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          精解無(wú)功補償的原理、作用及術(shù)語(yǔ)大全

          一、功率的概念

          功率(英語(yǔ):power)是單位時(shí)間內做功的大小或能量轉換的大小。

          1、視在功率:視在功率是指發(fā)電機發(fā)出的總功率,其中可以分為有功部分和無(wú)功部分。

          2、有功功率:有功功率是保持用電設備正常運行所需的電功率,也就是將電能轉換為其他形式能量(機械能、光能、熱能)的電功率。

          3、無(wú)功功率:是用于電路內電場(chǎng)與磁場(chǎng)的交換,并用來(lái)在電氣設備中建立和維持磁場(chǎng)的電功率,它不對外作功,而是轉變?yōu)槠渌问降哪芰?。凡是有電磁線(xiàn)圈的電氣設備,建立磁場(chǎng),就要消耗無(wú)功功率。無(wú)功功率不做功,但要有功功率的傳導先滿(mǎn)足電網(wǎng)的無(wú)功功率。


          二、需要無(wú)功補償的原因

          在正常情況下,用電設備不但要從電源取得有功功率,同時(shí)還需要從電源取得無(wú)功功率。如果電網(wǎng)中的無(wú)功功率供不應求,用電設備就沒(méi)有足夠的無(wú)功功率來(lái)建立正常的電磁場(chǎng),這些用電設備就不能維持在額定情況下工作,用電設備的端電壓就要下降,從而影響用電設備的正常運行。

          但是從發(fā)電機和高壓輸電線(xiàn)供給的無(wú)功功率遠遠滿(mǎn)足不了負荷的需要,所以在電網(wǎng)中要設置一些無(wú)功補償裝置來(lái)補充無(wú)功功率,以用戶(hù)對無(wú)功功率的需要,這樣用電設備才能在額定電壓下工作。無(wú)功補償是把具有容性功率負荷的裝置與感性功率負荷并聯(lián)接在同一電路,能量在兩種負荷之間相互交換,這樣,感性負荷所需要的無(wú)功功率可由容性負荷輸出的無(wú)功功率補償。


          三、無(wú)功補償的一般方法

          無(wú)功補償通常采用的方法主要有3種:低壓個(gè)別補償、低壓集中補償、高壓集中補償。下面簡(jiǎn)單介紹3種補償方式的適用范圍及使用該種補償方式的優(yōu)缺點(diǎn)。

          1、低壓個(gè)別補償

          低壓個(gè)別補償就是根據個(gè)別用電設備對無(wú)功的需要量將單臺或多臺低壓電容器組分散地與用電設備并接,它與用電設備共用一套斷路器,通過(guò)控制、保護裝置與電機同時(shí)投切。隨機補償適用于補償個(gè)別大容量且連接運行(如大中型異步電動(dòng)機)的無(wú)功消耗,以補勵磁無(wú)功為主。低壓個(gè)別補償的優(yōu)點(diǎn)是:用電設備運行時(shí),無(wú)功補償投入,用電設備停動(dòng)時(shí),補償設備也退出,因此不會(huì )造成無(wú)功倒送,具有投資少、占位小、安裝容易、配置方便靈活、維護簡(jiǎn)單、事故率低等優(yōu)點(diǎn)。


          2、低壓集中補償

          低壓集中補償是指將低壓電容器通過(guò)低壓開(kāi)關(guān)接在配電變壓器低壓母線(xiàn)側,以無(wú)功補償投切裝置作為控制保護裝置,根據低壓母線(xiàn)上的無(wú)功負荷而直接控制電容器的投切,電容器的投切是整組進(jìn)行,做不到平滑的調節。低壓補償的優(yōu)點(diǎn):接線(xiàn)簡(jiǎn)單、運行維護工作量小,使無(wú)功就地平衡,從而提高配變利用率,降低網(wǎng)損,具有較高的經(jīng)濟性,是目前無(wú)功補償中常用的手段之一。


          3、高壓集中補償

          高壓集中補償是指將并聯(lián)電容器組直接裝在變電所的6~10KV高壓母線(xiàn)上的補償方式。適用于用戶(hù)遠離變電所在供電線(xiàn)路的末端,用戶(hù)本身又有一定的高壓負荷時(shí),可以減少對電力系統無(wú)功的消耗并可以起到一定的補償作用;補償裝置根據負荷的大小自動(dòng)投切,補償效益高。


           四、無(wú)功補償裝置的分類(lèi)

