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[導(dǎo)讀]在交流電路中,由電源供給負(fù)載率有兩種:一種是有功功率,一種是無功功率。   有功功率是保持用電設(shè)備正常運(yùn)行所需的電功率,也就是將電能轉(zhuǎn)換為其他形式能量(機(jī)械能、光能、熱能)的電功率。比如:5.5千瓦的電

在交流電路中,由電源供給負(fù)載率有兩種:一種是有功功率,一種是無功功率。
  有功功率是保持用電設(shè)備正常運(yùn)行所需的電功率,也就是將電能轉(zhuǎn)換為其他形式能量(機(jī)械能、光能、熱能)的電功率。比如:5.5千瓦的電動(dòng)機(jī)就是把5.5千瓦的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,帶動(dòng)水泵抽水或脫粒機(jī)脫粒;各種照明設(shè)備將電能轉(zhuǎn)換為光能,供人們生活和工作照明。有功功率的符號(hào)用P表示,單位有瓦(W)、千瓦(KW)、兆瓦(MW)。
  無功功率比較抽象,它是用于電路內(nèi)電場(chǎng)與磁場(chǎng)的交換,并用來在電氣設(shè)備中建立和維持磁場(chǎng)的電功率。它不對(duì)外作功,而是轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?。凡是有電磁線圈的電氣設(shè)備,要建立磁場(chǎng),就要消耗無功功率。比如40瓦的日光燈,除需40多瓦有功功率(鎮(zhèn)流器也需消耗一部分有功功率)來發(fā)光外,還需80乏左右的無功功率供鎮(zhèn)流器的線圈建立交變磁場(chǎng)用。由于它不對(duì)外做功,才被稱之為“無功”。無功功率的符號(hào)用Q表示,單位為乏(Var)或千乏(kVar)。
  一、概論
  由于歷史的原因,我國(guó)供熱行業(yè)用電向來只重視有功負(fù)荷、有功電量,忽視無功負(fù)荷和無功電量,認(rèn)為能源換來有功電量,而無功不是能源,進(jìn)行無功補(bǔ)償對(duì)供熱站本身沒有任何好處等。供熱鍋爐房主要用電設(shè)備是電動(dòng)機(jī),消耗的無功功率多,且長(zhǎng)期沒有無功功率補(bǔ)償設(shè)施,造成供熱站鍋爐房長(zhǎng)期以來功率因數(shù)偏低,電能浪費(fèi)嚴(yán)重。因此,除改善設(shè)備本身的自然功率因數(shù)外,供熱站應(yīng)采用人工補(bǔ)償措施,以提高功率因數(shù),降低電能消耗,減少運(yùn)行成本,充分發(fā)揮供配電設(shè)備的潛力,提高供電效率,節(jié)約用電量。
  二、無功功率補(bǔ)償原理
  當(dāng)電網(wǎng)電壓的波形為正弦波,且電壓與電流同相位時(shí),電阻性電氣設(shè)備如白熾燈、電熱器等從電網(wǎng)上獲得的功率P等于電壓U和電流I的乘積,即:P=U×I。
  電感性電氣設(shè)備如電動(dòng)機(jī)和變壓器等由于在運(yùn)行時(shí)需要建立磁場(chǎng),此時(shí)所消耗的能量不能轉(zhuǎn)化為有功功率,故被稱為無功功率Q。此時(shí)電流滯后電壓一個(gè)角度a。在選擇變配電設(shè)備時(shí)所根據(jù)的是視在功率S,即有功功率和無功功率的幾何和:
  S=(P2 + Q2)1/2
  無功功率為:Q=(S2 - P2)1/2
  有功功率與視在功率的比值為功率因數(shù):cosa=P/S
  無功功率決不是無用功率,它的用處很大。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)就是靠從電源取得無用功率建立的。變壓器也同樣需要無功功率,才能使變壓器的一次線圈產(chǎn)生磁場(chǎng),在二次線圈感應(yīng)出電壓。因此,沒有無功功率,電動(dòng)機(jī)就不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng),變壓器也不能變壓,交流接觸器不會(huì)吸合。為了形象地說明問題,現(xiàn)舉一個(gè)例子:農(nóng)村修水利需要挖土方運(yùn)土,運(yùn)土?xí)r用竹筐裝滿土,挑走的土好比是有功功率,挑空竹筐就好比是無功功率,竹筐并不是沒用,沒有竹筐泥土怎么運(yùn)到堤上呢?
  在正常情況下,用電設(shè)備不但要從電源取得有功功率,同時(shí)還需要從電源取得無功功率。如果電網(wǎng)中的無功功率供不應(yīng)求,用電設(shè)備就沒有足夠的無功功率來建立正常的電磁場(chǎng),那么,這些用電設(shè)備就不能維持在額定情況下工作,用電設(shè)備的端電壓就要下降,從而影響用電設(shè)備的正常運(yùn)行。
  從發(fā)電機(jī)和高壓電線供給的無功功率,遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了負(fù)荷的需要,所以在電網(wǎng)中要設(shè)置一些無功補(bǔ)償裝置來補(bǔ)充無功功率,以保證用戶對(duì)無功功率的需要,這樣用電設(shè)備才能在額定電壓下工作。這就是電網(wǎng)需要裝設(shè)無功補(bǔ)償裝置的道理。
  三、無功功率補(bǔ)償?shù)男б娣治?
 ?。ㄒ唬p少線路功率損失,節(jié)約用電
  減少無功功率,可以降低供配電線路和變壓器中的功率消耗。當(dāng)電流通過導(dǎo)線時(shí),線損的計(jì)算式為:
  △P=3I2R×10-3=[P/(Uecosφ)]2×R×10-3
  其中,I為線路或變壓器通過的電流;R為線路或變壓器中每相的電阻;Ue為線路的額定電壓;P為線路或變壓器輸送的有功功率;cosφ為負(fù)荷的功率因數(shù)。當(dāng)功率因數(shù)由cosφ1提高到cosφ2后,若忽略因提高功率因數(shù)而減少電壓損失時(shí)對(duì)負(fù)荷電壓的影響,則線路或變壓器中有功功率的減少值百分?jǐn)?shù)為:
  △P%=(△P1-△P2)/△P1×100%
   =[1-(cosφ1/cosφ2)2]×100%

