電網(wǎng)中為什么需要無功功率

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. 1、電網(wǎng)中為什么需要無功功率？ 在電網(wǎng)中，由電源供給負載的電功率有兩種：一種是有功功率，另一種是無功功率。有功功率是保持用電設(shè)備正常運行所需的電功率，也就是將電能轉(zhuǎn)換為其他形式能量(機械能、光能、熱能)的電功率。比如：5.5kW的電動機就是把5.5kW的電力轉(zhuǎn)換為機械能，帶動水泵抽水或脫粒機脫粒；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。無功功率比較抽象，它是用于電路內(nèi)電場與磁場，并用來在電氣設(shè)備中建立和維持磁場的電功率。凡是有電磁線圈的電氣設(shè)備，要建立磁場，就要消耗無功功率。比如40W的日光燈，除需40W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80var左右的無功功率供鎮(zhèn)流器的線圈建立交變磁場用。由于它對外不做功，才被稱之為"無功"。 無功功率決不是無用功率，它的用處很大。電動機需要建立和維持旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，從而帶動機械運動，電動機的轉(zhuǎn)子磁場就是靠從電源取得無功功率建立的。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，在二次線圈感應(yīng)出電壓。因此，沒有無功功率，電動機就不會轉(zhuǎn)動，變壓器也不能變壓，交流接觸器不會吸合。 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，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)備的正常運行。 無功功率對供、用電也產(chǎn)生一定的不良影響，主要表現(xiàn)在： (1)降低發(fā)電機有功功率的輸出。 (2)視在功率一定時，增加無功功率就要降低輸、變電設(shè)備的供電能力。 (3)電網(wǎng)內(nèi)無功功率的流動會造成線路電壓損失增大和電能損耗的增加。 (4)系統(tǒng)缺乏無功功率時就會造成低功率因數(shù)運行和電壓下降，使電氣設(shè)備容量得不到充分發(fā)揮。 從發(fā)電機和高壓輸電線供給的無功功率，一般滿足不了負荷的需要，所以在電網(wǎng)中要設(shè)置一些無功補償裝置來補充無功功率，以保證用戶對無功功率的需要，這樣用電設(shè)備才能在額定電壓下工作。 2、感性無功和容性無功 無功功率的分類　　 1 感性無功功率　　 在用電設(shè)備中，凡是用繞組和磁鐵組成的，在交流電路中產(chǎn)生電和磁交變的功能。在能量轉(zhuǎn)換過程中，有部分磁能仍回復到電能，那部分電流沒有消耗有功功率，稱為感性無功功率。在電感性負載的電路中，電流滯后電壓一個角度Ψ，cosΨ稱為功率因數(shù)?！　? 2 容性無功功率　　 在電容器二塊極板間產(chǎn)生充放電，電容電流不消耗有功功率，這個電流引起的功率稱為容性無功功率。在電容性負載的電路中，電流超前電壓一個角度Ψ，cosΨ也稱為功率因數(shù)。因此容性無功功率可以抵消感性無功功率而提高功率因數(shù)?！　? 3、無功功率與功率因數(shù) 　　許多用電設(shè)備均是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的，如配電變壓器、電動機等，它們都是依靠建立交變磁場才能進行能量的轉(zhuǎn)換和傳遞。為建立交變磁場和感應(yīng)磁通而需要的電功率稱為無功功率，因此，所謂的"無功"并不是"無用"的電功率，只不過它的功率并不轉(zhuǎn)化為機械能、熱能而已；因此在供用電系統(tǒng)中除了需要有功電源外，還需要無功電源，兩者缺一不可。無功功率單位為乏(Var)。 　　在功率三角形中，有功功率P與視在功率S的比值，稱為功率因數(shù)cosφ，其計算公式為： 　　cosφ=P/S=P/（P²+Q²）½ 　　在電力網(wǎng)的運行中，功率因數(shù)反映了電源輸出的視在功率被有效利用的程度，我們希望的是功率因數(shù)越大越好。這樣電路中的無功功率可以降到最小，視在功率將大部分用來供給有功功率，從而提高電能輸送的功率。 　　1　影響功率因數(shù)的主要因素 　　(1)大量的電感性設(shè)備，如異步電動機、感應(yīng)電爐、交流電焊機等設(shè)備是無功功率的主要消耗者。