第4章 供电系统节能(改)

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1、 第4章供电系统节能 本章主要内容 第一节供电系统组成第二节功率因数对供电系统的影响第三节降低变压器损耗的技术措施第四节降低线路损耗的技术措施第五节电力品质改善 考纲要求 考纲要求 教师导读 电流经过线路和变压器等设备时 会产生功率损耗和电能损耗 这些损耗称为供电损耗 降低线路损耗是企业节约电能的重要途径之一 本章主要介绍了供电系统各种损耗 功率因数等基本知识 介绍了降低线损 变压器损耗以及改善电力品质的节能措施 本章的重点是 功率因数对供电系统的影响 降低变压器损耗的技术措施 降低线路损耗的技术措施 本章的难点是 功率因数的计算 合理控制变压器的运行台数的计算 提高自然功率因数的措施和谐波治

2、理 4 1供电系统组成 从电网送到企业的电能 经降压后分配到各用电车间或用电设备 这就构成企业内部的供电系统 它由高压及低压配电线路 变 配 电所和用电设备组成 如图4 1所示 4 1供电系统组成 供电损耗 在企业内部的电能输送和分配过程中 电流经过线路和变压器等设备时 会产生功率损耗和电能损耗 这些损耗称为供电损耗 线损率 供电损耗电能占输入电能的百分比 或功率损耗占输入功率的百分比 线损一般可分为可变损耗和固定损耗两部分 可变损耗是指当电流通过导体时所产生的损耗 导体截面 长度和材料确定后 其损耗随电流的大小而变化 而固定损耗与电流大小无关 只要设备接通电源 就有损耗 可变损耗包括降压变压

3、器 配电变压器的铜损及线路和接户线的铜损 固定损耗是指降压变压器 配电变压器的铁损 电力电容器的介质损失 电度表电压线圈的损耗等 4 2功率因数对供电系统的影响 功率因数的基本概念根据电磁感应原理而工作的 如交流异步电动机 变压器等都需要从电源吸收一部分电流 用来建立交变磁场 为能量的输送和转换创造必要的条件 这些建立磁场的电流在相位上落后于电压90 的电角度 所以在半个周期内吸收电功率 而在另半个周期内释放电功率 并且两者相等 总体上并不消耗能量 这就是通常所称的感性无功功率 也就是交流电路内电源和磁场相互交换的功率 若在交流电网中投入电容器 并忽略电容器的介质损耗时 电容器的电流将超前于电

4、压90 的电角度 所以在半个周期内放电 在另半个周期内充电 同样不消耗能量 称之为容性无功功率 在电力系统网络中 一般以感性负载为主 所以同时存在有功功率和无功功率 有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率 也就是将电能转换为其他形式能量 机械能 光能 热能 的电功率 称为有功功率 对于感性负载来说 其有功功率P kW 无功功率Q kvar 及视在功率S kVA 之间存在如下 图4 2有用功 无用功率和视在功率的关系图4 2中 角为功率因数角 它的余弦 cos 是有功功率与视在功率之比 称为功率因数 即 由功率三角形可见 在一定的有功功率时 若用电企业所需的无功功率越大 则其线路电流及视在功

5、率都相应增加 从而加大了供电线路及变压器的容量 这样不仅增加了供电设备的负担及投资 而且加大了线路损耗 必将造成电能的浪费 同时还会造成线路压降加大 影响供电质量等不良效果 因此应采取措施 设法减少线路上的无功电流 4 2功率因数对供电系统的影响 功率因数的计算 1 已知某企业2009年12月份有功电量为54000kWh 无功电量为23000kvar 计算该用户按当月统计考核的加权平均功率因数cos 解 当月加权功率因数等于 4 2功率因数对供电系统的影响 4 2功率因数对供电系统的影响 4 2功率因数对供电系统的影响 功率因数对供电系统的影响 P130 131 1 供电线路及变压器的电压损失

6、增大电压损失由两部分组成 一部分是输送有功功率P产生的 另一部分是输送无功功率Q产生的 供电线路的电抗X要比R大2 4倍 即供电线路的电压损失大部分是由于输送无功功率产生的 变压器的电抗X比电阻R要大5 10倍 可以认为变压器的电压损失几乎全部是输送无功功率产生的 2 供电线路及变压器的损耗增大有功功率损耗与电流平方成正比 与功率因数的平方成反比 如果功率因数降低或电流增大 有功功率损耗则以平方关系增加 3 发电机的出力降低对电力系统的发电设备来说 无功电流的增大 对发电机转子的去磁效应增加 电压降低 如过度增加励磁电流 则使转子绕组超过允许温升 为了保证转子绕组正常工作 发电机就不允许达到预

