【正文】 ttless power III 前 言 目前，我國(guó)的電網(wǎng)，特別是廣大的低壓電網(wǎng)，普遍存在功率因數(shù)較低、電網(wǎng)線(xiàn)損較大的情況。導(dǎo)致此現(xiàn)象的主要原因是眾多的感性負(fù)載用電設(shè)備設(shè)計(jì)落后，功率因數(shù)較低。比如我國(guó)的電動(dòng)機(jī)消耗的電能占全部發(fā)電量的 70%，而由于設(shè)計(jì)和使用等方面的原因我國(guó)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)往往較低，一般約為 cosφ =。 在這種情況下，采用無(wú)功補(bǔ)償節(jié)能技術(shù)，對(duì)提高電能質(zhì)量和挖掘電網(wǎng)潛力是十分必要的，世界各國(guó)都把無(wú)功 補(bǔ)償作為電網(wǎng)規(guī)劃的重要組成部分。從我國(guó)電網(wǎng)功率因數(shù)和補(bǔ)償深度來(lái)看，我國(guó)與世界發(fā)達(dá)國(guó)家有不小差距。因此大力推廣無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)是非常必要的，并且從以下數(shù)據(jù)，我們也能看出發(fā)展無(wú)功補(bǔ)償所能帶來(lái)的巨大經(jīng)濟(jì)效益。2021 年，我國(guó)年總發(fā)電量為 32559 億千瓦時(shí)，統(tǒng)計(jì)線(xiàn)損率為 %，但是這個(gè)數(shù)字沒(méi)有包含相當(dāng)大的 110 千伏、 35千伏、 10千伏的輸電線(xiàn)損及 千伏的低壓電網(wǎng)線(xiàn)損。據(jù)報(bào)道，估計(jì)實(shí)際的統(tǒng)計(jì)線(xiàn)損率約為 15%，即 2021 年全國(guó)年線(xiàn)損量約為 4800 億千瓦時(shí)。全國(guó)的理論線(xiàn)損與統(tǒng)計(jì)線(xiàn)損基本相一致，其中可變線(xiàn)損約占理論總 線(xiàn)損的 80%，則年可變線(xiàn)損電量約為 3900 億千瓦時(shí)。如果當(dāng)前全國(guó)電力網(wǎng)總負(fù)荷的當(dāng)前功率因數(shù) cosφ=，采用無(wú)功功率補(bǔ)償后，把電力網(wǎng)總負(fù)荷的功率因數(shù)提高到 cosφ =，則每年可以降低線(xiàn)損約為 390 億千瓦時(shí)，按 元每千瓦時(shí)計(jì)，價(jià)值約為 185 億元。 2021 年全國(guó)電網(wǎng)的最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)約為 5000 小時(shí)，則電網(wǎng)的最大負(fù)荷約為 2 億千瓦，當(dāng)用無(wú)功功率補(bǔ)償法把功率因數(shù) cosφ =,提高到 cosφ =，全國(guó)電網(wǎng)需總補(bǔ)償容量約為 億千瓦。當(dāng)前無(wú)功功率補(bǔ)償裝置設(shè)備主要為電力電容器，假如無(wú)功補(bǔ) 償設(shè)備每千瓦的平均綜合造價(jià)為 50 元，則全國(guó)無(wú)功補(bǔ)償裝置的總投資約為 29 億元。應(yīng)當(dāng)指出，節(jié)省 240 億千瓦時(shí)約相當(dāng)于一座 400 萬(wàn)千瓦火電廠(chǎng)的年發(fā)電量，而建一座 400萬(wàn)千瓦的火電廠(chǎng)需綜合費(fèi)用約為 300 億元，同時(shí)每年需燃燒煤約為 1200 萬(wàn)噸，每年產(chǎn)生有害物質(zhì)約為 600 萬(wàn)噸。由此可見(jiàn)，產(chǎn)生相同的電力，無(wú)功補(bǔ)償?shù)馁M(fèi)用約為新建電廠(chǎng)費(fèi)用 10%，而且無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的費(fèi)用僅需兩個(gè)月的無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)膶p節(jié)電費(fèi)用即可全部收回。 