无功功率的测量分析

无功功率的测量分析（精选7篇）

无功功率的测量分析 第1篇

无功功率的存在对供电系统和负荷的运行有以下几方面的影响：增加设备容量；增加设备及线路损耗；使线路及变压器的电压降增大[1]。由于以上原因，对供电系统和负荷要进行无功功率补偿。

进行补偿时，快速、准确地检测出需要补偿的无功功率大小是关键因素，因为它决定着补偿效果的实时性和准确性，尤其是在新型的基于电力电子开关的补偿装置中更为重要。

2 无功功率的传统测量方法

无功功率的测量方法有很多种，传统的测量方法有替代法、傅里叶分析测量法、移相测量法[2]。

替代法主要使用在无功功率变送器中，用于测量三相平衡线路的无功功率。当三相电路严格平衡对称时，此方法不存在原理性误差，但是在电路不对称和多谐波条件下，这种方法完全不适用。

傅氏测量法的原理基于数学上的傅里叶变换，在理论上不存在测量误差。但是，其计算量很大，在实时性能要求较高的条件下很少应用。

移相测量法是实际上应用最为广泛的一种方法。其基本原理为：根据三角公式变换余弦函数的相角减去90°以后可直接变为正弦函数，从而把无功测量转化为有功测量，也就是转化为求两个向量的内积：

将电流、电压的信号波形其中的一个在基频处向右移动90° (或是向左移动270°) ，即1/4个基本周期，其他的波形保持不变，将所得到的电流、电压信号在一个周期内积分，即得到无功功率。如表达式 (3) 所示。

其中T为基波周期。

传统意义上的移相测量法可以分为电子移相测量法和数字移相测量法。电子移相测量法多用于比较高级的综合仪器中，根据式 (1) 、 (2) 得以实现。在理想状态下，由于电子移相具有对谐波频率有很好的适应性能，故测量不存在原理性误差。但在工程上电容与电阻是实际器件，其值及相应的效应与理想差距很大，故使用电子移相的效果在工程上并不理想。数字移相测量法的理论依据为式 (3) ，在数字信号处理器DSP (Digital Signal Processor）系统中，时间延迟法可以通过一定数量的采样点（与1/4基波周期等价的采样点数）的方法来实现。数字移相测量法在原理上不存在理论误差，该方法的问题主要是数字移相对谐波频率的适应性较差。

3 瞬时无功功率测量的新方法

本文所介绍的新方法，结合了电子移相和数字移相的优点，在基波和谐波的条件下基于一点均可以得到准确的测量值。基本原理是移相, 但是与传统的移相法不同之处是电压和电流同时移相。故该方法简单易行，即没有坐标变换又省去了许多的三角函数运算。框图如下：

如图1所示，u、i分别为单相电路电压、电流的瞬时值，LPF是低通滤波器。u、i经过90°移相电路后分别是u'、i'，经过乘积、求和、比例运算及其滤波即可计算出电路的瞬时无功功率q。

理论上验证如下：

3.1 正弦电路的无功功率

在正弦稳态的情况下，设正弦电压、电流的瞬时值分别为： (4)

式中为一端口电压、电流的相位差。

u、i移相90°后分别是u'、i'：

所以由式 (10) 即可计算出电路中的无功功率

3.2 非正弦电路的无功功率

3.2.1 电压为正弦、电流为非正弦时的情况

在公用电网中，通常电压的波形畸变都很小，但由于非线性负载的存在，电流的畸变则可能很大。因此，不考虑电压畸变，研究电压波形为正弦波、电流波形为非正弦波时的情况有很大的实际意义[3]。

设电压u、u'的表达式如式 (4) 、 (6) 所示，电流i、i'的表达式如式 (12) 、 (13) 所示：

q'经低通滤波器LPF滤波后即可得到q:

3.2.2 电压、电流同为非正弦情况

设u、u'的表达式如式 (18) 、 (19) 所示，电流i、i'的表达式如式 (12) 、 (13) 所示：

经过同样的一系列运算，可以得到：

由式 (11) 、 (17) 、 (20) 我们可知，无论电路为正弦还是非正弦，无功功率的大小可以通过同样的运算，再经过低通滤波器滤除谐波部分得到。而当电路中电压、电流同为非正弦时，补偿的无功功率既包括由基波电流产生的无功功率，又包括由谐波电流产生的无功功率 (畸变功率) 的一部分。

4 无功功率测量电路的实现

本文介绍的无功功率测量方法的实现方式可以用模拟电路，也可以用数字电路。用模拟电路实现时，单相电路只需要2个乘法器，三相电路也只需要6个乘法器，电路结构很简单。

用模拟电路实现无功功率测量时电路的运算过程为：系统电压和电流分别经过电压互感器和电流互感器变换，经过90°移相电路后由两个乘法器实现相乘运算，乘法器的输出结果再经过求和、比例放大、滤波即可得到无功功率的检测结果。