          從補償的范圍劃分可以分為負荷補償與線(xiàn)路補償,從補償的性質(zhì)劃分可以分為感性與容性補償。下面將并聯(lián)容性補償的方法大致列舉:

          1、同步調相機

          調相機的基本原理與同步發(fā)電機沒(méi)有區別,它只輸出無(wú)功電流。因為不發(fā)電,因此不需要原動(dòng)機拖動(dòng),沒(méi)有啟動(dòng)電機的調相機沒(méi)有軸伸,實(shí)質(zhì)就是相當于一臺在電網(wǎng)中空轉的同步發(fā)電機。

          調相機是電網(wǎng)中使用的無(wú)功補償裝置,當增加激磁電流時(shí),其輸出的容性無(wú)功電流增大。當減少激磁電流時(shí),其輸出的容性無(wú)功電流減少。當激磁電場(chǎng)減少到一定程度時(shí),輸出無(wú)功電流為零,只有很小的有功電流用于彌補調相機的損耗,當激磁電流進(jìn)一步減少時(shí),輸出感性無(wú)功電流。

          調相機容量大、對諧波不敏感,并且具有當電網(wǎng)電壓下降時(shí)輸出無(wú)功電流自動(dòng)增加的特點(diǎn),因此調相機對于電網(wǎng)的無(wú)功安全具有不可替代的作用。

          由于調相機的價(jià)格高、效率低,運行成本高,因此已經(jīng)逐漸被并聯(lián)電容器所替代。但是近年來(lái)出于對電網(wǎng)無(wú)功安全的重視,一些人主張重新啟用調相機。

          2、并聯(lián)電容器

          并聯(lián)電容器是目前主要的無(wú)功補償方法。其主要特點(diǎn)是價(jià)格低,效率高,運行成本低,在保護完善的情況下可靠性也很高。

          在高壓及中壓系統中主要使用固定連接的并聯(lián)電容器組,而在低壓配電系統中則主要使用自動(dòng)控制電容器投切的自動(dòng)無(wú)功補償裝置。自動(dòng)無(wú)功補償裝置的結構則多種多樣形形色色,適用于各種不同的負荷呢況。對于低壓自動(dòng)無(wú)功補償裝置將另文詳細介紹。

          并聯(lián)電容器的主要缺點(diǎn)是其對諧波的敏感性。當電網(wǎng)中含有諧波時(shí),電容器的電流會(huì )急劇增大,還會(huì )與電網(wǎng)中的感性元件諧振使諧波放大,另外,并聯(lián)電容器屬于恒阻抗元件,在電網(wǎng)電壓下降時(shí)其輸出的無(wú)功電出下降,因此不利于電網(wǎng)的無(wú)功安全。

          3、SVC

          SVC的全稱(chēng)是靜止式無(wú)功補償裝置,靜止兩個(gè)字是同步調相機的旋轉相對應的。


           國際大電網(wǎng)會(huì )議將SVC定義為7個(gè)子類(lèi):

          a、機械投切電容器(MSC)

          b、機械投切電抗器(MSR)

          c、自飽和電抗器(SR)

          d、晶閘管控制電抗器(TCR)

          e、晶閘管投切電容器(TCR)

          f、晶閘管投(TSC)

          g、自換向或電網(wǎng)換向轉換器(SCC/LCC)


          根據以上這些子類(lèi),我們可以看出:除調相機之外,用電感或電容進(jìn)行無(wú)功補償的裝置幾乎均被定義為SVC。因此,目前一些資料或者廣告中大量出現"SVC"字樣,其原因不外乎兩條:其一是作者自已并不明白SVC的定義,其二就是以普通人不懂的字母組合故弄玄虛。


          目前國內市場(chǎng)上被宣傳 SVC的產(chǎn)品主工是晶閘管控制電抗器(TCR)和晶閘管投切電容器(TSC)。對于TSC我們另文敘述,這里只簡(jiǎn)要介紹一下晶閘管控制電抗器(TCR)。


          TCR的基本結構包括一組固定并聯(lián)連接在線(xiàn)路中的電容器和一組并聯(lián)連接在線(xiàn)路中用晶閘管控制的電抗器,通常將電抗器的容量設計成與電容器一樣。由于電抗器是用晶閘管控制的,其感性無(wú)功電流可以變化,當晶閘管關(guān)斷時(shí),電抗器沒(méi)有電流,而電容器固定連接,因此整套裝置的補償量大,當調節晶閘管的導通角時(shí),電抗器的感性電流就會(huì )抵消一部分電容器電流,因此補償量減少,導通角越大,電抗器的電流越大,補償量就越小,當晶閘管全通時(shí),電抗器電流就會(huì )將電容器電流全部抵消,此時(shí)補償量為0。須將固定電容器組設計成濾波器形式或者配備另外的濾波器。


