 引言

以水電站樞紐工程為例,主體施工階段用電量比較大.作為現代能源的主導,水利水電行業、長期經營發展的企業也需要及時轉變觀念,在節能降耗上應加大投入.近幾年來,其工程施工用電無功補償技術正在積極地推廣應用.

水電站樞紐工程一般由擋水建筑物、泄水建筑物、進水建筑物、引水建筑物、平水建筑物、廠房樞紐建筑物等組成.每一建筑工程從地面附著物拆除、路面平整、測量放線、場地圍墻搭設、基坑開挖、地基處理、基礎、主體施工、裝飾裝修、設備安裝、試車到整體工程竣工、交付業主驗收過程中的用電均稱為工程施工用電.

目前,我國已開工的大型水電站基本上都處在西部經濟不發達的山區,交通不便.自然環境惡劣,極端氣候時有發生.與日常農村供電系統和城市供電系統相比,有以下幾個方面的特點.

1)供、用電設備臨時性多,永久性的少,線路變更頻繁.

2)網架結構簡單,線路支點多.

3)負荷性質重要,供電質量、可靠性要求高.

4)負荷變化幅度大.

5)動力設備占絕大多數,均為感性負荷,功率因數偏低.

6)負荷分散,線路和設備故障率高.

工程施工現場大量使用電動機負荷(cosΦ≈0.8)和電焊機負荷(cosΦ≈0.4),同時施工現場變壓器經常在負載率不足50%狀態下工作,這幾種主要因素導致施工現場總的功率因數長期處在0.7左右.由于功率因數過低,輸配電系統線路傳輸電流增加,各供配電設備容量得不到充分利用,限制了供電能力[1].諸如感應電動機、電力變壓器、電焊機等這些設備不僅需要從電力系統吸收有功功率還要吸收無功功率以產生這些設備正常工作所必需的交變磁場.然而在輸送有功功率一定的情況下無功功率增大就會降低供電系統的功率因數.因此功率因數是衡量企業供電系統電能利用程度及電氣設備使用狀況的一個具有代表性的重要指標.從節約能源,提高輸配電系統的利用率,改善供電質量等方面考慮,需要進行無功補償.對其進行無功補償既有其必要性,又有其特殊性.

1 無功補償

功率因數cosφ是工程施工用電的一個重要技術指標,是電壓與電流之間的相位差φ的余弦,在數值上,是有功功率和視在功率的比值:cosφ=P/S.

工程施工用電不但有功功率要平衡,無功功率也要平衡.有功功率、無功功率、視在功率之間的關系,如圖1所示.其關系式為:

式中:P為有功功率;Q為無功功率;S為視在功率.

由圖1可以看出,在一定的有功功率下,施工用電功率因數cosφ越小,則所需的無功功率越大,為滿足用電的要求,供電線路和變壓器的容量需增大,從而造成施工用電量大大增加.因此,提高施工用電功率因數十分必要.

圖1 功率三角形

施工用電的自然功率因數往往小于0.85,而自然功率因數與用電設備的性能密切相關,因此除了要求一些設備制造廠要充分利用先進技術外,工地現場也應采取恰當選擇異步電機,防止"大馬拉小車",減少電動機無功消耗,或采用同步電動機代替;合理配置變壓器容量,避免變壓器空載運行;調整生產工藝流程,均衡用電負荷,改善用電設備的運行狀況;優化配電線路布局,統籌規劃施工用電等,通過對電動機、變壓器、電纜及架空線幾何間距的合理選擇與控制方法來提高自然功率因數.

鑒于提高自然功率因數的方法在工程施工用電中所起的作用是有限的,因而近些年來人工補償無功功率的方法正在積極地推廣應用.一般是安裝無功功率補償設備,其基本原理是把具有容性功率負荷的裝置與感性功率負荷并聯接在同一電路,使感性負荷所需要的無功功率可由容性負荷輸出的無功功率得到補償,以防止無功倒送[2].

無功補償是電力部門和用戶單位共同關注的問題.根據供用電規則,無功電力應就地平衡,應在提高用電自然功率因數的基礎上,設計和裝置無功補償設備,只要運行利用的好,功率因數達到0.95以上是可以做到的.但是由于工程施工現場配電變壓器的數量較多、安裝地點分散,補償工程的投資較大,運行維護工作量大,加裝補償裝置表面上增加了建設成本.事實上,如果在電網某處可補,其補償裝置的容量小于或等于臨界補償容量時,就能獲得補償效益,并且保證補償裝置的投資在規定的抵償年限內收回.經理論計算和實測表明,一次性投資,約1年左右就可回收.盡管工程施工用電的補償裝置一般使用在戶外,環境差,還存在裝置本身的可靠性問題.但是畢竟補償裝置無轉動部分,具有運行安全、使用方便、在本次工程完工后可周轉使用于下一工程等優點.這就是無功補償的潛質所在.