5 仿真

在图3a中，经电压互感器变换后的电压参数取

经电流互感器（电流输入、电压输出）变换后的电压参数取

从仿真波形可以得到滤波前、后的无功功率代数值的大小：为未滤波前的无功功率代数值；为滤波后的无功功率代数值。

在图4a中，经电压互感器变换后的电压参数取

经电流互感器（电流输入、电压输出）变换后的电压参数取

而V (N153457) 代表了总的电流波形。

从仿真波形可以得到滤波前、后的无功功率代数值的大小：V (N155479) 为未滤波前的无功功率代数值；V (N152461) 为滤波后的无功功率代数值。图3b、图4b分别是图3a、图4a的局部放大图。

6 结论

该文所介绍的基于一点电压、电流瞬时值测量无功功率的新方法，通过理论验证和仿真分析可知，无论在正弦电路还是非正弦电路都是一种切实可行、准确性很高的方法，通过此方法测量的无功功率大小完全可以作为实时无功补偿的依据。

参考文献

[1]王兆安, 杨君, 刘进军.谐波抑制和无功功率补偿.北京:机械工业出版社, 2004.2

[2]邹红妮.数字低通滤波器在多谐条件下无功功率测量中的应用.现代电子技术, 2004 (14) :66-67

无功功率的测量分析 第2篇

1、补偿装置的响应时间

无功功率补偿装置的响应时间，是补偿装置最重要的指标之一，尤其在汽车工业的点焊机工况下，响应时间的快慢直接影响到钢板焊接质量。

TSC动态无功功率补偿装置的响应时间已经中国国家电控配电设备质量监督检验中心测试检验.补偿装置从网络检测、运算（控制器部分）到电子开关触发可控硅模块、直至投切电容器组实现无功补偿，总的响应时间≤20ms。

2、降低浪涌电流，延长设备使用寿命

高压 TSC 动态无功功率补偿装置是一种动态跟踪补偿的新型电容补偿装置，该产品采用全数字化智能控制系统，利用大功率晶闸管串联组成高压交流无触点开关，可实现对多级电容器组的快速过零投切。为防止和减小在电容器投入时产生的浪涌电流（浪涌电流过大会影响电容器的寿命），电容器的投切过程是一个很重要的技术问题。TSC动态无功功率补偿装置采用了电流过零触发技术，电容器组投入时不产生浪涌电流，不会对电容器及电子开关等器件造成损伤，延长了电容器、可控硅模块的使用寿命.TSC系列可控硅动态无功功率补偿器采用全智能控制,由控制器,双向可控硅,放电电阻,电容器,电抗器,保护元件组成。控制器实时跟踪测量负荷的功率因数,无功电流,与预先设定的给定值进行比较,动态控制投切不同组数的电容器,以保证功率因数始终满足设定要求。整个测量执行过程在一个周波内完成(时

间<20ms),控制器确保可控硅过零触发。确保投切电容无冲击,无涌流,无过渡过程。既动态快速跟踪负荷变化,又克服了传统 无功补偿器对电容器所产生的危害和自身固有的缺陷。

3.解调电抗器和电容器

根据国标GB50227－95<<并联电容器装置设计规范>>5.5用于抑制涌流和抑制谐波的电抗器，当并联电容器装置接入电网处的背景谐波为5次及以上时，电抗率宜采用4.5%~6%；当并联电容器装置接入电网处的背景谐波为3次及以上时，电抗率宜采用12%……因为一旦发生谐振，谐振电流将达到数百倍的电容器额定电流，足以损坏电容器，严重时甚至导致低压配电系统的崩溃。

在常规有接点控制电容补偿柜中，都没有安装7%的解调电抗器，电容器的使用寿命短甚至发生爆裂，与其都有一定的关系。近年来在欧美各国都十分重视这一问题，我们所见到的国外无功功率补偿装置，在电容器前都串接了该电抗器，诸如德国法兰克公司、芬兰诺基亚公司的产品。TSC动态无功功率补偿装置平衡补偿系统中电容器前串接了特制的解调电抗器，在不平衡补偿系统中电容器前串接了特制的解调电抗器，以防止电容器组与电网产生五次、三次谐波并联谐振。

4、控制器功能范围

TSC系列可控硅动态无功功率补偿器采用大功率可控硅组成的无触点开关,对多级电容器组进行快速无过渡投切,克服了传统无功功率补偿器因采用机械触点烧损,对电容冲击大等缺点。对各种负荷均能起到良好的补偿效果。TSC-W型补偿器采用的三相独立控制技术解

决了三相不平衡冲击负荷补偿的技术难题,属国内首创,填补了国内空白。TSC动态无功功率补偿器动态响应速度快(小于20ms),节能降耗效果显著,动态补偿功率因数,具有降低损耗,稳定负载电压,增加变压器带载能力等功能,是无功功率补偿领域的更新换代产品。动态无功功率补偿装置的控制器内设三相网络分析仪，测量包括谐波在内的所有电网参数，并有独特的自诊断和综合的图文报表功能，通过RS-485或RS－232通讯接口能与上位机实现通讯。使用户对配电系统各种电力参数有全面的了解，可实时监控焊装车间生产设备的运行情况。