          綜上所述,可以看出TCR的結構復雜,損耗大,但其具有補償量連續可調的特點(diǎn),在高壓系統中還有應用。


          4、STATCOM

          STATCOM是一種使用IGBT、GTO或者SIT等全控型高速電力電子器件作為開(kāi)關(guān)控制電流的裝置中,其基本工作原理是:

          通過(guò)對系統電參數的檢測,預測出一個(gè)與電源電壓同相位的幅度適當的正弦電流波形。當系統瞬時(shí)電流大于預測電流的時(shí)候,STATCOM將大于預測電流的部分吸收進(jìn)來(lái),儲存在內部的儲能電容器中。當系統瞬時(shí)電流小于預測電流的時(shí)候,STATCOM將儲存在電容器中的能量釋放出來(lái),填補小于預測電流的部分,從而使得補償后的電流變成與電壓同相位的正弦波。


          根據STATCOM的工作原理,理論上STATCOM可以實(shí)現真正的動(dòng)態(tài)補償,不僅可以應用在感性負荷場(chǎng)合,還可以應用在容性負荷的場(chǎng)合。并且可以進(jìn)行諧波濾除,起到濾波器的作用。但切是實(shí)際的STATCOM由于技術(shù)的原因不可能達到理論要求,而且由于開(kāi)關(guān)操作頻率不夠高等原因,還會(huì )向電網(wǎng)輸出諧波。 STATCOM的結構十分復雜,價(jià)格昂貴,可靠性差,損耗大,目前仍處于研究試用階段,沒(méi)有實(shí)際應用價(jià)值。電抗器(TSR)償,從補償的方式劃分可以分為串聯(lián)補償與并聯(lián)補償。


          五、采用無(wú)功補償的優(yōu)點(diǎn)

          1、根據用電設備的功率因數,可測算輸電線(xiàn)路的電能損失。通過(guò)現場(chǎng)技術(shù)改造,可使低于標準要求的功率因數達標,實(shí)現節電目的。
                 2、采用無(wú)功補償技術(shù),提高低壓電網(wǎng)和用電設備的功率因數,是節電工作的一項重要措施。

          3、無(wú)功補償,它就是借助于無(wú)功補償設備提花必要的無(wú)功功率,以提高系統的功率因數,降低能耗,改善電網(wǎng)電壓質(zhì)量,穩定設備運行。

          4、減少電力損失,一般工廠(chǎng)動(dòng)力配線(xiàn)依據不同的線(xiàn)路及負載情況,其電力損耗約20%-30%左右,使用電容提高功率因數后,總電波降低,可降低供電流與用電端的電力損失。

          5、改善供電品質(zhì),提高功率因數,減少負載總電流及電壓降,于變壓器二次側加裝電容可改善功率因數提高二次側電壓。

          6、延長(cháng)設備壽命,改善功率因數后線(xiàn)路總電流減少,使接近中已經(jīng)飽和的變壓器、開(kāi)關(guān)等機器設備和線(xiàn)路容量負荷降低,因此可以降低溫升增加壽命(溫度每降低10攝氏度,壽命可延長(cháng)1倍)。

          7、滿(mǎn)足電力系統對無(wú)功補償的監測要求,消除因為功率因數過(guò)低而產(chǎn)生的罰款。

          8、無(wú)功補償可以改善電能質(zhì)量、降低電能損耗、挖掘發(fā)供電設備潛力、無(wú)功補償減少用戶(hù)電費支出,是一項投資少、收效快的節能措施。

          9、無(wú)功補償技術(shù)對和電單位的低壓配電網(wǎng)的影響以及提高功率因數所帶來(lái)的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益,確定無(wú)功功率的補償容量,確保補償技術(shù)經(jīng)濟、合理、安全可靠,達到節約電能的目的。

          采用“絕緣桿+絕緣平臺”作業(yè)法除線(xiàn)路隱患

          2月20日,在烏魯木齊市南山水西溝,新疆烏魯木齊供電公司配電帶電檢修人員創(chuàng )新采用“絕緣桿+絕緣平臺”作業(yè)法,成功消除了10千伏旅水二線(xiàn)設備故障,為線(xiàn)路安全運行解除警報,確保了對沿線(xiàn)用戶(hù)的不間斷供電。

