1、電力系統自動化課程設計報 告 書題 目 名 稱： 無功補償設計 學 院： 機電工程學院 專 業： 電氣工程及其自動化 班 級： 2013級2班 學 號：姓 名： 指 導 教 師： 2016年12月課程設計報告書設計目的文將對供配電系統中無功功率產生機理及其對電力系統產生的影響及造成的危害進行分析，同時，分析、研究無功補償裝置的原理，通過電容器的無功補償，得到一套較為完善的補償方案，并用本方案對某一需要無功補償的配電網進行無功補償。引言電力系統的無功平衡,是保證電壓質量的基本條件,有效的電壓控制和合理的無功補償,不僅能保證電壓質量,而且能提高電力系統運行的穩定性和安全性

2、。電網無功補償設備有調相機、并聯電容器、串聯電容器、靜止補償器、交流濾波器等。其中并聯電容補償裝置因具有投資少、損耗低、噪音小及施工運行維護簡單等優點,而被電網大量而普遍的使用。并聯電容補償裝置設計是一個綜合性的技術,除考慮電容器本體外,還涉及到與許多設備的配合,如開關、電抗器、熔斷器、避雷器、放電裝置、繼電保護、自動投切裝置、儀表、通風設備等;在電氣性能方面除考慮其合閘涌流和分閘過電壓外,還應考慮系統的無功電壓、線損、諧振等一系列的問題設計內容一、無功補償的意義無功補償技術是提高電網供電能力、減少電壓損失和降低網損的一種有效措施。電力電容器具有無功補償原理簡單、安裝方便、投資小，有功損耗小，

3、運行維護簡便、安全可靠等優點。因此，在當前，隨著電力負荷的增加，要想提高電網系統的利用率，通過采用補償電容器進行合理的補償，是能夠提高供電質量并取得明顯的經濟效益的。二、無功補償裝置2.1無功補償裝置的類型無功補償裝置按照出現的時間順序可以分為傳統的補償裝置和現代的補償裝置。傳統補償裝置有由簡單的電容器和電抗器構成的補償裝置和同步調相機；現在的補償裝置一般由可以快速反應的晶閘管控制，如晶閘管控制電抗器、晶閘管投切電容器等。 變電站中傳統的無功補償裝置主要是調相機和靜電電容器。隨著電力電子技術的發展及其在電力系統中的應用，交流無觸點開關SCR、GTR、GTO等相繼出現，將其作為投切開關無功補償都

4、可以在一個周波內完成，而且可以進行單相調節。如今所指的靜止無功補償裝置一般專指使用晶閘管投切的無功補償設備，主要有以下三大類型:（1）具有飽和電抗器的靜止無功補償裝置；（2）晶閘管控制電抗器、晶閘管投切電容器，這兩種裝置統稱為SVC（3）采用自換相變流技術的靜止無功補償裝置高級靜止無功發生器2.2無功補償裝置的作用：無功功率比較抽象，它是用于電路內電場與磁場的交換，并用來在電氣設備中建立和維持磁場的電功率。它不對外作功，而是轉變為其他形式的能量。凡是有電磁線圈的電氣設備，要建立磁場，就要消耗無功功率。無功功率決不是無用功率，它的用處很大。電動機的轉子磁場就是靠從電源取得無用功率建立的。變壓器也

5、同樣需要無功功率，才能使變壓器的一次線圈產生磁場，在二次線圈感應出電壓。在電力系統中，由于無功功率不足，會使系統電壓及功率因素降低，從而損壞用電設備，嚴重時會造成電壓崩潰，使系統瓦解，造成大面積停電。另外，功率因素和電壓的降低，還會使電氣設備得不到充分利用，造成電能損耗增加，效率降低，限制了線路的送電能力，影響電網的安全運行及用戶的正常用電。無功補償設備的作用：（1）改善功率因數；（2）改善電壓調節；（3）調節負載的平衡性。三、投切開關的選取對于無功功率補償裝置來說，選擇何種電容器投切執行機構，對整套裝置的安全運行是至關重要的。目前用于電容器投切的執行元件主要有：(1)電容器專用接觸器，此類產

6、品是在普通接觸器的基礎上增加限流電阻或限流線圈的方案來限制合閘涌流。安裝接線方便，運行費用低且價格低廉。但會產生投切涌流和關斷時的過電壓，僅適用于負載無功功率變化不大且不頻繁操作、系統工作較平穩的場合。(2)晶閘管電子開關，此類產品具有電壓過零投入、電流過零切除、反應速度快等特性，可實現電容器的投入無涌流、切除無過壓、投切無電弧的快速動態補償功能，該裝置特別適用于電容器需要頻繁投切的無功補償場合。但晶閘管也存在損耗大、散熱差等不足，影響了無功補償裝置的可靠性，且成本相對過高。(3)復合開關，復合開關的工作原理是將晶閘管和交流接觸器并接，電容器投切瞬間，晶閘管工作，正常接通期間接觸器可靠閉合，既

