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詳解功率因素與電容補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用

發(fā)布時(shí)間:2019-04-26 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】在交流電路中,電壓與電流之間的相位差(Φ)的余弦叫做功率因數(shù)。用符號cosΦ表示,在數(shù)值上,功率因數(shù)是有功功率和視在功率的比值,即cosΦ=P/S功率因數(shù)的大小與電路的負(fù)荷性質(zhì)有關(guān), 如白熾燈泡、電阻爐等電阻負(fù)荷的功率因數(shù)為1,一般具有電感或電容性負(fù)載的電路功率因數(shù)都小于1。
 
在交流電路中,電壓與電流之間的相位差(Φ)的余弦叫做功率因數(shù)。用符號cosΦ表示,在數(shù)值上,功率因數(shù)是有功功率和視在功率的比值,即cosΦ=P/S功率因數(shù)的大小與電路的負(fù)荷性質(zhì)有關(guān), 如白熾燈泡、電阻爐等電阻負(fù)荷的功率因數(shù)為1,一般具有電感或電容性負(fù)載的電路功率因數(shù)都小于1。功率因數(shù)是電力系統(tǒng)的一個(gè)重要的技術(shù)數(shù)據(jù)。功率因數(shù)是衡量電氣設(shè)備效率高低的一個(gè)系數(shù)。功率因數(shù)低,說明電路用于交變磁場轉(zhuǎn)換的無功功率大,從而降低了設(shè)備的利用率,增加了線路供電損失。所以,供電部門對用電單位的功率因數(shù)有一定的標(biāo)準(zhǔn)要求。
 
詳解功率因素與電容補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用

(1) 最基本分析:拿設(shè)備作舉例。例如:設(shè)備功率為100個(gè)單位,也就是說,有100個(gè)單位的功率輸送到設(shè)備中。然而,因大部分電器系統(tǒng)存在固有的無功損耗,只能使用70個(gè)單位的功率。很不幸,雖然僅僅使用70個(gè)單位,卻要付100個(gè)單位的費(fèi)用。在這個(gè)例子中,功率因數(shù)是0.7 (如果大部分設(shè)備的功率因數(shù)小于0.9時(shí),將被罰款),這種無功損耗主要存在于電機(jī)設(shè)備中(如鼓風(fēng)機(jī)、抽水機(jī)、壓縮機(jī)等),又叫感性負(fù)載。功率因數(shù)是馬達(dá)效能的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。
 
(2) 基本分析:每種電機(jī)系統(tǒng)均消耗兩大功率,分別是真正的有用功(叫千瓦)及電抗性的無用功。功率因數(shù)是有用功與總功率間的比率。功率因數(shù)越高,有用功與總功率間的比率便越高,系統(tǒng)運(yùn)行則更有效率。
 
(3) 高級分析:在感性負(fù)載電路中,電流波形峰值在電壓波形峰值之后發(fā)生。兩種波形峰值的分隔可用功率因數(shù)表示。功率因數(shù)越低,兩個(gè)波形峰值則分隔越大。保爾金能使兩個(gè)峰值重新接近在一起,從而提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。
 
電容補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用
 
隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高,大量的居住樓盤、高檔商場、賓館、辦公樓等民用建筑在城市中拔地而起,使城市用電量快速增長。但是,在這些民用建筑場所內(nèi)使用的多為單相電感性負(fù)荷,因其自身功率因數(shù)較低,在電網(wǎng)中滯后無功功率的比重較大。為保證降低電網(wǎng)中的無功功率,提高功率因數(shù),保證有功功率的充分利用,提高系統(tǒng)的供電效率和電壓質(zhì)量,減少線路損耗,降低配電線路的成本,節(jié)約電能,通常在低壓供配電系統(tǒng)中裝設(shè)電容器無功補(bǔ)償裝置。主要通過設(shè)計(jì)工作中所遇到的具體工程對無功自動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆绞胶桶惭b位置作出了分析和比較。
 