          19日,烏魯木齊公司工作人員在對10千伏旅水二線(xiàn)巡視時(shí)發(fā)現,52號支線(xiàn)53號桿由于桿頂支架角鐵撕裂,中相導線(xiàn)連帶絕緣子掉落,與邊線(xiàn)導線(xiàn)纏繞在一起。該 公司決定嘗試采用“絕緣桿+絕緣平臺”作業(yè)法來(lái)完成此次消缺任務(wù)。為確保作業(yè)安全可行,工作人員制定出專(zhuān)門(mén)的施工方案和嚴格的安全措施。20日,該公 司派出豐富經(jīng)驗的作業(yè)人員到達現場(chǎng),經(jīng)過(guò)兩個(gè)多小時(shí)的工作,消除了線(xiàn)路隱患。

          據了解,“絕緣桿+絕緣平臺”作業(yè)法是烏魯木齊公司新拓展的一種綜合不停電作業(yè)法,適用于山區、農田、道路等不滿(mǎn)足絕緣斗臂車(chē)通行、作業(yè)空間不足和場(chǎng)地坡度 大條件下開(kāi)展的帶電作業(yè)項目。該方法的推廣運用,可以進(jìn)一步擴大配網(wǎng)帶電作業(yè)覆蓋面、提升帶電作業(yè)普及率,在更大范圍內減少用戶(hù)停電,提高供電可靠性。同 時(shí)擁有成本少、體積小,外出攜帶方便、安裝方法簡(jiǎn)單,作業(yè)時(shí)無(wú)噪音、不耗油,不受作業(yè)現場(chǎng)周邊環(huán)境影響和地形條件的限制等特點(diǎn)。


          需求增長(cháng)驅動(dòng)輸配電企業(yè)轉型

                 “從電力裝備的安裝情況、投資規模來(lái)看,電力裝備分為兩部分,一部分是電源建設用設備,即發(fā)電設備,包括水、火、核、風(fēng)、光等發(fā)電設備,另一部分是電網(wǎng)建設用設備,包括輸電、配電、用電設備等。2015年,發(fā)電設備產(chǎn)量的絕對值在增加,但是增速在逐漸放緩。而輸配電設備的產(chǎn)量增速在上升?!?月17日,在“東芝中國論壇2017”工業(yè)電氣分論壇上,中國電器工業(yè)協(xié)會(huì )會(huì )長(cháng)助理、智能電網(wǎng)設備委員會(huì )秘書(shū)長(cháng)王琨表示。

          近年來(lái),在配網(wǎng)投資、農網(wǎng)改造、城鎮化建設、配電變壓器改造等一系列政策利好下,輸配電設備需求量上升趨勢明顯,同時(shí)經(jīng)歷了高度發(fā)展的過(guò)程。這也要求輸配電企業(yè)要盡快轉型,以適應市場(chǎng)需求。


          電網(wǎng)設備需求量超過(guò)電源設備

                 日前,國家能源局公布了2016年全國電力工業(yè)數據。從電網(wǎng)投資來(lái)看,2016年1~12月,全國電網(wǎng)投資額達到5426億元,同比增長(cháng)16.9%,占整個(gè)電力投資的60.8%。

          “可以看出,電網(wǎng)建設速度已經(jīng)超過(guò)了電源建設速度。此外,據統計,110千伏以下的變電、配電設備的占有率已經(jīng)超過(guò)了58%,同比增長(cháng)35.9%,電網(wǎng)建設增速是16.9%,通過(guò)對比不難看出,低壓配電產(chǎn)品增速與電網(wǎng)建設的增速成倍數的關(guān)系?!蓖蹒治稣f(shuō),這說(shuō)明一方面我國電網(wǎng)建設投資強度已經(jīng)大于電源建設,另一方面在電網(wǎng)建設投資強度上,低壓配電設備的份額超過(guò)了一半,增速也大于110千伏以上的輸電設備。

          在王琨看來(lái),出現電網(wǎng)建設投資強度大于電源建設的情況實(shí)屬正常。他給出了原因。首先,電力系統中,有發(fā)出來(lái)的電就要進(jìn)行輸出、配送,輸配電設備需求會(huì )隨著(zhù)電源建設的增加而增加。其次,電網(wǎng)建設滯后于電源建設。滯后周期通常在2~4年之間?,F在我國電源建設已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)探底的過(guò)程,2015~2016年,我國輸變電設備經(jīng)歷了高速發(fā)展的過(guò)程,但是未來(lái)2~4年之后,電網(wǎng)建設的增速也會(huì )隨之放緩,根本原因就是社會(huì )用電量需求在下降。