7、有可控硅開關過零投切的優點，又有接觸器無功耗的優點。投電容器時，保證電壓過零合閘；切電容時，保證電流為零關斷，在保證快速投切情況下，避免了涌流、諧波注入及觸點燒損現象。而在正常工作時，利用接觸器導通容量大、壓降小、功耗小、工作可靠等優點，不會帶來高溫升、高能耗問題。復合開關適宜頻繁操作，整機使用壽命長，價格也相對適中。要保證投切開關長期、可靠的運行，選用時必須注意以下幾點：(1)投切開關的額定電流必須與投切的電容的額定電流匹配。(2)投切開關的接線端子過流要滿足額定電流。(3)投切開關的端子的接線必須牢固可靠。四、電容器無功補償方式電容器補償裝置可以串聯補償也可并聯補償，一般用于補償配電網中感

8、性負荷。在電力系統中，負載類型是多樣化的，但其中以異步電動機類型的負載為最多。異步電動機類型的負載為阻感性負載，可認為是電感和電阻R串聯的負載，其功率因數可用式公式計算。cos=RR2+XL2=RR2+(L)2此時，電壓U與電流I之間的相位差由補償前的1變小到2，即系統的功率因數提高，如果補償后的功率因數2cos達到要求，則達到了無功補償的目的。4.1串聯無功補償串聯電容器提升的末端電壓的數值QcX/V隨無功負荷增大而增大，減小而減小，恰與調壓要求一致，這是串聯電容器調壓的一個顯著優點。但對負荷功率因數高(cosf>0.95)或者導線截面小的線路，由于PR/V分量的比重較大，串聯補償的調

9、壓效果就很小。此外，串聯補償可能會產生鐵磁諧振和自勵磁等許多異常現象。串聯電容器與導線相串聯以補償線路的感性電抗。這將減小線路所連節點間的轉移電抗，增大最大傳輸功率，減小實際的無功功率損耗。盡管串聯電容器通常不用于電壓控制，但它們確實能改善電壓控制和無功功率平衡。由于串聯電容器產生的無功功率隨功率傳輸的增加而增加，在這個方面，串聯電容器能自我調節。串聯電容器主要用于補償線路的部分串聯感抗，從而降低輸送功率時的無功功率損耗，也是得到較早應用的一種無功功率補償裝置。它是國內外電力系統在遠距離輸電時比較普遍采用的提高系統穩定性和輸送能力的重要手段。如圖（a），R、L為等效感性電路或感性負載，C為串聯

10、電容，圖（b）為電壓矢量三角關，圖（c）為電阻、電感和阻抗矢量三角關系。由此可知，只要串聯恰當的電容器，就可以減小功率因數角2即提高功率因數cos2。由此可知，只要串聯恰當的電容器，就可以減小功率因數角2即提高功率因數cos2。4.2并聯電容器的補償方式并聯電容器組是電網中使用較廣的一種專用于無功功率補償的設備，它以其低廉的價格、方便的使用而受到廣泛使用。其補償原理前文己有敘述，這里不再介紹。按照電容器組安裝位置的不同，并聯電容器組無功功率補償方式一般可以分為集中補償方式、分散補償方式和單機就地補償方式三種。 (1)集中補償方式：將電容器組直接安裝在變電所的610KV母線上，用

11、60;來提高整個變電所的功率因數，使該變電所的供電范圍內無功功率基本平衡。可以減少高壓線路的無功損耗，而且能夠提高供電電壓質量。 (2)分組補償方式：將電容器組分別裝設在功率因數較低的終端配電所高壓或低壓母線上，也稱為分散補償。這種方式具有與集中補償相同的優點，僅無功補償容量和范圍相對小些。但是分組補償效果比較明顯，采用的較為普遍。 (3)就地補償方式：將電容器或電容器組裝設在異步電動機或者電感性用電設備附近，就地進行無功補償，也稱為單獨補償或個別補償方式。這種方式既能提高為用電設備供電回路的功率因數，又能改善用電設備的電壓質量，對中小型設備十分適用。4.3并聯電容器的接線

12、方式 電容器接線方式不同，相應的補償方式也不同。在無功補償中，線路的補償電容器組有如下三種接線方式：三角形接法(接法)、星形接法(Y接法)、三角形和星形相結合接法(-Y)，相應的補償方式也就分為三相共補、三相分補、三相共補與三相分補相結合的方式。 三角形接線對應于三相共補的方式。如圖2.3所示。傳統的低壓補償大都是采用三相共補的方式，根據控制器統一采樣，各相投入相同的補償容量。這種補償方式適用于三相負載基本平衡、各相負載的功率因數相近的網絡。星形接線對應于三相分補方式。三相分補方式就是各相分別取樣，按照需要分別投入不同的補償容量。此種方法適用于各相負載相差較大，其功率因數值