7、定的出力 此外 原动机 汽轮机 柴油机等 的效率是按照有功功率衡量的 当发电机发出的视在功率一定时 无功功率的增加会导致原动机效率的相对降低 4 3降低变压器损耗技术措施 1 改善功率因数降低供用电设备的无功功率以改善功率因数 从而提高供电能力 减少电能损耗 如无功功率消耗量大 会导致电流增大 使供电系统及变压器的容量增大 增大供电线路和变压器的损耗 在负荷电流不变的条件下 减少无功电流 则总电流亦随之减少 无功功率经济当量是根据电网或变配电所的功率因数而确定 无功功率减少的经济效益 可用无功功率的经济当量来表示 即每减少1kVar的无功功率所降低的有功功率损耗值 用来表示 企业变电所变压器安

8、装点距无功电源越远 无功功率经济当量越大 经过计算 企业变电所的K值为0 02 0 1 经过两级变压为0 05 0 07 经过三级变压为0 08 0 1 2 合理控制变压器的运行台数使变压器总的功率损耗最小 这种功率损耗最小的运行方式 称为变压器的经济运行方式 企业变电所中安装有数台容量相同 特性相同的变压器时 需要根据负荷 有功功率和无功功率损耗特性及无功功率经济当量 计算出最经济的运行台数 变压器并联应同时满足的运行条件 能源工程技术概论 变压器的接线组别相同 变压器的变比相同 允许有士0 5 的差值 变压器的短路电压相等 允许有士10 的差值 前两个条件保证了变压器空载时绕组内不会有环流

9、 第三个条件保证负荷分配与容量成正比 4 3降低变压器损耗技术措施 合理控制变压器的运行台数的方法 SN为变压器的额定容量 P0为变压器空载有功损耗 Q0变压器空载无功损耗 Pk为变压器负载有功损耗 QN变压器额定负荷无功损耗 I0为空载电流占额定电流的百分率 UK短路电压占额定电压的百分率 4 4降低线路损耗的技术措施 措施1 对电网进行升压改造 减少变电容量对电网进行升压改造 简化电压等级 减少变电容量 可以降低电能损耗 在负荷功率不变的情况化 将电网的电压提高 则通过电网元件的电流相应减小 功率损耗也相应随之降低 因此升高电压是降低线损的有效措施 电网中负荷电流的大小是变化的 负荷电流越

10、大 其线损也越大 进行升压改造 简化电压等级 不仅可以适应负荷增长的需要 而且可以降低线损 措施2 确定电网经济合理的运行方式如果是均一的电网 即各线段的x R为常数 R为电阻 单位为欧姆 X为电抗 单位为欧姆 则自然功率分布和经济功率分布是一致的 可以采用合环运行 合环运行不但可降低线损 而且可提高供电可靠性 如果不均一电网 即各线段的x R为不是常数 合环运行时将出现循环电流 因而会使线损增加 所以建议采用开环运行 4 4降低线路损耗的技术措施 措施3 适当提高运行电压输送同样的功率时 提高运行电压就可降低电流 减少损耗 电网中的功率损耗是与运行电压的平方成反比的 在允许范围内 适当提高运

11、行电压 既可提高电能质量 又能降低线损 表4 2提高运行电压与降低线损的关系 降低运行电压与线损增加的关系 措施4 提高功率因数 见P138 139 线路功率损耗可写成 表4 4功率因数降低与功率损耗增加的关系 表4 5功率因数提高与功率损耗降低的关系 措施5 合理调整日负荷企业供电系统的日负荷曲线 如波动幅度较大 将影响供电设备效率 而且使线路功率损耗增加 所以应合理调整线路负荷 以降低线路损耗电量 4 5电力品质改善 电力品质恶化的典型表现 P140 145 1 功率因数低用户的功率因数低 不仅浪费了昂贵的电力设施的供电能力 而且使电网的安全裕量降低 威胁电网的安全工作 削弱了电网应付冲击