1分相自動(dòng)補(bǔ)償?shù)谋匾?/div>
 
無功自動(dòng)補(bǔ)償按性質(zhì)分為三相電容自動(dòng)補(bǔ)償和分相電容自動(dòng)補(bǔ)償。
 
三相電容自動(dòng)補(bǔ)償適用于三相負(fù)載平衡的供配電系統(tǒng)。因三相回路平衡,回路中無功電流相同,所以在補(bǔ)償時(shí),調(diào)節(jié)無功功率參數(shù)的信號取自三相中的任意一相,根據(jù)檢測結(jié)果,三相同時(shí)投切可保證三相電壓的質(zhì)量。三相電容自動(dòng)補(bǔ)償適用于有大量的三相用電設(shè)備的廠礦企業(yè)中。
 
在民用建筑中大量使用的是單相負(fù)荷,照明、空調(diào)等由于負(fù)荷變化的隨機(jī)性大,容易造成三相負(fù)載的嚴(yán)重不平衡,尤其是住宅樓在運(yùn)行中三相不平衡更為嚴(yán)重。由于調(diào)節(jié)補(bǔ)償無功功率的采樣信號取自三相中的任意一相,造成未檢測的兩相要么過補(bǔ)償,要么欠補(bǔ)償。如果過補(bǔ)償,則過補(bǔ)償相的電壓升高,造成控制、保護(hù)元件等用電設(shè)備因過電壓而損壞;如果欠補(bǔ)償,則補(bǔ)償相的回路電流增大,線路及斷路器等設(shè)備由于電流的增加而導(dǎo)致發(fā)熱被燒壞。這種情況下用傳統(tǒng)的三相無功補(bǔ)償方式,不但不節(jié)能,反而浪費(fèi)資源,難以對系統(tǒng)的無功補(bǔ)償進(jìn)行有效補(bǔ)償,補(bǔ)償過程中所產(chǎn)生的過、欠補(bǔ)償?shù)缺锥烁菍φ麄€(gè)電網(wǎng)的正常運(yùn)行帶來了嚴(yán)重的危害。
 
據(jù)有關(guān)資料介紹,某地綜合樓是集商場、銀行、辦公、車庫、賓館為一體的一類高層建筑,總建筑面積3.2萬m2。主要用電設(shè)備有空調(diào)機(jī)組、水泵、風(fēng)機(jī)及照明燈具等,其中照明燈具均為單相負(fù)荷,功率因數(shù)在0.45-0.75之間。低壓有功計(jì)算負(fù)荷2815KW,其中,照明用電有功負(fù)荷1086.5kw,其它負(fù)荷基本為空調(diào)、風(fēng)機(jī)、水泵、電梯等三相負(fù)荷。補(bǔ)償前無功功率3182kvar,若整體功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)?.92,需補(bǔ)償1982kvar,補(bǔ)償后無功功率1200kvar。原設(shè)計(jì)采用低壓配電室并聯(lián)電容器組三相集中自動(dòng)補(bǔ)償,工程竣工投入使用后,經(jīng)常出現(xiàn)儀器、燈具等用電設(shè)備燒壞或不能正常使用等情況,影響正常經(jīng)營和工作。經(jīng)現(xiàn)場測試,發(fā)現(xiàn)低壓饋線回路三相負(fù)荷不平衡,差距很大,電流差異大,最大相電流差為900A;檢測母線電壓,三相母線電壓有的高達(dá)260V,有的低到190V。通過分析是三相電容自動(dòng)補(bǔ)償造成的結(jié)果。
 
對于三相不平衡及單相配電系統(tǒng)采用分相電容自動(dòng)補(bǔ)償是解決上述問題的一種較好的辦法,其原理是通過調(diào)節(jié)無功功率參數(shù)的信號取自三相中的每一相,根據(jù)每相感性負(fù)載的大小和功率因數(shù)的高低進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償,對其它相不產(chǎn)生相互影響,故不會(huì)產(chǎn)生欠補(bǔ)償和過補(bǔ)償?shù)那闆r。
 