據(jù)有關(guān)的統(tǒng)計，在工礦企業(yè)所消耗的全部無功功率中，異步電動機的無功消耗占了60％～70％；而在異步電動機空載時所消耗的無功又占到電動機總無功消耗的60％～70％。所以要改善異步電動機的功率因數(shù)就要防止電動機的空載運行并盡可能提高負載率。 　　(2)變壓器消耗的無功功率一般約為其額定容量的10％～15％，它的空載無功功率約為滿載時的1/3。因而，為了改善電力系統(tǒng)和企業(yè)的功率因數(shù)，變壓器不應(yīng)空載運行或長期處于低負載運行狀態(tài)。 　　(3)供電電壓超出規(guī)定范圍也會對功率因數(shù)造成很大的影響。 　　當供電電壓高于額定值的10％時，由于磁路飽和的影響，無功功率將增長得很快，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，當供電電壓為額定值的110％時，一般無功將增加35％左右。當供電電壓低于額定值時，無功功率也相應(yīng)減少而使它們的功率因數(shù)有所提高。但供電電壓降低會影響電氣設(shè)備的正常工作。所以，應(yīng)當采取措施使電力系統(tǒng)的供電電壓盡可能保持穩(wěn)定。 4、無功補償?shù)囊话惴椒? 　　無功補償通常采用的方法主要有3種：低壓個別補償、低壓集中補償、高壓集中補償。下面簡單介紹這3種補償方式的適用范圍及使用該種補償方式的優(yōu)缺點。 　　(1)低壓個別補償: 　　低壓個別補償就是根據(jù)個別用電設(shè)備對無功的需要量將單臺或多臺低壓電容器組分散地與用電設(shè)備并接，它與用電設(shè)備共用一套斷路器。通過控制、保護裝置與電機同時投切。隨機補償適用于補償個別大容量且連續(xù)運行(如大中型異步電動機)的無功消耗，以補勵磁無功為主。低壓個別補償?shù)膬?yōu)點是：用電設(shè)備運行時，無功補償投入，用電設(shè)備停運時，補償設(shè)備也退出，因此不會造成無功倒送。具有投資少、占位小、安裝容易、配置方便靈活、維護簡單、事故率低等優(yōu)點。 　　(2)低壓集中補償： 　　低壓集中補償是指將低壓電容器通過低壓開關(guān)接在配電變壓器低壓母線側(cè)，以無功補償投切裝置作為控制保護裝置，根據(jù)低壓母線上的無功負荷而直接控制電容器的投切。電容器的投切是整組進行，做不到平滑的調(diào)節(jié)。低壓補償?shù)膬?yōu)點：接線簡單、運行維護工作量小，使無功就地平衡，從而提高配變利用率，降低網(wǎng)損，具有較高的經(jīng)濟性，是目前無功補償中常用的手段之一。 　　(3)高壓集中補償： 　　高壓集中補償是指將并聯(lián)電容器組直接裝在變電所的6～10kV高壓母線上的補償方式。適用于用戶遠離變電所或在供電線路的末端，用戶本身又有一定的高壓負荷時，可以減少對電力系統(tǒng)無功的消耗并可以起到一定的補償作用；補償裝置根據(jù)負荷的大小自動投切，從而合理地提高了用戶的功率因數(shù)，避免功率因數(shù)降低導致電費的增加。同時便于運行維護，補償效益高。 5、采取適當措施，設(shè)法提高系統(tǒng)自然功率因數(shù) 　　提高自然功率因數(shù)是不需要任何補償設(shè)備投資，僅采取各種管理上或技術(shù)上的手段來減少各種用電設(shè)備所消耗的無功功率，這是一種最經(jīng)濟的提高功率因數(shù)的方法。 　　(1)合理使用電動機； 　　(2)提高異步電動機的檢修質(zhì)量； 　　(3)采用同步電動機：同步電動機消耗的有功功率取決于電動機上所帶機械負荷的大小，而無功功率取決于轉(zhuǎn)子中的勵磁電流大小，在欠勵狀態(tài)時，定子繞組向電網(wǎng)"吸取"無功，在過勵狀態(tài)時，定子繞組向電網(wǎng)"送出"無功。因此，對于恒速長期運行的大型機構(gòu)設(shè)備可以采用同步電動機作為動力。 　　異步電動機同步運行就是將異步電動機三相轉(zhuǎn)子繞組適當連接并通入直流勵磁電流，使其呈同步電動機運行，這就是"異步電動機同步化"。 　　(4)合理選擇配變?nèi)萘?，改善配變的運行方式：對負載率比較低的配變，一般采取"撤、換、并、停"等方法，使其負載率提高到最佳值，從而改善電網(wǎng)的自然功率因數(shù)。 6、無功電源 　　電力系統(tǒng)的無功電源除了同步電機外，還有靜電電容器、靜止無功補償器以及靜止無功發(fā)生器，這4種裝置又稱為無功補償裝置。除電容器外，其余幾種既能吸收容性無功又能吸收感性無功。 　　