近 20 年來(lái)，世界各地（包括美國(guó)、法國(guó)、意大利、英國(guó)、俄羅斯、日本等國(guó)）發(fā)生的由電壓穩(wěn)定和電壓崩潰引發(fā)的大面 積停電事故引起了各國(guó)的高度重視。持續(xù)了短短 72 小時(shí)的 美加大停電給美國(guó)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響，這次事故提醒人們，電網(wǎng)運(yùn)行要有足夠的無(wú)功備用容量，無(wú)功不能靠遠(yuǎn)距離傳輸，在電力市場(chǎng)環(huán)境下，必須制定統(tǒng)一的法規(guī)以激勵(lì)獨(dú)立發(fā)電商和運(yùn)營(yíng)商從維護(hù)整個(gè)系統(tǒng)安全性的角 IV 度提供充足的無(wú)功備用。在我國(guó)也曾多次發(fā)生電壓崩潰事故，如 1993 年和 1996 年南方電網(wǎng)的幾次事故，這些事故都促使人們采取各種措施以維持電網(wǎng)穩(wěn)定。 隨著近代電力電子技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)也隨之發(fā)展。在第一個(gè)工業(yè)用晶閘管出現(xiàn)之前，電子半 導(dǎo)體由于功率過(guò)小，在直流傳動(dòng)，交流傳動(dòng)，電磁合閘，交流不間斷電源和無(wú)功補(bǔ)償?shù)阮I(lǐng)域內(nèi)一直沒(méi)有得到應(yīng)有的推廣使用。晶閘管的出現(xiàn)標(biāo)志著電力電子技術(shù)的誕生，并以此為起點(diǎn)，隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)和變流技術(shù)的發(fā)展，新型的電力電子器件不斷問(wèn)世，由此引發(fā)了眾多行業(yè)的變革，如交流變頻調(diào)速技術(shù)的蓬勃發(fā)展。同樣電力電子技術(shù)對(duì)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)也帶來(lái)了新的發(fā)展鍥機(jī)。 國(guó)家在大力倡導(dǎo)建立節(jié)約型社會(huì)，從國(guó)家到地方已明確的下達(dá)了各種節(jié)能指標(biāo)。節(jié)能、節(jié)電事業(yè)正在蓬勃的發(fā)展，這是一股強(qiáng)大的潮流。在所有電力節(jié)能產(chǎn)品中，首 先要提到的就是無(wú)功補(bǔ)償裝置，這 也是唯一在供電政策以及電力法中提到的節(jié)能措施。作為節(jié)能降耗的生力軍，無(wú)功補(bǔ)償裝置在我國(guó)有著巨大的潛在市場(chǎng)。 2021 年，一系列的經(jīng)濟(jì)振興計(jì)劃給電力電子行業(yè)帶來(lái)了很多機(jī)會(huì)，主要供方和用方兩方面。供方主要是對(duì)用戶(hù)的補(bǔ)貼上，另外，在這個(gè)政策的拉動(dòng)下，企業(yè)也降低了成本壓力。無(wú)功補(bǔ)償裝置在節(jié)能降耗領(lǐng)域，趨勢(shì)是一直向好的。首先是企業(yè)降低成本的需求，另一個(gè)是外部環(huán)境的壓力，地方政府的政績(jī)和節(jié)能降耗的水平已經(jīng)掛鉤，國(guó)家和地方政府補(bǔ)貼能達(dá)到 30％以上。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)無(wú)功補(bǔ)償市場(chǎng)發(fā)展極其迅猛，產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量都有了大幅度的提升，相 當(dāng)一部分優(yōu)勢(shì)企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始問(wèn)鼎國(guó)際市場(chǎng)并取得了不俗的業(yè)績(jī)。