5、关于三相不平衡补偿接线方式

汽车工业点焊设备绝大多数是用380V电源，由二相供电（L1—L2、L2—L3或L3—L1）,通常三相负载的平衡问题在工厂供电设计时就已经考虑，把点焊机的供电布局接近平衡，避免因三相不平衡而出现零序电流，所以在这种情况下通常采用三相平衡就可以了。参看欧美几个大汽车公司的有关资料，点焊机的供电不平衡度为20%以下时，对供电网络采用无功功率平衡补偿无大碍，在不平衡度超过20%时，就应该考虑选用不平衡补偿.TSC的三相不平衡补偿系统，补偿电容器组额定电压为440V，且电容器分为三组，每组分别连接L1-L2、L2-L3、L3-L1。当点焊机一旦工作，控制器同步进行网络检测分析，分别确定连接L1-L2、L2-L3、L3-L1电源上的点焊机所需的无功功率，并与设定的目标值比较，在小于20ms内投切对应在L1-L2、L2-L3、L3-L1上的不同容量的电容器

组，从而及时补偿无功功率。

无功功率的测量分析 第3篇

请见图1:

2 计算

根据上图1和图2可得W1、W2、W3所测瞬时有功分别为

三表的电量测量值分别为:

注:式中的Iu、Iv、Iw为线电流, Uu、Uv、Uw为相电压

∴P2=I线U相COSΦ (4)

大家都知道在较对称的三相四线制线路中的有功功率 (电能) 的计算公式为:

Wh=P=√3I线U线h COSΦ=3I线U相h COSΦ=3W2h=3P2

从式 (1) 、 (3) 、 (4) 得电能计算公式为:

∵三相基本对称

同样得:W1+W3=W2

也就是说:

根据三表的测量读数, 可用三种方法计算该线路电能消耗

一是:P4=3P2

二是:P5=h P2+2 (P1+P3)

三是:P6=3 (P1+P3)

当然:此所算三数不会完全相等, 即使线路完全对称, 也因二次线路和三表的计量误差不会绝对相等。但不会相差很大, 为尽量减少误差可取P4、P5、P6的平均值作为最后得数即:

∴总有功P= (P4+P5+P6) /3

功率因数为:

根据P1、P3的读数和 (5) / (6) 得:

又∵Iu=Iw

从 (7) 得:

合并同类 (P3-P1) COS60°COSΦ= (P1+P3) Sin60°SinΦ

3 结论

上面我们算出了tgΦ的值, 我们就很容易算出COSΦ的值了。

根据下二式Sin2Φ+COS2Φ=1

SinΦ/COSΦ=tgΦ (已求出)

可分别算出COSΦ和SinΦ值了。

功率因数=COSΦ=1/√[1/ (tg2Φ-1) ]

又∵

无功/有功=Q无/P有=tgΦ (8)

从 (8) 式得:

盾构机无功功率补偿系统分析 第4篇

在盾构机电网系统中存在大量的感性负载, 感性负载消耗着大量的无功功率, 无功功率的存在对电网的影响主要有以下几个方面:无功功率增加, 导致电流增大和视在功率增加, 从而使变压器、控制设备和导线等电器设备容量增加;供电设备及线路损耗增加;变压器及线路的电压降增大, 使电网电压产生波动。

1 盾构施工现场存在的问题

在现场运行过程中, 几乎所有设备上的无功功率补偿系统都存在以下的问题:现场检测功率因数值偏低;始发不久就会出现补偿回路的熔断器烧坏, 甚至有的工地电容器烧坏。针对此现象, 对此问题做了以下分析。

1.1 项目分析

以直径6.28m土压盾构机项目为例, 数据如表1所示。

按照如上计算结果, 除拼装模式功率因数低于0.9外。整个电网系统无需补偿就可以达到用电标准。但现场会发现实际检测功率因数值有时候会低至0.6。出现这种现象是因为在计算过程中忽略了一个很重要的因素:电机负载。上述计算结果是在电机满载运行时候的功率因数计算出来的。实际上, 在掘进模式还是拼装模式下, 不是所有运行中的电机都能在额定功率下运行。电机在额定功率下的功率因数在0.9左右。小于额定功率运行时的功率因数为额定运行条件下的50%左右。空载运行则更低只有20%左右。所以, 如果按此情况根据现场实际电机使用率做个估算, 其结果如下表2所示: (下列结果都以满载功率因数的50%计算)

由表2可以看出, 计算结果中功率因数已经小于0.9。这就说明, 现场设备运行时, 所有参与工作的电机都不在满负载状态工作, 甚至有些电机长时间处于空载。所以导致现场检测功率因数值比估算结果还要低。这就说明了前面提到的现场检测功率因数偏低的现象。

2 补偿原则

2.1 盾构机电网无功补偿原则

盾构机上存在着非线性负载如刀盘主驱动变频器。非线性负载产生大量谐波电流并注入到系统电网中。当电网存在谐波时, 单纯并联电容器组的无功补偿方式有如下弊端:并联电容对谐波有放大作用, 易发生串联谐振或并联谐振, 使系统电压及电流的畸变更加严重;由于谐波电流叠加在电容器基波电流上, 使电容器的电流有效值增大, 造成温度升高, 烧坏回路熔丝甚至烧坏电容器。