          但是以綠色、節能為特點(diǎn)的智能電網(wǎng)建設始終不變。因此,需要輸變電設備企業(yè)與時(shí)俱進(jìn),轉變觀(guān)念?!皬难b備的角度而言,裝備是電網(wǎng)技術(shù)和電網(wǎng)新結構的承載體,沒(méi)有裝備的支撐,任何技術(shù)、政策、發(fā)展趨勢都是無(wú)源之水?!蓖蹒硎?。

          因此,在推進(jìn)智能電網(wǎng)建設的過(guò)程中,我國出臺了一些輸變電設備相關(guān)的政策,如《關(guān)于配電網(wǎng)建設改造行動(dòng)計劃(2015~2020年)》提出,“十三五”期間,我國配電網(wǎng)建設改造投資不低于1.7萬(wàn)億元,并對配電變壓器升級改造提出了要求。又如《關(guān)于配電變壓器能效提升計劃(2015~2017年)》,其中提出到今年年底,配電變壓器在網(wǎng)運行比例提高14%,累計推廣配電變壓器6億千伏安。其中,新建增量推廣不低于3.5億千伏安。

          輸配電設備企業(yè)需以這些政策為導向,加快研發(fā)。王琨表示,未來(lái)電力裝備技術(shù)將有四個(gè)發(fā)展趨勢,一是經(jīng)濟發(fā)展新常態(tài)要求電力裝備制造向質(zhì)量效益型轉變。目前,配電、輸電設備行業(yè)產(chǎn)能過(guò)剩,隨著(zhù)國家“三去一補一降”,去產(chǎn)能將會(huì )成為“十三五”的一個(gè)基調;二是新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)革命要求電力裝備制造業(yè)向智能化轉變;三是制造大國向強國轉變要求電力裝備制造業(yè)實(shí)施創(chuàng )新驅動(dòng)戰略;四是“一帶一路”的戰略總體布局要求電力裝備制造業(yè)要加快實(shí)施“走出去”。


           智能制造成輸變電設備企業(yè)競爭優(yōu)勢

                 “近期世界上主要國家都推出了智能制造國家發(fā)展戰略,將發(fā)展智能制造作為戰略核心。從目前來(lái)看,以智能制造為代表的新一代產(chǎn)業(yè)革命將是釋放未來(lái)競爭力的關(guān)鍵,也是行業(yè)洗牌的關(guān)鍵?!蓖蹒赋隽酥悄苤圃斓闹匾?。

          對于輸變電設備,智能制造從廣義上講,包括產(chǎn)品制造部分,指設計、加工、裝配、實(shí)驗、檢測、運行等智能化,另一方面指的是設備本身的智能化功能,如智能變壓器、智能開(kāi)關(guān)。

          “對于輸變電設備而言,目前核心部件的設計、制造難度大。使用環(huán)境復雜,現場(chǎng)遠程檢測運維需求較為迫切。對于高壓、超高壓輸變電設備制造企業(yè),需要統一協(xié)調利用資源,實(shí)現統一技術(shù)管理,協(xié)同制造過(guò)程?!蓖蹒硎?。

          而對于配電設備,目前業(yè)內提出以柔性制造為特征智能制造系統設計,實(shí)現定制化的制造。目前,配電設備企業(yè)利潤率很低,受材料成本波動(dòng)、用工成本上升、市場(chǎng)終端產(chǎn)品售價(jià)降低等因素的影響,現有產(chǎn)品的經(jīng)營(yíng)和制造模式不進(jìn)行改變,那么利潤率降低會(huì )越來(lái)越明顯,對行業(yè)會(huì )造成較大沖擊。需要輸配電企業(yè)盡快實(shí)現智能化產(chǎn)品設計,柔性管理低壓配電設備智能制造,其中包括產(chǎn)品生命周期管理、數字化產(chǎn)品設計和生產(chǎn)布局仿真。

          那么,如何實(shí)現柔性制造?王琨提出,要以數字化的設計為前提,建立柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn),實(shí)現生產(chǎn)工藝、系統運行,物流布局以及生產(chǎn)節拍的均衡,并配套數字化車(chē)間透明信息過(guò)程管理系統。

          目前,國內很多輸配電設備企業(yè)都在走智能制造的道路。如天水長(cháng)城開(kāi)關(guān)廠(chǎng)有限公司實(shí)施的“中壓空氣絕緣開(kāi)關(guān)設備制造數字化車(chē)間”、中天科技智能制造車(chē)間,浙江樂(lè )清低壓電器智能裝備產(chǎn)業(yè)集群等。

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