(1)同步電機： 　　同步電機中有發(fā)電機、電動機及調(diào)相機3種。 　?、偻桨l(fā)電機： 　　同步發(fā)電機是唯一的有功電源，同時又是最基本的無功電源，當其在額定狀態(tài)下運行時，可以發(fā)出無功功率： 　　Q=Ssinφ=Ptgφ 　　其中:Q、S、P、φ是相對應(yīng)的無功功率、視在功率、有功功率和功率因數(shù)角。 　　發(fā)電機正常運行時,以滯后功率因數(shù)運行為主,向系統(tǒng)提供無功，但必要時,也可以減小勵磁電流,使功率因數(shù)超前,即所謂的"進相運行"，以吸收系統(tǒng)多余的無功。 　?、谕秸{(diào)相機: 　　同步調(diào)相機是空載運行的同步電機，它能在欠勵或過勵的情況下向系統(tǒng)吸收或供出無功，裝有自勵裝置的同步電機能根據(jù)電壓平滑地調(diào)節(jié)輸入或輸出的無功功率，這是其優(yōu)點。但它的有功損耗大、運行維護復雜、響應(yīng)速度慢，近來已逐漸退出電網(wǎng)運行。 　?、鄄⒙?lián)電容器： 　　并聯(lián)電容器補償是目前使用最廣泛的一種無功電源，由于通過電容器的交變電流在相位上正好超前于電容器極板上的電壓，相反于電感中的滯后，由此可視為向電網(wǎng)"發(fā)?quot;無功功率： 　　Q=U2/Xc 　　其中：Q、U、Xc分別為無功功率、電壓、電容器容抗。 　　并聯(lián)電容器本身功耗很小，裝設(shè)靈活，節(jié)省投資；由它向系統(tǒng)提供無功可以改善功率因數(shù)，減少由發(fā)電機提供的無功功率。 　?、莒o止無功補償器： 　　靜止無功補償器是由晶閘管所控制投切電抗器和電容器組成，由于晶閘管對于控制信號反應(yīng)極為迅速，而且通斷次數(shù)也可以不受限制。當電壓變化時靜止補償器能快速、平滑地調(diào)節(jié)，以滿足動態(tài)無功補償?shù)男枰瑫r還能做到分相補償；對于三相不平衡負荷及沖擊負荷有較強的適應(yīng)性；但由于晶閘管控制對電抗器的投切過程中會產(chǎn)生高次諧波，為此需加裝專門的濾波器。 　?、蒽o止無功發(fā)生器： 　　它的主體是一個電壓源型逆變器，由可關(guān)斷晶閘管適當?shù)耐〝?，將電容上的直流電壓轉(zhuǎn)換成為與電力系統(tǒng)電壓同步的三相交流電壓，再通過電抗器和變壓器并聯(lián)接入電網(wǎng)。適當控制逆變器的輸出電壓，就可以靈活地改變其運行工況，使其處于容性、感性或零負荷狀態(tài)。 　　與靜止無功補償器相比，靜止無功發(fā)生器響應(yīng)速度更快，諧波電流更少，而且在系統(tǒng)電壓較低時仍能向系統(tǒng)注入較大的無功。 同步電機和感應(yīng)電機一樣是一種常用的交流電機。特點是：穩(wěn)態(tài)運行時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率之間有不變的關(guān)系n=ns=60f/p，ns稱為同步轉(zhuǎn)速。若電網(wǎng)的頻率不變，則穩(wěn)態(tài)時同步電機的轉(zhuǎn)速恒為常數(shù)而與負載的大小無關(guān)。 　　同步電機分為同步發(fā)電機和同步電動機?，F(xiàn)代發(fā)電廠中的交流機以同步電機為主。 工作原理 　　◆主磁場的建立：勵磁繞組通以直流勵磁電流，建立極性相間的勵磁磁場，即建立起主磁場。 　　◆ 載流導體：三相對稱的電樞繞組充當功率繞組，成為感應(yīng)電勢或者感應(yīng)電流的載體。 　　◆ 切割運動：原動機拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)（給電機輸入機械能），極性相間的勵磁磁場隨軸一起旋轉(zhuǎn)并順次切割定子各相繞組（相當于繞組的導體反向切割勵磁磁場）。 　　◆ 交變電勢的產(chǎn)生：由于電樞繞組與主磁場之間的相對切割運動，電樞繞組中將會感應(yīng)出大小和方向按周期性變化的三 相 對稱交變電勢。通過引出線，即可提供交流電源。 　　◆ 交變性與對稱性：由于旋轉(zhuǎn)磁場極性相間，使得感應(yīng)電勢的極性交變；由于電樞繞組的對稱性，保證了感應(yīng)電勢的三相對稱性。 7、同步電機的運行方式 　　◆同步電機的主要運行方式有三種，即作為發(fā)電機、電動機和補償機運行。 作為發(fā)電機運行是同步電機最主要的運行方式，作為電動機運行是同步電機的另一種重要的運行方式。