隨著電力工業(yè)的快速發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，以及節(jié)能降損管理的加強(qiáng)等，引發(fā)了許多領(lǐng)域?qū)o(wú)功補(bǔ)償?shù)男枨蟆? 綜上所述，無(wú)功補(bǔ)償不僅具有如上所述的節(jié)省投資、節(jié)省電力、節(jié)省燃煤及污染等作用，同時(shí)還可以提高電力系統(tǒng)設(shè)備的供電能力，改善電壓質(zhì)量，減少用戶(hù)電費(fèi)開(kāi)支，延緩用戶(hù)的增容改造等作用。 1 第 1章 無(wú)功補(bǔ)償?shù)母拍? 無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑? 無(wú)功功率 電網(wǎng)中電力設(shè)備大多是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的，他們?cè)谀芰哭D(zhuǎn)換過(guò)程中建立交變的磁場(chǎng)，在一個(gè)周期內(nèi)吸收的功率和釋放 的功率相等。電源能量在通過(guò)純電感或純電容電路時(shí)并沒(méi)有能量消耗， 但能量是在電源和電感或電容之間來(lái)回交換的，能量交換率的最大值叫做無(wú)功功率。 由于這種交換功率不對(duì)外做功，因此稱(chēng)為無(wú)功功率。 功率因素 實(shí)際供用電系統(tǒng)中的電力負(fù)荷并不是純感性或純?nèi)菪缘?，是既有電感或電容、又有電阻的?fù)載。這種負(fù)載的電壓和電流的相量之間存在著一定的相位差，相位角的余弦 cosφ稱(chēng)為功率因數(shù)。它是有功功率與視在功率之比。 三相功率因數(shù)的計(jì)算公式為： 式中： cosφ — 功率因數(shù) P— 有功功率， kW Q— 無(wú)功功率， kvar S— 視在功率， kVA 功率因數(shù)通常分為自然功率因數(shù)、瞬時(shí)功率因數(shù)和加權(quán)平均功率因數(shù)三種。在三相對(duì)稱(chēng)電路中，各相電壓、電流為對(duì)稱(chēng)，功率因數(shù)也相同。那么三相電路總的功率因數(shù)就等于各相的功率因數(shù)。 無(wú)功補(bǔ)償 電力系統(tǒng)中，不但有功功率要平衡，無(wú)功功率也要平衡。有功功率、無(wú)功功率、視在功率之間的相量關(guān)系如圖 圖 22c os QPPSP???? 2 由式 cosφ =P/S 可知，在一定的有功功率下，功率因數(shù) cosφ越小，所需的無(wú)功功率越大。為滿(mǎn)足用電的要求，供電線(xiàn)路和變壓器的容量就需要增加。這樣，不僅要增加供電投資、降低設(shè)備利用率，也將增加線(xiàn)路損耗。為了提高電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效率，根據(jù)電網(wǎng)中的無(wú)功類(lèi)型，人為的補(bǔ)償容性無(wú)功或感性無(wú)功來(lái)抵消線(xiàn)路的無(wú)功功率。 無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔煤驮砜捎脠D 來(lái)解釋?zhuān)? 圖 設(shè)電感性負(fù)荷需要從電源吸取的無(wú)功功率為 Q，裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置后，補(bǔ)償無(wú)功功率為 QC，使電源輸出的無(wú)功功率減少為 Q′ =Q QC，功率因數(shù)由 cosφ提高到 cosφ′，視在功率 S減少到 S′。 無(wú)功補(bǔ)償?shù)?作用 線(xiàn)損是電流在輸變電設(shè)備和線(xiàn)路中流動(dòng)產(chǎn)生的，因而它由線(xiàn)路損耗和變壓器損耗兩部分組成。按損耗的變化情況可劃分為可變損耗和固定損耗。前者指當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)體和變壓器所產(chǎn)生的損耗，包括變壓器的銅損和電力線(xiàn)路上的銅損，它與負(fù)荷率、電網(wǎng)電壓等因素有關(guān)，約占電網(wǎng)總損耗的 80%～ 85% 。