 例如:當(dāng)功率因數(shù)由cosφ1=0.8提高到cosφ2=0.95時(shí)可降低功率損耗29%;若功率因數(shù)由cosφ1=0.95降低到cosφ2=0.8時(shí),線損將增加41%。
  以上分析可以看出,在輸送同樣的功率時(shí),由于功率因數(shù)不同,在電網(wǎng)中造成的有功損耗相差較大。無功功率補(bǔ)償節(jié)電效果極其顯著。
 ?。ǘ┨岣吖┡潆娫O(shè)備的負(fù)荷能力,降低投資成本
  1.在同樣視在功率的條件下,增加無功補(bǔ)償,可以提高有功功率。設(shè)線路或變壓器輸送的視在功率為S,安裝了補(bǔ)償容量QC后,提高了功率因數(shù)。在視在功率不變條件下,使輸送有功功率的能力增加了△P。
  △P=P2-P1=S(cosφ2-cosφ1)
  其中,P1為補(bǔ)償前的最大有功功率;P2為補(bǔ)償后的最大有功功率;cosφ1為補(bǔ)償前的最大功率因數(shù);cosφ2為補(bǔ)償后的最大功率因數(shù)。
  增加△P所需的無功功率即無功補(bǔ)償容量為:
  QC=Q1-Q2=S(cosφ1tanφ1-cosφ2tanφ2)
  例如:當(dāng)cosφ1=0.8時(shí),1000kVA的變壓器在滿負(fù)荷情況下能供給800kVA的負(fù)荷;若將cosφ2提高到0.95,則在滿負(fù)荷情況下可供950kVA的負(fù)荷,即可增加△P=1000×(0.95-0.8)=150kVA,提高了19%的有功輸送能力。
  2.在同樣有功負(fù)荷條件下,增加電容補(bǔ)償??梢詼p少視在功率。在有功功率P不變的條件下,當(dāng)補(bǔ)償QC后,可以減少視在功率。無功補(bǔ)償后,變壓器可以減少的視在功率為:
  △S=S1-S2=P(1/cosφ1-1/cosφ2)
  其中,S1為補(bǔ)償前的最大視在功率;S2為補(bǔ)償后的最大視在功率;P為變壓器的有功功率;cosφ1為補(bǔ)償前的最大功率因數(shù);cosφ2為補(bǔ)償后的最大功率因數(shù)。
  例如:某供熱鍋爐房用電負(fù)荷為450kW,功率因數(shù)為0.8,欲將功率因數(shù)提高到0.95后,則變壓器容量減少89kVA。變壓器選定額定容量可由630kVA減少到500kVA,容量降低一級(jí)。另外,當(dāng)輸送功率一定時(shí),由于負(fù)荷功率因數(shù)的提高,總的電流將相應(yīng)降低,配電設(shè)備和導(dǎo)線截面也均可相應(yīng)選擇小一些,降低了投資成本,減輕企業(yè)負(fù)擔(dān)。
  (三)減少電壓損失,改善運(yùn)行條件
  減少無功功率,可以降低線路及變壓器中的電壓損耗。在三相對(duì)稱負(fù)載下,其電壓損失為:
  其中,P為線路輸送的有功功率;Q為線路輸送的無功功率;R為線路的電阻;X為線路的電抗;Ue為線路的額定電壓。
  在變壓器低壓側(cè)裝設(shè)了補(bǔ)償容量Qc后,其電壓損失減少(即電壓升)為:
  △Ub=△U1-△U2=QcX/(10Ue2 )≈Qc/Se×Ud
  在線路末端裝設(shè)補(bǔ)償容量Qc后,線路電壓損失減少(末端電壓升)值可近似按下式計(jì)算:
  △U2%=Qc/(1000Ue2)×XL×100%
  其中,Qc為補(bǔ)償電容器的投運(yùn)容量;Sc為變壓器的額定容量;Ud為變壓器的阻抗電壓;XL線路的電抗。對(duì)1000kVA以下的配電變壓器及1000V以下的低壓配電線路,采用電容補(bǔ)償后,對(duì)提高電壓質(zhì)量比較顯著。
  四、結(jié)論
  從上可以看出,在供熱鍋爐房中加裝電容器進(jìn)行無功功率補(bǔ)償,不但可以提高功率因數(shù),節(jié)約有功電量,降低線路損耗和變壓器損耗,減少運(yùn)行成本,還可以提高鍋爐房供配電設(shè)備的負(fù)荷能力,降低新建鍋爐房投資成本,減少電壓損失,改善運(yùn)行條件,使供熱站循環(huán)泵及鼓引風(fēng)電機(jī)更容易啟動(dòng)。
  隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,能源的供需矛盾也日益突出,人們的節(jié)能意識(shí)也不斷提高。供熱行業(yè)也應(yīng)該積極進(jìn)行技術(shù)改造,降低生產(chǎn)成本,節(jié)約能源,更好地為人民服務(wù)

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