从表1可知, 整个系统在掘进模式下的谐波污染大约为57%。无功功率补偿原则为, 当谐波污染大于25%时, 就应该采取调谐型补偿。调谐型补偿即在补偿回路中串联电抗器。它可以有效抑制谐波, 防止发生谐振。而盾构机的电网系统全部采用标准补偿, 这种补偿方式在谐波污染如此严重的系统中无疑会出现谐振, 放大谐波。导致电容器过载, 产生发热或烧坏。

2.2 调谐型补偿算法

盾构机电网系统的谐波次数一般为5次。根据并联电容装置设计规范对调谐补偿装置的电抗率规定。背景谐波为5次及以上时, 电抗率K取4.4%~6%。

若将功率因数从拼装模式下的0.7322提高到0.90.根据公式:

(1) 计算得出需要补偿电容165 kvar。选择5步单步补偿:

根据Schneider补偿产品为例, 可选电抗率K=5.4%。

(2) 计算电容器最低设计电压:

以Schneider无功补偿产品为例, 可选电容器设计电压为480V。

(3) 计算设计电压为480V电容器的设计容量QC1

(4) 确定电抗器参数L (m H) :

根据以上计算结果, 实现补偿容量单步40kvar, 共5组。

3 结束语

与纯电容补偿回路相比, 串联电抗器后, 电容器端电压会升高, 高于电网电压, 并使无功功率补偿容量增加。所有选取电容器的设计电压需要高于电网电压, 选择与之匹配的电抗器。同时电抗率是该装置的重要参数, 这一参数需根据电网频谱特性选择。此种补偿方式能使回路的调谐频率低于网络中产生的最低次谐波频率。这样, 该装置在工频时呈容性, 改善功率因数;在谐波频率时呈感性, 防止谐波放大, 防止产生过大的冲击电流。烧坏回路的元器件。所以, 串联进电抗器后的补偿回路不会出现上面所说的烧坏回路断路器或者电容器的现象。

提高整个系统的功率因数, 有利于充分利用电源设备容量, 改善供电质量, 同时也是响应国家节能环保号召的实际体现。

参考文献

[1]李申山, 许鸣珠, 马立明, 等.盾构机电气系统总体设计分析[J].筑路机械与施工机械化.

[2]刘宣宇, 邵诚.盾构机自动控制技术现状与展望[J].机械工程学报.

[3]王晋萍.浅谈提高功率因数的好处和方法[J].

[4]李凤祥, 赵不贿.谐波抑制和无功功率补偿技术的研究与应用[J].电力系统及其自动化学报.

无功功率的测量分析 第5篇

1 适用范围的差异

GB/T 15576-1995《低压无功功率静态补偿装置总技术条件》适用于交流50 Hz,额定工作电压不超过1 200 V,用并联电容器对连续运行的异步电动机、感性负荷及供配电系统改善功率因数的各类低压无功功率补偿装置[1]。

而GB/T 15576-2008《低压成套无功功率补偿装置》适用于额定交流电压不超过1 000 V(或1 140 V),频率不超过1 000 Hz的低压成套无功功率补偿装置,由标准名称还可见旧版标准适用的范围属于静态的补偿装置[2]。

2 试验的差异

2.1 试验项目的变化

1)出厂试验增加了机械操作试验、保护电路有效性试验(条款7.6.1)、缺相保护试验三个项目。

2)型式试验增加了噪声测试、电磁兼容性试验(EMC)、动态响应时间试验、缺相保护试验、抑制谐波或滤波功能验证、基本环境试验6个项目,其中噪声测试和抑制谐波或滤波功能验证仅适用于有抑制谐波或滤波功能的装置;动态响应时间试验适用于半导体电子开关和复合开关投切的装置;缺相保护试验仅适用于有缺相保护的装置;基本环境试验仅适用于户外型装置;而装置的电磁兼容性试验(EMC)按GB 7251.1-2005中7.10的规定执行,如果满足下述条件:(1)按GB 7251.1-2005中7.10.1中规定的环境进行设计的组合器件和元件符合相关的产品标准或通用的EMC标准;(2)内部安装及接线是按照元器件制造商的说明书进行的(关于互相影响、电缆屏蔽和接地等方面的安排)。则可不做EMC试验,否则要按GB 7251.1-2005中8.2.8的规定进行EMC试验。

另外,在保护电路有效性试验、介电强度试验项目中还分别增加了保护电路的短路强度验证和绝缘电阻的验证,对于保护电路有效性的试验明确要求与主接地点间的接地电阻应不大于0.1Ω。

2.2 试验的变化

新版标准中,对以下几个方面的试验和要求有了新的规定:

(1)原集中补偿装置额定短时耐受电流分为80,50,30,15 kA,改为补偿装置的补偿容量不小于150 kvar的装置,其主电路的额定短时耐受电流应不小于15 kA,这是根据通常用电的功率因数下,补偿容量为150 kvar时,估算对应的电源系统容量所达到的短路电流确定。

(2)原装置的放电设施应保证电容器断电后,从额定电压峰值放电至50 V,历时不大于1 min,改为3 min,这一要求是根据GB/T 12747《自愈式低电压并联电容器》标准而确定的。