13、也有較大差別的場合。與三相共補不同的是：控制器分相進行工作,互不影響。當然,其價格高于三相共補的裝置,一般要貴20%30%。 三角形和星形相結合接線對應于三相共補與三相分補相結合的方式。三相共補部分的電容器為接線，三相分補部分的電容器為Y接線。采用此種接線方式的補償裝置，運行方式機動靈活。4.4并聯無功補償并聯無功補償與串聯無功補償的作用之一都在于減少電壓損耗中的QcX/V分量。并聯補償能減少Q，采用并聯補償能從網損節約中得到抵償，而在降低網損及提高用戶功率因數方面，并聯補償要比串聯補償優越的多。4.5并聯電容器裝置的投切方式對電力低壓用戶而言按功率因數變化控制電容器組的投切是主要的

14、方式。對于系統內樞紐點大容量電容器組的投切,應綜合考慮無功功率、電壓、時間及有載調壓變壓器等因素。10 kV及以下的電容器組的自動投切技術比較成熟和簡單,設備選擇也較容量,固定宜選用自動投切方式。 35 kV及以上電容器組的自動投切的技術相對較復雜和不成熟,其頻繁操作對高壓開關的機械和電氣壽命的要求也更高,基于上述原因高壓電容器組一般為手動投切。五、案例分析1.電網狀況及用電設備（1）1#變壓器容量為16000KVA，變比為35KV/10KV，下帶負載為2臺7200KVA中頻爐變和一臺1800KVA加熱爐變，中頻爐運行產生的特征諧波以11、13次為主，濾波裝置接入10KV母線。（2）4#變壓器

15、容量為20000KVA，變比為35KV/10KV，主要負載為10KV母線側2臺8000KVA中頻爐變和總功率為4200KW直流軋機，濾波裝置接入10KV母線。2.投資效果分析(1)總投資：本項目分2段實施，分別為1#變、4#變。本案列僅討論1#變，1#變諧波濾除及無功補償裝置總投資五十多萬元。(2)諧波治理及無功補償效果濾波裝置投入后，系統10KV側諧波電壓畸變率由10.5%降到了3.85%，諧波電流畸變率也由10.20%降到了7.1%，各次諧波均在國標允許值以內。系統功率因數也從0.827提升到了0.99，濾波裝置投入后，系統消耗的總無功功率減少了4800Kvar。3.節電效果（1）線路頻率

16、損后的節電設公司1#主變最大負荷全年耗電時間為3000小時(),線路電能損耗于傳輸電能比為0.03以表示.則,補償后的全年節電量:WL=SL*cos1*1-cos1/cos22    =0.8×16000×0.827×0.03×3000×1-(0.827/0.99)    288000(kw·h)注:0.8為主變負荷率（2）補償后變壓器全年節電量:   WT=Pd*(S1/S2)2*1-(cos1/cos2)2=240×(0.8×160

17、00)/160002×3000×0.30218140000(kw·h)式中Pd為變壓器短路損耗,為240KW（3）補償投入后的全年總的節電效果:W=WL+WT=288000+140000=428000(kw·h)= 428000x0.58元=24.8萬元式中：電費按0.58元/度，負荷1年工作時間為3000小時（4）力率電費的節約:根據浙江地區的電費計價方式，用戶全年應交納的功率因數調整電費約為：（以當地供電局功率因數考核點為0.9計算，補償前用戶系統的功率因數為0.827,則功率因數罰款力率為+3.5%。）力率罰款電費=有功電費*力率=有功功率*全年工

18、作小時*電費單價*力率由于投入的設備具有一定的節能效果，以及通過無功補償，提高了功率因數，全年節電效益明顯，僅節電一項，可使投資在6個月內得以回收。投資效益顯著。=10500*3000*0.58*3.5%=64萬元因無功補償裝置投入后，系統功率因數達到了功率因數考核點0.99以上，故不會再產生功率因數罰款電費，反而還會有部分電費獎勵。力率獎勵電費=有功電費*力率=有功功率*全年工作小時*電費單價*力率=10500*3000*0.58*0.75%=13.7萬元（5）合計全年節約電費：24.8+64+13.7=102.5萬元4、投資回收期投資回收期約為：54/102.56個月設計小結及參考文獻過此

19、次課程設計，使我更加扎實的掌握了有關電力系統方面的知識，在設計過程中雖然遇到了一些問題，但經過一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面的知識欠缺和經驗不足。設計主要涉及了電力系統的無功功率平衡問題，讓我對電力系統無功平衡有了更加深入的學習和了解，掌握了各種無功補償措施以及補償裝置的特點和使用場合。通過采用合適的無功補償措施，對電力系統進行分地區、分電壓等級地進行無功平衡，能夠有效地改善電壓質量，使用戶處的電壓接近額定值，同時能夠提供功率因數，降低電網損耗，大大提高系統的運行效率。 此次設計也讓我明白了思路，有什么不懂不明白的地方要及時請教或上網查詢，只要認真鉆研，動腦思考，動手實