后者指只要接通電源電力網(wǎng)就存在的損耗，包括變壓器的鐵損，電纜線(xiàn)路、電容器及其他電器上的介質(zhì)損耗及各種計(jì)量?jī)x表、互感器線(xiàn)圈上的鐵損，它與電網(wǎng)運(yùn)行電壓和頻率有關(guān)，占總損耗 15%～ 20%。 我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，線(xiàn)損較大。發(fā)達(dá)國(guó)家的線(xiàn)損約為 2%～ 3%，而我國(guó)在 2021年的線(xiàn)損統(tǒng)計(jì)為 %，所以線(xiàn)損的解決顯得越來(lái)越重要。在用戶(hù)或靠近用戶(hù)的變電站裝設(shè)自動(dòng)投入的并聯(lián)電容器，以平衡無(wú)功功率，限制無(wú)功功率在電網(wǎng)中傳送，可減少電網(wǎng)的無(wú)功損耗，同時(shí)還可提高有功功率的輸送量。 無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹饕饔镁褪翘岣吖β室驍?shù)以減少設(shè)備容量和功率損耗、穩(wěn)定電壓和提高供電質(zhì)量，在長(zhǎng)距離輸電中提高輸電穩(wěn)定性和輸電能力以及平衡三相負(fù)載的有功和無(wú)功功率。安裝并聯(lián)電容器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，可限制無(wú)功功率在電網(wǎng)中的傳輸，相應(yīng)減少了線(xiàn)路的電壓損耗，提高了配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量。分析如下： 3 提高電壓質(zhì)量 把線(xiàn)路中電流分為有功電流 Ia 和無(wú)功電流 Ir，則線(xiàn)路中的電壓損失 : 式中： P— 有功功率， kW Q— 無(wú)功功率， kVA U— 額定電壓， kV R— 線(xiàn)路總電阻，Ω X1— 線(xiàn)路感抗，Ω 因此，提高功率因數(shù)后可減少線(xiàn)路上傳輸?shù)臒o(wú)功功率 Q，若保持有功功率不變，而 R、 X1均為定值，無(wú)功功率 Q越小，電壓損失越小，從而提高了電壓質(zhì)量。 提高變壓器的利用率，減少投資 功率因數(shù)由 cosφ 1 提高到 cosφ 2 提高變壓器利用率為： 由此可見(jiàn)，補(bǔ)償后變壓器的利用率比補(bǔ)償前提高Δ S%，可以帶更多的負(fù)荷，減少了輸變電設(shè)備的投資。 減少用戶(hù)電費(fèi)支出 （ 1）可避免因功率因數(shù)低于規(guī)定值而受罰。 （ 2）可減少用戶(hù)內(nèi)部因傳輸和分配無(wú)功功率造成的有功功率損耗，電費(fèi)可相應(yīng)降低。提高電力網(wǎng)傳輸能力 有功功率與視在功率的關(guān)系式為： P=Scosφ，可見(jiàn)，在傳輸一定有功功率的條件下，功率因數(shù)越高，需要電網(wǎng)傳輸?shù)墓β试叫　? 無(wú)功補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償方式 無(wú)功補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償通常有如下三種方式： 集中補(bǔ)償：裝設(shè)在企業(yè)或地方 總變電所 6～ 35KV 母線(xiàn)上，可減少高壓線(xiàn)路的無(wú)功損耗，而且能提高本變電所的供電電壓質(zhì)量。 分散補(bǔ)償：裝設(shè)在功率因數(shù)較低的車(chē)間或村鎮(zhèn)終端變、配電所的高壓或低壓母線(xiàn)上。這種方式與集中補(bǔ)償有相同的優(yōu)點(diǎn)，但無(wú)功容量較小，效果較明顯。 就地補(bǔ)償：裝設(shè)在異步電動(dòng)機(jī)或電感性用電設(shè)備附近，就地進(jìn)行補(bǔ)償。這種方式既能提高用電設(shè)備供電回路的功率因數(shù)，又能改變用電設(shè)備的電壓質(zhì)量。 ? ? 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