(3)原短路强度试验时,验证预期短路的试验电源电压应等于1.1倍额定工作电压,改为按GB 7251.1-2005的8.2.3规定试验方法进行,预期短路时试验电源电压为1.05倍额定工作电压,且明确要求在短路耐受强度验证后要进行工频耐压试验。

(4)增加了装置防护等级的最低要求,对于户内使用的装置防护等级应不低于IP20,户外装置防护等级应不低于IP44。

(5)原工频耐压试验时间参照GB 7251.1-2005的规定由1 min改为5 s。

(6)电气间隙和爬电距离的要求有所改变,以Ui=660 V为例,旧标准要求电气间隙大于或等于8 mm,而新标准要求电气间隙大于或等于10 mm,可见新标准要求更严格,见表1。

(7)放电试验由可以在任一组电容器上进行改为要在不同容量的电容器上进行。

(8)涌流试验的方法有所改变,由于涌流最大值发生在电容器合闸瞬间,刚好系统电压处于最大电压时,因此增加了检测投入最后一组电容器时电路中的涌流值时,要随机投入试验应不少于20次(或在峰值时投入,试验3次)的要求,对于半导体电子开关及复合开关投切电容器的涌流要求要限制在该电容器额定电流的5倍以下,对于采用机电开关投切电容器的涌流仍要求限制在该组电容器额定电流的100倍以下。

(9)装置中母线固定连接处的温升限值删除了“铝搪锡-铝搪锡”及“铝搪锡-铜搪锡”的要求,对于“裸铜-裸铜”的连接处温升限值由50 K改为60 K;对于“铜搪锡-铜搪锡”的连接处温升限值由60 K改为65 K;对于“铜镀银-铜镀银”的连接处温升限值由80 K改为70 K。

3 产品设计的要求

随着技术的不断发展,人们对供电质量的要求越来越高,产品的更替速度加快,新版标准中,在装置的设计方面也提出了明确的要求。

3.1 元器件及辅件的选择

1)电容器应保证在1.1倍额定电压下长期运行。2)由于通常元器件的选择应满足1.3倍电容器额定电流条件下连续运行,同时考虑到电容器最大电容可达1.10Cn,这时电容器最大电流可达1.43倍额定电流,所以元器件的选择应能满足在1.43倍电容器额定电流条件下连续运行。3)对于保护导体,标准明确了其(PE)截面积的要求,中性导体电流不超过相电流的30%时,标准中的保护导体也可以用于PEN导体,铜的PEN导体最小截面积应为10 mm2等。

3.2 装置的控制和保护

1)对非自动控制投切的设备,应设有过电流保护。2)采用机电开关投入电容器时,应保证每一组电容器在自动投入过程中,其端子间的电压不高于电容器额定电压的10%。3)装置应设有瞬态过电压保护,为了保证装置的可靠运行,应将这种过电压限制在2 2倍的额定电压以下。4)对于采用半导体电子开关或复合开关投切的装置,要求其动态响应时间应不大于1 s。5)对于多于2条补偿支路的三相补偿装置宜设有缺相保护,以保证当主电路缺相或支路缺相时,能将全部或缺相支路电容器切除。

4 设计中应考虑的其它问题

1)自动补偿的控制方式选择,不同的补偿目的,需选择不同的控制量,以节能为主要目的,应采用无功功率或无功电流作为控制参数;当三相负载较平衡时,也可采用功率因数作为控制参数;以改善电压偏差为主要目的,应采用电压作为控制参数。对冲击性负荷、变化快的负荷以及三相不平衡的负荷,可采用晶闸管进行投切,使补偿平滑无涌流,动态效果好,分相控制时,还有三相平衡的效果。2)保护器的选择,补偿装置的保护器一般为熔断器或小型断路器,根据小型断路器和熔断器的不同的安秒特性,推荐使用熔断器作为保护器。3)装置的谐波要求,在动态的补偿装置中,由于使用了半导体电子开关,补偿电流中包含了大量的各次谐波,故设计时必须考虑此电流对电源的影响。4)其它的保护功能,尽管标准中没有要求,但在设计中还要考虑低电压保护、失压保护、温度保护等功能。

摘要：通过对GB/T15576低压成套无功功率补偿装置标准的分析,系统地叙述了新旧版本标准的试验项目、方法和要求的差异,并给出了设计产品时为满足新版标准要求需要考虑的问题,对于标准的理解、产品的试验和设计具有一定的指导作用和实际应用价值。

关键词：低压,无功功率补偿装置,标准,试验

参考文献

[1]GB/T15576-1995低压无功功率静态补偿装置总技术条件[S].