12、负载和意外负载出现的能力 此外 功率因数低还带来输配电系统 线损 的增加 因此电网的整体效率下降 2 谐波超标谐波频率是电源基波频率的整数倍 即基波为50Hz 3次谐波为150Hz 5次谐波为250Hz 1 谐波源的主要设备所有电压与电流的关系为非线性的用电设备都是谐波源 如电力变压器 电弧炉 气体放电光源 旋转电机 电机车 电焊机 家用电器 如电视机 以及使用电力 电子装置的用电设备 也都会产生谐波 3 频率波动4 电压波动5 三相不平衡6 掉脉冲或断相 4 5电力品质改善 改善电力品质的措施 P145 153 1 提高自然功率因数2 无功补偿技术 4 5电力品质改善 谐波超标的危害 P14

13、3 144 同次的谐波电压和谐波电流之间会形成谐波有功功率 在负载 如电动机 中产生附加的损耗而发热 产生谐波转矩 轻则转矩脉动 重则咬死在谐波转矩对应的低转速下 使之不能正常启动而烧坏 谐波频率较高 使得电路中各工频电容 如滤波电容 吸收电容 功率因数补偿电容 它们本应工作在工频下 的容抗随频率增加而反比减少 它们会流过较高频率而又可能被放大的谐波电流 在电容中产生附加损耗与发热 甚至使这些电容器 放炮 炸裂 各种不同的谐波频率有可能同电路中某些电容器 电抗器形成谐振 使电路局部出现高的谐振电压或大的谐振电流 把电网中的某些相连接的用电器烧毁 不同阶次的谐波电压和谐波电流之间 最典型的就是在

14、足够大的电网下认为电网供电电压不足以畸变而保持正弦 它同各次谐波电流之间不构成有功功率而消耗 却构成第二类无功 畸变无功 造成系统的功率因数下降 这也是在非正弦情况下 电力品质更加恶化的重要原因之一 谐波还会产生线路噪声 给电磁兼容带来一系列问题 在三相四线 五线 带零线的系统中 各相中3的倍数次谐波具有相同的相位 它们将在零线上叠加而使零线严重超载 甚至引起火灾 4 5电力品质改善 无功补偿技术 P146 147 补偿装置主要是指电力电容器 对企业供用电设备所需的无功功率进行人工补偿 以提高功率因数的措施 企业首先应提高自然功率因数 再考虑合理地采用人工补偿装置 因为提高自然功率因数是必要的

15、 但也是有限的 并不能完全满足企业供用电设备所需的无功功率 当在提高自然功率因数的基础上 尚不能达到所要求的数值时 再采用人工补偿技术措施 无功补偿的分类 1 位移无功补偿和畸变无功补偿感性位移无功可以用容性位移无功来补偿 畸变无功 谐波 应该采用畸变无功补偿技术 2 旋转补偿和静止补偿最早位移无功的补偿是采用同电网并联一台同步调相机的办法来实现的 这种调相机就是一台同步电动机 调节同步电动机励磁的强弱能形成相对于机端电压超前 容性 或滞后 感性 的电流 即发出不同性质和大小的无功功率 这就是旋转补偿的方法 既然感性无功可以用容性无功来补偿 用户安装多组电容器 按自己的感性无功的大小 投切并联

16、到电网上 以相应的容性无功补偿感性无功 实现本单位或本设备的功率因数的提高 由此发展出的 包括同各种电力电子技术结合的新型补偿方法 都是不会转动的 称之为静止无功补偿 通常缩写为SVC 3 静态补偿和动态补偿静态补偿 当用电户的设备运行稳定 无功功率的数值变化比较缓慢 就可以采用比较简单的补偿方法 例如用人工控制接触器的方法随感性无功功率的变化来调节并联电容器的多少 使功率因数始终保持在较高水平 这就是静态无功补偿 动态补偿 当用电户有冲击负荷 这样不仅有冲击有功功率 而且还发生冲击无功功率 升值还有严重的谐波畸变无功 这时就必须采用动态无功补偿和滤波措施 从而自动调节补偿的强度 因为如果采用静态补偿容易产生过补现象 而导致企业的供电电压因过补而升高 有些用电设备会因此被击穿损坏 无功补偿和节能基波相移无功和谐波畸变无功 在电网电压为正弦波的情况下 表现为电流增加了基波无功分量和谐波电流分量 即视在电流大于有功电流分量 无功功率补偿技术所起的作用就是滤除非线性负载产生的基波相移无功和谐波畸变无功 也就是把电流中的基波无功分量和谐波分量加以减少和滤除 使电网电流尽量只含有有功电流分量 这