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高压电网无功补偿及谐波治理

1 无功电量的概念

  在平稳直流状态下, 功率等于电压与电流的乘积, 即:p=u×i。

  在交流状态下, 由于电压与电流均为时间的周期函数,则功率由下式来进行计算:

  当电网中的负荷含有电抗成分(通常为感性成分)或者负荷具有非线性特性时,电压与电流就会有相位差或者电流含有谐波成分,此时电网传输能量的能力下降,功率的计算值小于电压有效值与电流有效值的乘积,于是就引入了功率因数的概念。功率因数的英文全称是power factor,简称pf。pf 是一个无量纲的小于1 的实数。

  当电压与电流用有效值表示并引入功率因数时,则功率由下式来进行计算:

 

  当系统中没有谐波时,功率因数就是电压与电流相位差φ 的余弦函数即:pf = cosφ。于是功率的表达式可写为:

  p=u×i×cos

  引入了功率因数的概念以后,我们就可以利用向量的方法将电流分解为有功电流和无功电流:

 

  

高压电网无功补偿及谐波治理,

 

  式中:p 为有功功率,pl为无功功率,ps为视在功率。

  有功功率代表着能量的传递,而无功功率是一种交流电网中特有的不传递能量的伴生量。

  在电网系统计量过程中,还经常使用有功电量与无功电量来计算功率因数,由于有功电量相当于有功功率对时间的积分,无功电量相当于无功功率对时间的积分,因此这样的计算结果相当于功率因数在一个计量周期的平均值。

  需要注意的是:

  (1)只有无功电流与无功功率的概念,没有无功电压的概念。因此通常所说的无功可以指无功电流,也可以指无功功率。

  (2)当系统中含有谐波时,用cos 来表达功率因数会产生较大的误差。谐波含量越大,误差越大。

  2 无功补偿的必要性

  由于无功电流的存在,在传送同样能量的情况下,电流比没有无功的情况下增加,会大量增加系统的铜损,降低线路与变压器的利用率,这是显而易见的事情。

  在一个交流连接的电网中(这里强调交流连接的原因是因为直流输电线路不传递无功,因此用直流输电线路连接的若干电网可以分开为各自独立的电网来考虑无功问题),无功电流在任何瞬间都是平衡的,也就是说,无功电流的发出量与吸收量在任何瞬间都是相等的, 这就是无功平衡原理。由于无功平衡原理的存在,无功电流虽然不传递能量,但是却会影响电网的电压,这是由电网中的设备性质决定的。电网中绝大部分发电机均为同步发电机。同步发电机在激磁电流不变时输出的无功电流与输出电压成反比,即:随着输出电压的减少而输出无功电流增加,反之,随着输出电压的增加而输出无功电流减少。而电网中大部分负荷所吸收的无功电流与电压成正比。因此,当电网中没有补偿装置时,负荷吸收的无功功率就全部要由发电机来提供。如果系统的无功不足,电压就会下降,电压下降以后,负荷吸收的无功减少,发电机发出的无功增加,从而保持无功的平衡。反之,如果系统的无功过剩,电压就会升高,电压升高以后,负荷吸收的无功增加,发电机发出的无功减少,从而保持无功的平衡。也就是说,电网可以依靠电压的变化来自动保持无功平衡。当系统中的无功严重不足,就会导致电压急剧下降,电压下降导致发电机发出的无功电流急剧增加,这时,如果某1 台发电机由于电流过载而解列退出电网,则无功更加不足,如此连锁反应,会导致电网崩溃的大事故。所以在电网中设置一些无功补偿装置来补充无功功率,以保证用户对无功功率的需要和用电设备在额定电压下工作就显得非常必要。

  由于无功的不良作用,供电部门对企业35kv 客户功率因数标准一般为0.9,因此、对于我们用户来讲,总是希望尽量提高功率因数,减少无功,减少无功的方法就是无功补偿,使负荷所吸收的无功被就地平衡, 避免大量无功电流的传输,这样既可以避免低功率因数罚款,相反、还能获得奖励。

  3 谐波的产生及危害

  电力谐波对电力网(用户)危害是十分严重的,它是一种电力污染,一种人们看不见、嗅不到、摸不着的污染。所以往往不被人们注意。对于电力系统,谐波是个很要命的问题!

  3.1 谐波的概念

  当电网中的电压或电流波形非理想的正弦波时,即说明其中含有频率高于50hz 的电压或电流成分, 我们将频率高于50hz 的电流或电压成分称之为谐波。当谐波频率为工频频率的整数倍时,我们将其称之为整数次谐波,这类谐波通常用次数来表示。例如:将频率为工频频率5 倍(250hz)的谐波称之为5 次谐波,将频率为工频频率7 倍(350hz)的谐波称之为7 次谐波,依此类推。当谐波频率不是工频频率的整数倍时,我们将其称之为分数谐波。这类谐波通常直接使用谐波频率来表示。例如:频率为1627hz 的谐波。

  3.2 谐波产生的原因。

  谐波产生的原因多种多样,比较常见的有2 类:第1 类是由于非线性负荷而产生谐波,例如可控硅整流器、开关电源等, 这一类负荷产生的谐波频率均为工频频率的整数倍。例如三相六脉波整流器所产生的主要是5 次和7 次谐波,而三相12 脉波整流器所产生的主要是11 次和13 次谐波;第2 类是由于逆变负荷而产生谐波,例如中频炉、变频器,这一类负荷不仅产生整数次谐波,还产生频率为逆变频率2 倍的分数谐波。例如: 使用三相六脉波整流器而工作频率为820hz 的中频炉则不仅产生5 次和7 次谐波,还产生频率为1640hz 的分数谐波。

  谐波在电网诞生的同时就是存在的,因为发电机和变压器都会产生少量的谐波。但是由于产生大量谐波的用电设备不断增加,并且电网中大量使用的并联电容器所造成的谐波放大,使得谐波的影响越来越严重,逐渐引起人们的重视。

 

  3.3 谐波造成的危害

 

  当电网中的谐波电流较大,以至于电压波形也产生畸变时,我们将其称之为电网被污染。电网的污染程度用电压波形畸变率来表示,简称thdu。按照国家标准gb/t14549-93《电能质量公用电网谐波》的规定:10kv 电网的thdu 应小于4%,400v 电网的thdu 应小于5%。谐波与无功电流不同。无功电流只影响电网的电压,并增加供电系统的铜损,通常不会影响用户,也不会影响计量精度。而谐波的影响可以用“无孔不入”来形容。在电网被污染的情况下,所有电网中的设备与负荷均会受到影响。谐波与无功还有一点不同:无功电流在没有补偿的情况下会一直传送到发电机,而谐波电流通常全部被电网中的设备与负荷吸收掉。


【上一个】 电网谐波产生的原因、危害以及治理
【下一个】 谐波治理方案及元器件的选取

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