配电网无功功率消耗分析及抑制 第6篇

在电力工程上用电感 (或电容) 的瞬时功率的振幅作为它与电源交换能量的度量, 称为无功功率 (reactive power) QL。

通俗地讲就是在电力传输和转换中不能转变成人们希望获得的机械、光热、化学的那一部分电能。

作为大港油田配电系统来说, 无功功率主要是指以滞后的功率因数运行的用电设备所吸收的感性无功功率 (见图1-1) 。主要是由配电线路、变压器、三相异步电动机等用电设备所吸收, 其中尤以三相异步电动机, 特别是轻载时, 吸收无功功率最多。

Q———三相对称电路中的无功功率

P———三相对称电路中的有功功率

S———三相对称电路中的视在功率

cosφ———功率因数

二、无功功率在电力系统的作用

在配电系统中许多根据电磁感应原理工作的设备如:变压器、异步电动机等, 都是感性负载 (电流滞后电压90) , 它们都要依靠磁场来传送和转换能量, 而无功功率就是产生交变磁场的那一部分能量 (见图2-1) 如铁心变压器两个线圈没有电的联系点, 只是通过磁场来转换, 根据法拉弟电磁感应定律, 空载变压器原边在电源电压U1的作用下, 绕组将有电流流入, 此电流 (该电流叫空载电流, 应近似等于磁化电流) 在变压器铁心中将建立起交变磁通, 它将穿过变压器的两个绕组及铁心, 从而使两个绕组产生感应电动势, 它的大小为:

三、配电系统中无功功率的负作用

理论上电力无功仅在电网中流动, 仅是形式的转换, 并不消耗能量, 如在正弦电路中, 纯电感在一个周期内所吸收的平均功率等于零 (见图3-1) 。

(式3-4含义为p线与横轴所围面积为零)

但是在配电系统中没有理想的纯电感, 纯电容电路, 在电磁交换能量的过程中存在磁滞、涡流、磁饱和、无用气隙等因素的影响, 造成无功功率不是等值流动, 而是有消耗的, 这种消耗叫无功功率消耗 (reactive power loss) 。

四、油田配电系统的无功功率消耗分析

1、配电线路的无功功率消耗分析

该损耗占配电系统总无功功率总消耗的10%, 由于Q与I2成正比, 线路所带负荷越大, Q越大。另外, 越是大截面导线 (XL值与导线截面有关) , 无功功率消耗的比重越大。

2、双绕组变压器的无功功率消耗分析

变压器的无功功率消耗包括激磁的无功功率消耗 (与负载大小无关) 和漏抗的无功功率消耗 (与负载有关) 两部分。计算公式见 (式3-6) 。变压器是一个感性的无功负载, 在变压器传输功率的过程中, 变压器自身的无功功率消耗远大于有功功率损耗。所以分析其无功功率消耗是非常必要的。该消耗由变压器制造工艺、材质及负载率大小等因素有关, 该无功功率消耗占配电系统总无功消耗的20%左右。

I0 (%) 、UK (%) 值变压器实验报告中可查到。

3、三相异步电动机的无功功率消耗分析

异步电动机的等值电路与变压器等值电路类似, 在此不再赘述。

异步电动机的无功功率消耗为激磁及及漏抗的无功功率消耗, 由于异步电动机的特殊构造, 其主磁场通过定子与转子之间的气隙来闭合, 所以异步电动机的无功功率消耗要比其有功功率损耗大得多, 同时, 其吸收的无功功率也比其他电器元件大得多。由异步电动机的工作特性 (见图3-4) 知道, 电机空载时, cosφ≤0.2 (见表3-1) 此时的空载电流绝大部分为磁化电流 (无功电流) , 所以其在空载、轻载时效率及功率因数极低, 电机需从电网吸收大量的无功功率。同时, 意味着无功功率消耗加大, 该项损耗占配电系统总无功功率消耗的70%左右。

五、大量的电力无功在配电系统中的流动存在以下缺陷:

1、电源容量增大, 增加了投资。

在电网中有功负荷不变的情况下, 无功的增加, 势必得增加电源容量。

2、影响供电质量, 电网波动大, 电压质量下降, 用电设备使用寿命降低。

由于R《X, 因而可以认为首末端的电压降落主要决定于线路上传输的无功功率多少。

3、由于无功功率的增大, 有功损耗及电能损耗也增大。在配电系统中, 因无功功率消耗引起的电能损耗较有功功率损耗引起的还要大。

注: (P———有功损耗A———电能损耗) , (式3-10)

Q增大P、A将增大很多。

六、降低无功功率消耗及控制无功流动的措施

1、合理选择配电线路的截面、供电半径及推广及应用节能金具力求降低配电线路的无功功率消耗

由以上分析知道, 配电线路的无功功率消耗和线路截面、供电半径及电压有关。

关于配电线路经济截面的选择, 油田公司生产运行处夏工已进行了详细的论述, 并对原经济电流密度值进行了校验 (校验值为0.4) , 这里不再赘述。供电半径由经济电流密度、输送容量及容许电压降落值决定原则上, 为减少无功功率消耗及电能损耗, 在选取供电半径时应选取下限值, 使供电半径适当减小, 从而使线路阻抗减小, 电压降落减小, 达到降低无功功率消耗的目的。

另外, 推广应用节能金具逐步替代现有的可锻铸铁的铁磁材料金具用以减少磁滞及涡流损耗, 降低无功功率消耗。

2、降低感性负载的损耗标准提高自然功率因数减少无功功率消耗

由以上分析得知, 要降低变压器、三相异步电动机的无功功率消耗。其一, 降低其本身损耗标准;其二, 选择适当的负载率, 提高自然功率因数。

(未完待续)