2 無功補償方法

2.1 無功補償方式的分類

按無功補償的方式及適用場合分類,無功補償技術主要有:變電站集中補償、低壓集中補償、桿上線路補償和用戶終端分散補償等方式[3].配電網系統各種無功補償方式,如圖2所示.

圖2 配電網系統各種無功補償方式示意圖

變電站(10 kV)集中補償方式是供電部門采用較多的方式之一,這里不再探討.而對工程施工用電而言,通常結合工程施工用電的特點,在電壓過低和負荷集中的地方為具體布點.方式二與方式三、四對比具有突出的優點:方式二(低壓集中補償)具有安裝方便、建設周期短、單位造價低、自身電能損耗小、運行維護簡便、搬遷方便等優點.方式三(桿上線路補償)也有單位投資小,設備利用率很高等優勢,在低壓電網的補償中也會逐步應用起來.當然,如果對用電設備采用個別補償、分組補償的終端補償方式能夠達到要求的話,方式四(用戶終端分散補償)也是個不錯的選擇,它能夠很好的提高功率因數和電網品質,增加電力變壓器容量和降低損耗,改善電壓質量的效果最好,只是單位投資費用較大,不便于統一管理.顯然就地補償方式具有廣闊的發展前景,而就工程施工工地環境來講,后兩種補償方式有其明顯的缺點.

根據分類的內涵不同,無功補償的方法諸多,如手動補償、自動補償、隨機補償、跟蹤補償;集中補償、就地補償、分散補償、隨器補償等.當前,工程施工用電廣泛采用(0.4 kV)并聯電容器組自動跟蹤、就地集中的方法作為無功補償.

2.2 無功補償方式的選擇

工程施工用電負荷不是一成不變的,由于無功負荷變化劇烈,使得無功補償容量也要相應變化.因為單純用人工操作投切并聯靜止電容器,顯然是不能很好地抵消電感負荷的無功功率的.一般將補償電容以電壓為約束條件,根據無功功率(或無功電流)進行分組,通過配置微機調節控制裝置、跟蹤負荷波動依據所采集取樣的信號,自動及時地對電容器組實現投切無功功率補充容量[4].

方式二也就是在配電變壓器(0.4 kV)總配電箱低壓母線處進行集中補償,配電變低壓補償是目前工程施工用電應用最普遍的補償方法.由于用戶的日負荷變化大,通常采用微機控制、跟蹤負荷波動分組投切電容器補償.工程施工用電無功補償選擇方式二的效果,目的是提高專用變用戶功率因數,實現無功的就地平衡,降低配電網損耗和改善用戶電壓質量.配變低壓無功補償的優點是補償后功率因數高、降損節能效果好.補償容量在幾十至幾百千乏之間.低壓并聯電容集中自動無功補償單線原理圖和程序流程圖,分別見圖3和圖4.雖然這樣從總配電箱到各用電設備間的配電線路沒有補償,達不到其它補償方式的效果,但就節省用電費用這一項來,已足以滿足節約建設成本的要求,對用電量巨大的工程,有極為可觀的投資回報率.

圖3 低壓無功補償原理單線圖

圖4 低壓無功補償程序流程圖

配變低壓無功補償的優點是補償后功率因數高、降損節能效果好.但由于配電變壓器的數量多、安裝地點分散,補償工程投資較大,運行維護工作量大,因此也要求相關生產廠家盡可能降低裝置的成本,提高裝置的可靠性.

3 無功補償容量的確定

設計人員應根據技術要求來選擇無功補償容量.只要把握好實際有功功率p的確定、不要過補償這兩點,是取得理想補償效果的關鍵.但是,目前采用的配置做法,大多由經驗或用限定功率因數法決定.一些無功補償裝置的生產廠商受當初技術所限,折中的考慮功率因數0.7的辦法,把變壓器端補償直接按容量的30%的做法并不十分科學.這種方法雖然簡單易行,但經濟效果卻不是最合理的.應該如果負荷的自然功率因數比較低,按變壓器容量的30%~50%選擇補償電容器.以下介紹兩種確定無功補償容量的方法:

3.1 補償容量確定方法之一

設變壓器滿載運行,視在功率為S,補償前功率因數為cosφ1,若將cosφ1提高到cosφ2,計算需要的補償電容器容量Qc:

設補償裝置本身損耗為k%.則補償前P1=S cosφ1,Q1=S sinφ1;補償后的無功功率Q2=Q1-Qc,可求tg φ2,于是有:,故可求得補償容量:

3.2 補償容量確定方法之二

功率補償向量關系,如圖5所示.