同步電動機的功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)，在不要求調(diào)速的場合，應(yīng)用大型同步電動機可以提高運行效率。近年來，小型同步電動機在變頻調(diào)速系統(tǒng)中開始得到較多地應(yīng)用。 同步電機還可以接于電網(wǎng)作為同步補償機。這時電機不帶任何機械負載，靠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子中的勵磁電流向電網(wǎng)發(fā)出所需的感性或者容性無功功率，以達到改善電網(wǎng)功率因數(shù)或者調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓的目的。 8、同步電動機 　　轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速相同的交流電動機。其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與磁極對數(shù)p、電源頻率f之間滿足n=f/p。轉(zhuǎn)速n決定于電源頻率f，故電源頻率一定時，轉(zhuǎn)速不變，且與負載無關(guān)。具有運行穩(wěn)定性高和過載能力大等特點。常用于多機同步傳動系統(tǒng)、精密調(diào)速穩(wěn)速系統(tǒng)和大型設(shè)備(如軋鋼機)等。 　　是屬于交流電機，定子繞組與異步電動機相同。它的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度與定子繞組所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的速度是一樣的，所以稱為同步電動機。正由于這樣，同步電動機的電流在相位上是超前于電壓的，即同步電動機是一個容性負載。為此，在很多時候，同步電動機是用以改進供電系統(tǒng)的功率因數(shù)的。 　　同步電動機在結(jié)構(gòu)上大致有兩種： 　　1、轉(zhuǎn)子用直流電進行勵磁。它的轉(zhuǎn)子做成顯極式的，安裝在磁極鐵芯上面的磁場線圈是相互串聯(lián)的，接成具有交替相反的極性，并有兩根引線連接到裝在軸上的兩只滑環(huán)上面。磁場線圈是由一只小型直流發(fā)電機或蓄電池來激勵，在大多數(shù)同步電動機中，直流發(fā)電機是裝在電動機軸上的，用以供應(yīng)轉(zhuǎn)子磁極線圈的勵磁電流。 　　由于這種同步電動機不能自動啟動，所以在轉(zhuǎn)子上還裝有鼠籠式繞組而作為電動機啟動之用。鼠籠繞組放在轉(zhuǎn)子的周圍，結(jié)構(gòu)與異步電動機相似。 　　當在定子繞組通上三相交流電源時，電動機內(nèi)就產(chǎn)生了一個旋轉(zhuǎn)磁場，鼠籠繞組切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而使電動機旋轉(zhuǎn)起來。電動機旋轉(zhuǎn)之后，其速度慢慢增高到稍低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，此時轉(zhuǎn)子磁場線圈經(jīng)由直流電來激勵，使轉(zhuǎn)子上面形成一定的磁極，這些磁極就企圖跟蹤定子上的旋轉(zhuǎn)磁極，這樣就增加電動機轉(zhuǎn)子的速率直至與旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)為止。 　　2、轉(zhuǎn)子不需要勵磁的同步電機 　　轉(zhuǎn)子不勵磁的同步電動機能夠運用于單相電源上，也能運用于多相電源上。這種電動機中，有一種的定子繞組與分相電動機或多相電動機的定子相似，同時有一個鼠籠轉(zhuǎn)子，而轉(zhuǎn)子的表面切成平面。所以是屬于顯極轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子磁極是由一種磁化鋼做成的，而且能夠經(jīng)常保持磁性。鼠籠繞組是用來產(chǎn)生啟動轉(zhuǎn)矩的，而當電動機旋轉(zhuǎn)到一定的轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子顯極就跟住定子線圈的電流頻率而達到同步。顯極的極性是由定子感應(yīng)出來的，因此它的數(shù)目應(yīng)和定子上極數(shù)相等，當電動機轉(zhuǎn)到它應(yīng)有的速度時，鼠籠繞組就失去了作用，維持旋轉(zhuǎn)是靠著轉(zhuǎn)子與磁極跟住定子磁極，使之同步 .