摘要：在油田配电网[35KV (6KV) 配电线路——变压器——380V线路——用户]中, 我们考虑节能时往往仅想到的是有功节电, 计算的是电能损耗, 而忽略了由于油田配电网中大量存在着感性负载, 导致了大量无功功率在电网的流动, 致使无功功率消耗也相应地增大。对于运行中的重载荷配电线路、变压器、异步电动机上的无功功率消耗要比有功功率损耗大得多, 所以有必要就此进行分析并找出相应的抑制对策。

无功功率的测量分析 第7篇

(一) 油田电网组成构架。

电力是油田生产运行的动力。依据行业建设特点, 油田都无自发电系统, 电源就近接入国电公网系统, 个别偏远的、远离电网的规模较小的区块采用自备发电小型机组, 油田电网建设原则为“外引电为主, 自发电为辅”, 油田电网自成体系, 只供给油田内部用电负荷, 同公网相对独立, 覆盖整个油区, 一般以110kV变电站为中心敷设80km左右。油田电网建设规模根据区域产量规模来确定, 对于百万吨以上油田建设110kV供电系统, 对于百万吨以下油田建设35kV供电系统。

(二) 油田电网用电负荷构成。

根据原油生产工艺, 原油集输、原油处理、供注水、原油稳定、轻烃处理等环节都需要电力供给, 电力消耗成本占原油生产总成本的25%。第一大用电负荷:采油井用电负荷占油田总体用电负荷的32%, 且采油井为冲程式工作原理, 上冲程时电机出力工作, 下冲程时电机处于发电状态, 功率因数为0.3;第二大用电负荷:供注水系统用电负荷占油田总体用电负荷的26%, 为机泵类负荷, 功率因数为0.8;油田其它用电负荷功率因数也多为0.65～0.85。原油集输受温度要求, 所以在冬季油田用电负荷较大。

受电网经营运行管理规定, 现有油田电网在接入国电公网处的功率因数都能达到规定要求, 但是在油田电网内部因电网结构、运行管理、系统配置等原因功率因数都不能达到要求, 且无法考核。表1、表2为油田两座中心变电站运行数据。

1#110kV变电站平均负荷为58.1MW, 所带负荷油区年产原油350万吨, 2#110kV变电站平均负荷为24.5MW, 所带负荷油区年产原油150万吨。

二、油田电网无功分析

(一) 各级电网无功存在的原因。

油田用电负荷除长输管道输油泵, 大排量高压力注水泵采用高压电机外, 其余基本为低压用电负荷。供电类型主要为两种, 一种为站场用电, 通过变电站10kV线路输送至站场, 站场内建10/0.4kV变配电室;另一种为井场用电, 通过井区10kV线路输送至井场, 井场安装户外柱上变压器为采油井供电。

井口抽油机因其工作原理功率因数较低;部分井区原油油气比较高且伴生气回收难度较大, 井场建有小型伴生气发电机组, 能源利用, 因条件限制设备户外安装无人值守, 设备简易未设置无功补偿, 造成井区10kV线路功率因数低于0.3;偏远井区送电线路距离太长, 超过50km, 供电半径过大, 使线路电压损失太大;个别井区因无功补偿设备管理不善, 长期失修、经常停用等, 使无功平衡破坏;综合以上原因造成油田井区10kV线路普遍功率因数较低, 且电网电压损失超过5%。

站场用电设施配套齐全, 功率因数满足要求。综上所述, 油田电网无功存在问题的主要为井区10kV线路及变电站10kV系统。

(二) 无功对电网的危害。

电压是电能质量的重要指标之一, 电压质量对电网稳定及电力设备安全运行、线路损失、油田安全生产、用电单耗和人民生活用电都有直接影响。无功电力是影响电压质量的一个重要因素, 电压质量与无功是密不可分的, 可以说, 电压问题本质上就是无功问题。解决好无功补偿问题, 具有十分重要的意义。事故处理规程规定:系统中枢点电压超过规定的电压曲线数值的±5%且持续时间超过1小时为构成障碍, 超过2小时算作事故;若超过电压曲线规定值的±10%, 并且持续时间超过30分钟也构成障碍, 超过1小时也算作事故。

油田抽油机和水源井电机都为异步电动机, 且都由井区10kV线路供给。异步电动机的电磁转矩是与其端电压的平方成正比的, 当电压降低10%时, 电动机转速下降, 转矩大约要降低19%。如果电动机拖动的机械负载不变, 电压降低时, 电动机转速下降, 转差增大, 定子电流也随之增大, 发热增加, 绕组温度增加, 加速绝缘老化, 使用寿命缩短;偏远井场因端电压太低, 电动机停转, 甚至无法正常启动。

三、治理方案

国家《电力系统电压和无功电力技术导则》规定, 无功补偿与电压调节应以下列原则进行。一是总体平衡与局部平衡相结合;二是电力补偿与用户补偿相结合;三是分散补偿与集中补偿相结合;四是降损与调压相结合, 以降损为主。