該裝置的控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊采用新型單片機(jī)和大規(guī)模集成電路,開關(guān)模塊采用大功率晶閘管,實(shí)現(xiàn)電容器組的零電壓投入和零電流切除,無合閘浪涌電流沖擊,無火花和諧波干擾。產(chǎn)品特點(diǎn)如下:
 
⑴實(shí)現(xiàn)了控制模塊的數(shù)字化和智能化,開關(guān)執(zhí)行單元無觸點(diǎn),確保了控制精度和運(yùn)行的可靠性;
 
⑵全自動(dòng)分相、分級按需補(bǔ)償;
 
⑶可靈活設(shè)定過壓、欠壓、欠流延時(shí)等參數(shù),具有完善的越限報(bào)警和過壓、欠壓、缺相、缺零、諧波越限保護(hù)縮閉功能,保證系統(tǒng)安全運(yùn)行;
 
⑷實(shí)時(shí)數(shù)字式測量、顯示電網(wǎng)中的主要參數(shù):功率因數(shù)、電壓、電流、諧波電壓及電流、有功功率及電度、無功功率及電度等;
 
⑸帶有諧波分析,測量總的諧波失真(THD)以及1~31次諧波電壓及電流,為治理諧波提供準(zhǔn)確的數(shù)字依據(jù);
 
⑹采用“自愈式”電容器,具有使用壽命長、可靠性強(qiáng)、溫升小、無需專門散熱裝置等優(yōu)點(diǎn);
 
⑺具有數(shù)據(jù)采集功能和標(biāo)準(zhǔn)的通信接口(RS232),可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測和計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)管理;
 
⑻采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),易于維護(hù)和升級。
 
從上述產(chǎn)品的功能可以看出,智能三相自動(dòng)無功補(bǔ)償能自動(dòng)檢測各相負(fù)載的功率因數(shù),同時(shí)自動(dòng)分相投入各相所需的電容補(bǔ)償量,以使各相的無功功率補(bǔ)償達(dá)到最佳狀態(tài),對于大量使用單相用電負(fù)荷,易產(chǎn)生三相不平衡的用電單位如住宅小區(qū)、賓館、飯店、大型商場等民用建筑的配電系統(tǒng)有改善功率因數(shù)、提高電網(wǎng)效率、改善電壓質(zhì)量、節(jié)約用電、增大變器有功容量等顯著效果,較大程度滿足了“電網(wǎng)綠化”的要求。  
 
2分組電容自動(dòng)補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用在低壓電網(wǎng)中大量的用電設(shè)備為電感性,尤其是在大面積、大開間的商場、辦公樓等日常生活和辦公場所,大都會(huì)采用發(fā)光效果好的熒光燈進(jìn)行人工照明。熒光燈具有光效好、壽命長、無污染等特點(diǎn),屬綠色光源。目前,民用建筑工程中大量使用電感型鎮(zhèn)流器熒光燈,壓它具有成本低、壽命長、維修工作量少、投資少等優(yōu)點(diǎn),但其啟動(dòng)時(shí)間長,功率因數(shù)低,約為0.5~0.6,自身損耗大,加大了供配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)損耗,造成了能源的浪費(fèi)。
 
通過電容補(bǔ)償?shù)姆绞絹斫鉀Q大面積商場、辦公樓的感性負(fù)荷功率因數(shù)低的問題是目前設(shè)計(jì)中常用的方法。
 
我們在設(shè)計(jì)中通常的做法有兩種:在變配電所設(shè)置集中高壓或低壓補(bǔ)償柜,對系統(tǒng)前端進(jìn)行補(bǔ)償,雖能滿足供電部門對并網(wǎng)功率因數(shù)的要求,但對以下各級分支電路不作補(bǔ)償,因此低壓配電線路中無功電流大,從而造成線路截面和配電開關(guān)容量不能減小,且不能保證整個(gè)低壓系統(tǒng)的供電質(zhì)量;另一種做法是在每臺用電設(shè)備或每盞照明燈具內(nèi)設(shè)置電容器個(gè)別單獨(dú)進(jìn)行補(bǔ)償,這種方式效果較好,對于廠礦企業(yè)使用的單臺大容量用電設(shè)備比較適用,但對于大型商場等民用建筑來說,補(bǔ)償投資成本太大,性價(jià)比低,安裝分散,造成后期維修量大、維修困難,且電容器利用率低,實(shí)際應(yīng)用并不理想,所以很少采用。
 