圖5 功率補償矢量關系圖

根據功率補償向量關系,還可采用當前所通用的簡便方法計算確定補償容量,若知功率因數cosφ1,補償后提高到cosφ2,顯然可求出無功補償容量Qc為:

式中:tgφ1、 tgφ2為補償前、后功率因數角的正切值;cosφ1、cosφ2為補償前、后功率因數值;P為最大負荷月的平均有功功率.

在統計最大負荷月平均有功功率的基礎上,即可通過上式算出所需的無功補償容量.

4 采用并聯電容器進行無功補償的主要作用及效益分析

加裝無功補償設備,發、供、用三方均可互利共贏,具有實在的經濟效益和廣泛的社會效益[5],主要作用有:①提高功率因數;②節約電能、減少有功損耗;③提高電力系統的電壓水平,改善電能質量;④充分挖掘設備發供、輸送功率的潛力,提高設備的利用率;⑤減少電費支出,降低生產成本;⑥改善電力系統的動態性能,提高輸電線路的輸送能力和穩定性.

4.1 無功補償提高功率因數

由圖5可以看出:在有功功率P一定的前提下,無功功率補償以后(補償量Qc=Q1-Q2,功率因數角由φ1減小到φ2,即φ2<φ1,cosφ2>cosφ1則提高了功率因數.

4.2 無功補償降低電能損耗

三相負荷功率平衡時,P= ■ 3 UIcosφ,在電壓U和功率P近似不變的條件下,電流I與I/cosφ成正比,而功率損耗△P=3I2R=3[P/(■ 3 Ucosφ)]2R,故在當電壓和輸送的有功功率不變時,功率因數越低,電流越大,功率損耗越大[6].可見,△P與I的平方成正比,與cosφ平方成反比.

當加裝無功補償后,cosφ提高了,電流減小了,顯然降低了△P,也就降低了變壓器及線路的功率損耗,設功率因數由cosφ1提高到cosφ2,則電網元件中功率損耗減少了△P.

比原來損耗減少的百分比為:

得:

式中:P為有功功率;U為額定電壓;R為電網元件中總電阻.

4.2.1 降低線路有功功率損耗

線路有功功率損耗減少的數值△PL為:

式中:RL為線路電阻;U為線路電壓;P為輸送有功功率.

4.2.2 減少變壓器銅耗

由于變壓器存在著鐵損與銅損,所以它的輸出功率永遠小于輸入功率,變壓器損耗分為空載損耗和負載損耗兩部分.變壓器的空載損耗Po為定值;而負載損耗Pcu的大小與通過繞組中的電流的大小有關,即為銅損,它隨負荷大小的變化而變化.額定負荷時,變壓器的銅耗可近似等于負荷損耗,可用短路試驗方法測得:任意負荷時變壓器的銅耗等于負荷系數β(負荷電流與額定電流的比值)的平方乘以額定銅損(額定電流時的負荷損耗):式中:Pcu為變壓器在額定電流下的短路損耗;S1為變壓器的實際運行負荷;Sr為變壓器的額定容量;Ie為變壓器的額定電流;Sr為變壓器額定容量;Pcur為變壓器額定銅損.

1)變壓器銅耗變化的分析

設I1和I2分別為變壓器補償前后的電流,銅耗分別為Pcu1、Pcu2,銅耗與電流的平方成正比:

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

2)變壓器銅耗減少值的計算

P=S1cosφ1,取U近似等于Ue,得:

4.3 無功補償降低電壓損失、改善電能質量

眾所周知:電壓和頻率是電能質量的兩個重要指標.無功補償可以降低電壓損失,改善電壓質量,從而改善了電能質量.

設線路的負荷P+jQ,線路電壓損失△U簡化計算如下:

式中:△U為線路電壓損失;R為線路電阻;X為線路電抗;

加裝補償設備容量Qc后,電流I下降為I1,線路電壓降為△U1,則有:

很明顯,△U1<△U,即安裝補償電容后電壓損失減小了.

4.3.1 線路電壓損失分析

設線路輸送的負荷為S=P+jQ,取末端電壓為參考相量,線路的等值圖和其中一相的電壓矢量圖,分別如圖6、圖7所示.

圖6 等值線路圖

圖7 相電壓矢量圖

根據Uφ1-Uφ2=I(R+jX),顯然相電壓的落降為:

△Uφ=I(Rcosφ2+Xsinφ2),δUφ=I(Xcosφ2-Rsinφ2)由于Uφ+△U遠大于δUφ,為簡化(避免復數)計算,不計電壓落降橫分量δUφ則線電壓損失為:

(在實際計算中,常采用線路的額定電壓Ue來代替U2).

