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如同有功功率平衡一樣,電力(lì)係統的無功功率在每一刻也必須保持平衡。
在電力係統中(zhōng),頻率與有功功率是(shì)一對統一體, 當有功負荷與有功電源出力相平衡(héng)時,頻率就正常,達到額定值50Hz,而當有功負荷大於有功出力時,頻率就下降,反之,頻率就會上升。電壓與無功功率也(yě)和 頻率(lǜ)與有(yǒu)功功率一樣,是一對對立的統一體。當無功負荷與無功出(chū)力相平衡時,電壓就正常,達到額定值,而當無功負荷大於無功出力時,電壓(yā)就下降,反(fǎn)之,電壓(yā) 就會上(shàng)升。
但是,需要說明的是電壓與無功功率(lǜ)之間的關係要比頻率與有功功率之間的關係複雜得多,大體上(shàng)有以下幾點:
①在一個並列運行的電力係(xì)統中,任何一點的頻率都是一樣的(de),而電壓與無功電力卻不(bú)是這樣的。
當無功功率平衡時,整個電力係(xì)統的電壓從整體上看是(shì)會正常的,是可以達到額定值的,即便是如此,也(yě)是(shì)指整體上而已,實際上有些節點處的電壓並不一(yī)定合格,如 果無功不是處(chù)於(yú)平衡狀態時,那(nà)麽情況(kuàng)就更複雜了,當無功出力大於無(wú)功負荷時,電壓普遍會高一些,但也(yě)會有個別地方可能低一些(xiē),反之,也是如此。
②係統需要的無功功率遠遠大於發電機(jī)所能提供(gòng)的無功出力,這是由於現(xiàn)代超高壓電網包(bāo)括(kuò)各級(jí)變壓器和架空線(xiàn)路在傳送電能時需要消耗大量的(de)無功,稱(chēng)為"無功損 耗",一般來(lái)說,這些無功損耗與整個電(diàn)網中的無(wú)功負荷的大小是差不多的,我們以一台50MVA的110kV變壓器為例來了解變壓器在運行中的無功損耗情況。
變壓器的(de)參數為:Ue =110kV,Se=50MVA,Uk%=17%,變壓器在傳送電能時的無功損耗的計算(suàn)式為:
Q = SeUk%(I/Ie)2
式中 I--變(biàn)壓器的負荷電流;
Ie--變(biàn)壓器的額定電流,與變壓器的無功損耗與變壓器的負載率、變壓器的額定容量及短路阻抗有關。
如果這台(tái)變壓器滿負荷運行,那麽它的無功損耗就是:Q=50MVA×17%=8.5Mvar
此時變壓器的無功損耗相當(dāng)大,其低壓側安裝的並聯電容器組的容量甚至不夠補償變壓器滿負荷(hé)時的無功損(sǔn)耗(hào)。
③ 無功功率不宜遠距離輸送(sòng),當輸送功率與傳送距離達到一定極限時,其傳(chuán)送功率(lǜ)成為不可能,這是由於超高壓(yā)等級的變(biàn)壓器、線路電抗(kàng)較大,其無功損耗Q = I2X相應也(yě)很大,所輸送的無功功率均損耗在變壓器及線路上了。另外,傳送大量的無功功率時,線路電壓損失也相 當大(dà),同樣會造成無法傳送(sòng)的結果。
合理的就地無功補償對調整係統電壓、降低線損有十分重要的作用。
設有一條110kV線路(lù)選用(yòng)LG-300型導線(導線電阻0.095W/km)線路全長20km,輸送有功功率(lǜ)30MW,無功功率40Mvar,下麵分別計算在功(gōng)率因數cosf = 0.6和0.9時線路的功率損耗和應補償的無(wú)功功率。本題隻計算導線電阻的功率損耗(hào),不考(kǎo)慮其它因素。
1)在 cosf = 0.6時,此時有功P = 30MW,無功Q = 40Mvar,視在功率S = 50MVA,電流(liú)I = S/U = 50MVA/(110kV×31/2) = 263A,功(gōng)率損耗P = I2•R = 2632×0.095×20×3 = 394kW。
2) 在cosf=0.9時,此時有功功率P=30MW,視在功率S=33.333MVA,無功功率Q= 14.528Mvar,I=S/U=33.333MVA/(110kV×31/2) =175A,功率損耗 P = I2•R = 1752×0.095×20×3 = 175kW。應補償無功(gōng)容量 = 40-14.528 = 25.472Mvar。
補償前後有功損耗相差219kW。由計算結(jié)果可(kě)知補償無功功率25.472Mvar後每小時可降低線(xiàn)損219kWh。
無(wú)功補償對電力係統的重(chóng)要性(xìng)越來越受到重視,合理地投停使(shǐ)用無功(gōng)補償設(shè)備,對調整電網電壓(yā)、提高供電質量、抑製諧波幹擾、保證電網安全運行都有著十分(fèn)重要的作用。
無功補償裝(zhuāng)置的合理使用可以(yǐ)給供電企(qǐ)業帶來(lái)巨大的(de)經(jīng)濟效益(yì)。對於(yú)像北京電力公司這樣的大企(qǐ)業來說,線損每降低0.1個百分點,就可以增加上千萬元收入。
從根本上說,要維持整個(gè)係統(tǒng)的電壓水平,就必須有足夠的無功電源來(lái)滿足係統負荷對無功功(gōng)率的需求和補償線路和變壓器中(zhōng)的無功功率損耗。
如果係統無功電源不足,則(zé)會使電網處(chù)於低電壓水平上的無功功(gōng)率平衡,即靠電壓降低(dī)、負(fù)荷吸收無功功率的減少來彌補無功電源的不足。同樣,如(rú)果由於電(diàn)網(wǎng)缺乏調節手段或無功補償元(yuán)件的不合理運行(háng)使某段時間無功功率過剩,也(yě)會造成整個電(diàn)網(wǎng)的運行電壓(yā)過高。
我國電網曾在20世紀70年代由於缺乏無功功率補償設備而長期(qī)處於低電壓運行(háng)狀態。有些地方想用調節變壓器分接頭的辦(bàn)法來解決本地區(qū)電壓低(dī)的問題。開始,這種辦法也(yě)有一些效果,某些供電點電壓升(shēng)高了,但這是以降低別處電壓為代價的,因為(wéi)總的無功電源不足,局(jú)部地區電壓升高無功負荷增大,必(bì)然(rán)使別處無功功率更 少、電壓更低。各處(chù)普遍(biàn)采(cǎi)用調(diào)節變壓器分接頭的結果,不僅(jǐn)沒能提高負荷的供電電壓,而是使得無功損耗加大,整個係(xì)統低電壓問題更加嚴重。在這種情況下,首 要的問題應該是增加無功(gōng)功率補償設備。
低壓運行同時對電網安全帶來(lái)巨大危害,係統穩定性差(chà),十分脆弱,經受不起事(shì)故異常及負荷強烈變(biàn)化對(duì)係統的衝擊、十分容易(yì)造(zào)成大麵積的停電和係統瓦解的後果,國內外均(jun1)有此先例。
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