无功功率并不是不做功,它实际上有很大的用处。它实际上是线圈电感性磁场贮能与电容器电容性电场贮能。在交流电系统中,无功功率就保持平衡。 由于用户大多是电动机,变压器等电感生负荷 ,必须用容性功率来平衡它。 所以,无功补偿常用并联电容器。
据统计,在电网损耗中,10%的损耗为有功功率,面30%~50%的损耗为无功功率。无功补偿的大规模应用, 仅不过十多年历史。这在国内和国外都是如此。主要原因是传统的电力电容器损坏率较高。一般来说,电动机的寿命极条,在并联系电容器则比较容易损坏。第二个原因是传统的电容器能损较大。第三个原因是传统电容器的造价较高,相对不经济。第四个原因是传统的电容器尺寸较大,因而安装的成本较高。因而无功补偿的应用以前很难推广。
而到20世纪80~90年代,造价低,尺寸小,能损小,高寿命的电容器已经被研制出来了。目前应用多的是金属化薄膜电容器,理论上单位无功平均损耗低于0.5W/kvar,实测在低于2W/kvar。电容器被封装于金属壳中,并被设计成免维护的。基本的电容器是由电极、电介质、外壳、电介液、套管和放电电阻组成。
在电力系统中,主要用并联电容器来校正功率因数。在配电网中,电容器安装在变电站和电线杆上。在企业电力系统中,电容器用并联于单个或成组负载上。
在实际生活中,比如,工厂、生活用电、农业用电、配电网中,并联补偿电路有实用意义。大多数负荷是感应电动机,它相当于一个电阻串接了一个电感线圈。由于它的功率因数很低,故并联系一下电容器,以提高它的功率因数。因为往往在负荷端并联电容器,所以称为并联补偿。
无功补偿的装置目前应用比较广泛的是晶闸管投切电容器(TSC型SVC),机械投切电容器-晶闸管投切电抗器(MSC+TCR型SVC),晶闸管抽切电容器-晶闸管控制电抗器(TSC+TCR型SVC).
1.2无功补偿的原理
电网输出的功率包括两部分, 有功功率和无功功率。直接消耗电能,把电能转变为机械能、热能、化学或声能等 的电功率,称为有功功率。不消耗电能,只是把电能转换为另一种形式的能,这种能是电气设备能够做功的必要条件。这种能作为电网中与电能进行周期性转换,这叫无功功率。电流在电感元件中做功过过程中,电流超前电压90度。电流在电容元件中做功时,电流滞后电压90度。在同一电路中,电感电流与电容电流方向相反。所以,如果在电磁元件装上相应比例的电容元件,使两都的电流相互批评消,使电流和电压的矢量夹角减小,从而提高了电流做功的能力,使有功功率增加。见图 1.1
图 1.1 无功补偿示意图
在纯电阻电路中,通过消耗电能而做功的元件特性是电阻性元件。通过储存和释放磁场能量面达到一定功能的元件是电感性元件。通过储存和释放电场能量面达到一定功能的元件是电容性元件。电阻在电路中的电压和电流的相位是一致的,电功率为正值。所以电阻只能吸收能量。电阻只有有功功率,P=UI。 其功率因数为零。
在纯电感电路中,有交流电压加在这个线圈L上,则线圈两端出现一个自感电动势。这个电动势和所加的交流电压大小相等,方向相反。 当电压交变时,相应的磁场能量也随着变化。当电压增大时,磁场能量加强,这时磁场将外电源供给的能量以磁场能量形式贮藏起来;当电流减小时,线圈把磁场能量释放并输回到外面的电路中。
在纯电容电路中,有交流电压加在这个电容C上,电压交变时,相应的电场能量也随着变化。当电压增大时,电流和电流和电场能量增大,此时电容器氢外电源供给的能量以电场能量的形式储存起来;当电压减小时,电容器把电场的能量释放并输回到外电路中。
如图并联补偿电路,电路中的总电流I∑ 值为负荷电流IL 与通过电容器电流IC 的矢量和。加在负荷与电容器上的外加电压U 是相同的,其公式如下:
其矢量关系见图1.2
图 1.2 并联补偿线电路的矢量图
从矢量图中可以看到,在并联补偿前电压与电流间的夹角为φL,即它的功率因数的夹角等于cosφL;经过并联补偿后,夹角减小为φ,即它的功率因数从cosφL提高到cosφ。
在并联补偿电路中,如果电容器的容量和电感线圈的容量,从而使电路中电压与电流同相位,则此时电路为阻性。 这样是一种完全的补偿。电源只要向负载提供有功功率即可。在实际的线路中,既有有功功率,也有无功功率。它们的关系如较图1.3所示。
图 1.3 并联补偿线电路的矢量图
有功电流与线路电压的乘积为有功功率,用P表示。无功电流与线路电压的乘积为无功功率,用Q表示。线路电压与线路电流的乘积为视在功率,用S表示。图1-3称为功率三角形。
有功功率与视在功率的比率称为功率因数。
cosφ=P/S
Q=Ptgφ
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