則線路的末端電壓為:

式中:Ue為線路額定電壓;U1為線路首端電壓;U2為線路末端電壓;R為線路電阻;X為線路電抗;P為輸送的有功功率;Q為輸送的無功功率.

4.3.2 減少電壓損失比計算

當安裝補償設備容量Qc后,線路輸送的負荷為S=P+j(Q-Qc),相應地線路的末端電壓降[7]為:

4.4 無功補償提高發、供電和用電設備利用率

由于P=Scosφ,S為視在功率,當視在功率不變時,P與cosφ成正比,即功率因數越高,一定電源提供的有功功率越大,發電設備的利用率越高.功率變化的關系如圖8所示.

圖8 功率變化關系圖

在圖8中的功率變化關系里,由于有功功率P=Scosφ,當發、供電設備的視在功率S一定時,如果功率因數角由φ1減小到φ2,相應地功率因數由cosφ1提高到cosφ2,則設備可以提供的有功功率P也隨之增大到P+ΔP,可見,當增加了無功補償裝置后,不需要增加供電設備的視在功率時,在一定的范圍內增加了有功設備的出力,從而提高了供電設備的帶負載能力.

1)多發、多供有功功率

在設備容量不變的條件下,由于功率因數提高,可以少發、少供無功功率,因此可以多發、多供有功功率.可多發、多供的有功功率ΔP,計算如下:

2)減少發、供電設備容量

如需要的有功不變,采取無功補償后,則由于需要的無功減少,使無功負荷降低,也就可使用戶配變的容量相應地減少△S,或使發電機少發無功,多發有功功率,充分達到銘牌的額定出力,計算如下:

可以減少發、供電設備容量占原容量的百分比為△S/S計算如下:

總之,有功功率P=UIcosφ,當線電壓U和線電流I一定時,功率因數cosφ提高后,有功功率P就提高了.發、供電及用電單位同樣的發、供電設備、配變容量和輸電線路就可向用戶輸送更多的有功功率.或者說,在輸送同樣容量的有功功率P時,當cosφ提高后,線路可以相應減小截面,變壓器容量也可以相應減小,降低了設備投資和運行費用.當用電單位設法提高終端負載功率因數后,上述利益用戶也將得到實惠.

4.5 無功補償減少電費支出,降低生產成本

(1)功率因數低于國家規定標準時,增加用戶生產成本,用戶要多交一定的電費.加裝無功補償甚至還可以避免因功率因數低于規定值而受罰.

(2)用戶功率因數低,會使變壓器利用率低,用戶線路損耗增加,用戶端電力傳輸能力、電能質量和供電電壓下降;情況嚴重時,會造成用戶設備損壞,導致電網系統解列.可見無功補償可以減少用戶內部因分配和傳輸無功功率造成的有功功率損耗,因而相應可以減少電費的支出.

總之,加裝無功補償,可使補償點以前的變壓器及線路中通過的無功電流減小,降低變壓器及線路的損耗,增加變壓器及線路的供電能力,更好地改善電壓質量,從而提高發、供、用三方的經濟效益.

5 結論

工程施工用電平均功率因數偏低是一個普遍現象,采用補償電容器進行合理的補償一定能取得顯著的經濟效益.如何對配電網進行無功補償,是一項建設性的節能降損技術措施.目前,配電網的無功補償容量一般是根據供電部門要求達到的功率因數來籠統確定的,而沒有細致到用戶電能質量最佳、支付電費最少的實際節能效益的經濟功率因數.如何確定無功補償設備的合理配置和分布,需尋找技術上和經濟上的最優方案,將是一項系統工程.

提高功率因數對于節約電能,降低損耗,提高變配電設備的供電能力是極其有利的,特別是對于正在進行的工程施工用電來說,除了應該按照要求進行踏勘、設計、施工外,還應該根據用電負荷的特點,合理配置無功功率補償裝置,同工程施工用電建設一并進行設計、施工,顯得更加重要.

隨著電力網絡的發展,無功功率對供電系統和用戶負載的運行非常關鍵.要想提高電能質量、降低線變損、提高設備的利用率,有必要對用戶終端進行就地無功補償.為了解決現行的電容器組頻繁投切問題,新一代無功補償技術及新型無功補償設備[8]正在不斷改進、拓展新方向,綜合潮流控制器、電力有源濾波器等正應運而生.無功補償應在電磁開關基礎上,科學地推廣電力電子開關器件作為智能復合開關的控制方式.無功補償裝置,還應在補償負荷的三相不平衡、諧波濾除、抑制電壓閃變以及分布式電源并網對配網系統的影響[9]等功能方面作進一步的探究.

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