在目前低壓補(bǔ)償電容器技術(shù)和制造質(zhì)量、自動(dòng)投切裝置有了很大提高的前提下,筆者認(rèn)為在這類民用建筑的配電系統(tǒng)中分組設(shè)置補(bǔ)償電容,即根據(jù)建筑使用功能分區(qū),用電較集中、電氣設(shè)備功率因數(shù)較低的配電箱處設(shè)置電容補(bǔ)償裝置較為適宜。
 
分組補(bǔ)償可提高設(shè)備利用率,減少配電系統(tǒng)容量
 
視在功率S=,由此可知在有功功率不變的前提下,提高功率因數(shù)可降低無功功率,減小配電系統(tǒng)的容量。
 
當(dāng)功率因數(shù)由0.65提高到0.92時(shí),設(shè)備利用率為:
 
η=×100%=×100%=29.35%  
 
即補(bǔ)償后設(shè)備利用率提高了29.35%。
 
在選用型號及截面相同的電纜時(shí),減少了線路損耗
 
根據(jù)公式:I=,線損P=12R,則:
 
ΔP=2R-2R  
 
η==×100%=×100%=50.08%  
 
即補(bǔ)償后線路損耗降低了50.08%。
 
2分組補(bǔ)償?shù)目尚行?/div>
 
下面結(jié)合工程應(yīng)用舉例說明分組補(bǔ)償?shù)目尚行浴?/div>
 
某地新華書店大樓由商場、書店?duì)I業(yè)廳、餐飲、賓館、地下車庫、辦公室組成,屬一類高層,功能較復(fù)雜。其中1~6層為書店?duì)I業(yè)廳,單層面積約2800m2(標(biāo)準(zhǔn)層,每層均相同),其照明采用電感類熒光燈,功率因數(shù)較低。方案設(shè)計(jì)時(shí)只在變電所設(shè)集中補(bǔ)償柜.
 
1~6層配電照明箱由變配電所采用一回路供電,開關(guān)為1250A,空氣絕緣母線槽選用一段1250A,每層配電照明箱進(jìn)線開關(guān)選用250A;分組每層設(shè)電容補(bǔ)償比在變配電所設(shè)集中補(bǔ)償柜電容器總?cè)萘恳叱?0%左右。但減少了開關(guān)、供電線路的投資,這部分費(fèi)用相對于電容器的投資要高許多。每層在配電照明箱處設(shè)電容補(bǔ)償并不增加配電箱的數(shù)量,只需將配電照明箱的尺寸加大,電容器裝于箱內(nèi),這樣也節(jié)省了低壓配電室內(nèi)電容補(bǔ)償柜的占地面積。另因?yàn)檠a(bǔ)償電容配置了智能控制器,產(chǎn)品模塊化,具有數(shù)據(jù)采集功能和標(biāo)準(zhǔn)的通信接口(RS232),可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測和計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)管理,便于檢測、維護(hù)和升級。
 
從上述舉例可看出,根據(jù)各層配電照明箱的設(shè)置分組裝設(shè)電容補(bǔ)償?shù)姆绞捷^好地解決了集中和個(gè)別設(shè)置補(bǔ)償造成的線路中無功電流增大、相應(yīng)配電線路截面及開關(guān)容量加大和補(bǔ)償投資成本大、安裝分散、后期維修量大、維修困難等問題。對于大型商場、寫字樓等大量使用低功率因數(shù)設(shè)備的民用建筑設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)具體情況采用分組設(shè)置電容補(bǔ)償方式比較合理。

 
 
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