无功补偿应尽量分层 (按电压等级) 和分区补偿, 就地平衡, 避免无功电力长途输送与越级传输。根据油田电网构架采用分层、分区的“四级电容补偿方式”。

(一) 四级电容补偿。

第一级在变电站设置集中高压无功补偿装置。选用静电电容器补偿方式, 静电电容器可按三角形和星形接法接在变电站母线上, 只能供给电网无功功率, 而不能吸收无功功率。它供给的无功功率QC值与所在结点的电压U的平方成正比, 电压下降时, 它供给的无功功率也减小。静电电容器的装设容量根据变电站接带负荷选择, 集中就地装设, 以降低功率损耗和电压损耗。静电电容器每单位容量的投资费用少, 运行时的功率损耗也较小, 维护也方便。为了在运行中调节电容器的功率, 将电容器连接成若干组, 根据负荷变化, 分组投入和切除。

第二级在井区10kV线路设置高压无功补偿装置。在10kV电网中, 通常电抗X比R大得多, 用串联电容的方法, 改变线路电抗以减小电压损耗。对于井区10kV线路负荷功率因数低、输送功率较大、导线截面较大的线路, 串联电容器调压, 效果尤其显著。

第三级在站场设置动态低压无功补偿装置。低压无功补偿装置具备可以根据低压母线无功电流的变化, 自动投入切除电容, 达到无功的平衡。实现“无极变速”。在配电网中, 为减少无功损耗达到最佳经济效益, 应尽量减少有功功率以外的功率流动。

第四级在采油井低压控制箱设置分散式低压无功补偿装置。抽油机为油田生产中用电量最大、功率因数最低的设备, 数量大, 安装分散, 所以在每口采油井就地安装无功电容补偿装置。

(二) 实时无功补偿和电压调节。

油田电网目前已基本实现数字化电网, 油区中心设置集控站, 厂部机关设置数字化指挥中心, 各变电站的实时运行数据都能通过网络上传到后台, 后台可操作变电站的设备运行。为了实现实时无功补偿, 优化无功潮流分布, 提出一种全网无功补偿和电压优化实时控制方法, 以实现从离线处理转化为实时处理, 提高油田电网各节点电压合格率, 减少网损, 取得较好的经济性。

1. 规则。

以电网网损尽量小、各节点电压合格为目标, 以调度中心为控制中心, 以各变电站的有载调压变压器分接头调节与电容器投切为控制手段。

2. 控制流程。

首先从集控站自动化系统采集数据, 送入电压分析模块和无功分析模块进行综合分析, 形成变电站主变分接头调节指令、变电站电容器投切指令, 由集控站、数字化指挥中心控制系统执行, 循环往复。无功电压实时控制流程见图1。

分析原理:油田电网电压无功限值区间的划分 (动态9区图) 见图2。根据该图在各区内, 以最优的控制顺序和电压无功设备组合使运行点进入无功、电压均满足要求的第9区。其中, U上、U下分别为电压约束上、下限, Q上、Q下分别为无功约束上、下限。

电压控制按照逆调压原则, 当电压变化超出电压曲线的允许偏差范围 (U上～U下) 或超出无功功率允许偏差范围 (Q上～Q下) 时, 根据整定的偏移量发出电容器投切指令或变压器分接头调整指令, 从而达到调整电压和无功潮流的目的。

实时无功补偿和电压调节控制方法用在油田高压电网系统, 对变电站设备及井区10kV线路设备进行控制。

四、治理效果分析

电网系统中无功损耗的减少使整个系统无功电流减小, 也使线路压降减少, 电压波动减少, 提高了系统效率, 增大电网供电能力。减小线路无功电流, 线路总体电流减小, 线路的损耗与负荷电流的平方成正比, 线路电流减小则线损减少, 达到了节能降耗的目的, 年节约电能损耗占总用电量的5.4%。以下为1#中心变电站经治理后的运行数据。

油田电网内部功率因数都已达标, 功率因数的提高使得电网电压合格率提高, 合格率达到98%;电压合格使得用电设备运行状态得到了改善。

五、结语

油田生产是电能消耗大户, 电力是动力的源泉, 任何工艺处理都需要电力供给, 所以在油田电网治理无功功率, 提高电压质量, 减少电能损耗是非常必要的。通过四级电容补偿分层、分区地将各个系统无功损耗就地消除, 通过实施无功补偿和电压调节, 使无功功率得到了自动实时补偿, 实现从离线处理到实时处理, 从就地平衡到全网平衡, 从单独控制到集中控制, 避免了人工监视、手动投切的各种弊端, 如响应慢、误操作、工作量大等, 电压水平的合格性和稳定性得到了显著提高, 整个电网的网损降到了尽量低的程度。运行实例表明, 整个系统方案在油田电力系统具有良好的应用前景。

摘要：通过对油田电网结构分析, 掌握电网无功的分布情况, 分析其存在的原因及危害, 确定相应的治理方案。根据现场实测数据, 分析治理后的电网运行参数及节能效果。该文提出的无功治理方案对超低渗油田电网建设具有指导意义。

关键词：功率因数,四级补偿,电压损失,实时调节

参考文献

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[2].李大明.论税收筹划的原理及运用[J].中南财经政法大学学报, 2002, 6