低压无功功率补偿装置本科毕业论文.doc

中文摘要本课题研究以低压电网无功补偿改造为背景，研究低压无功功率补偿装置，该装置以实时的电网监测数据为依据，采用动态补偿的方式，投切、分段时按国家有关规定限制涌流，补偿断电源功率因数不低于0.95，自动补偿电网中的无功损耗，提高功率因数，降低线损，从而提高电网的负载能力和供电质量。装置采用PQC100系列无功功率自动补偿控制器，取样物理量为无功电流，交流采样抗电网高次谐波干扰，提取基波电力参数控制投切电力电容器来提高功率因数。电容器接触器则采用CJ19-63/21系列，该接触器带有抑制涌流装置，能有效的减少合闸涌流对电容的冲击和抑制开断时的过电压。关键字：无功补偿，低压, 控制器，接触器，电力电容器英文摘要 The research of the low voltage reactive power compensation transformation as the background, research for low voltage reactive power compensation device, the device to the real-time grid based on the monitoring data, the dynamic compensation method, switching, segmented according to relevant state regulations limit the inrush current, the compensation off power supply power factor of not less than 0.95, automatic compensation of power grid reactive power loss, improve power factor, reduce the line loss, thereby increasing the load of the power grid and power quality.Device using PQC - 100series of reactive power automatic compensation controller, sampling the physical quantity for reactive current, AC sampling of power system harmonic interference, extracting the fundamental harmonic power parameter control switching power capacitor to improve the power factor. Capacitor contactor adopts CJ19-63/21 series, the contactor with inhibition of inrush current device, can effectively reduce the inrush current of capacitor and the impact of inhibition at breaking overvoltage.Key words: reactive power compensation, low voltage, controller,contactor, electric power capacitor毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 目 录中文摘要.1英文摘要.2目录.3第1章 绪论.41.1 研究背景.41.2 无功补偿的发展状况.51.3 本文的研究内容.6第2章 无功补偿的原理.72.1 无功补偿的原理.72.1.1 无功功率.72.1.2功率因数.72.1.3无功补偿.72.2 无功补偿的作用.82.2.1 提高电压质量.82.2.2 提高变压器的利用率，减少投资.82.2.3 减少用户电费支出.92.2.4 提高电力网传输能力.92.3低压电网中的几种无功补偿方式.92.4补偿容量的计算.102.5低压无功补偿装置的选择应注意的问题.12 2.5.1 控制器的选型.12 2.5.2电容器投切开关的选型.13 2.5.3电容器的选型.13第3章 低压成套无功功率补偿装置的工艺.15 3.1 低压无功补偿装置的原理图.15 3.2 低压无功补偿装置的主要元器件.16 工艺检验标准.16 元器件及其检测 .18总结.22参考文献.23致谢.24第1章 绪论1.1 研究背景目前，我国的电网，特别是广大的低压电网，普遍存在功率因数较低、电网线损较大的情况。导致此现象的主要原因是众多的感性负载用电设备设计落后，功率因数较低。比如我国的电动机消耗的电能占全部发电量的70%，而由于设计和使用等方面的原因我国电动机的功率因数往往较低，一般约为。在这种情况下，采用无功补偿节能技术，对提高电能质量和挖掘电网潜力是十分必要的，世界各国都把无功补偿作为电网规划的重要组成部分。从我国电网功率因数和补偿深度来看，我国与世界发达国家有不小差距。因此大力推广无功补偿技术是非常必要的，并且从以下数据，我们也能看出发展无功补偿所能带来的巨大经济效益。2007年 ，我国年总发电量为32559亿千瓦时，统计线损率为8.77%，但是这个数字没有包含相当大的110千伏、35千伏、10千伏的输电线损及0.38千伏的低压电网线损。据报道，估计实际的统计线损率约为15%，即2007年全国年线损量约为4800亿千瓦时。设全国的理论线损与统计线损相一致，其中可变线损约占理论总线损的80%，则年可变线损电量约为3900亿千瓦时。设当前全国电力网总负荷的当前功率因数，采用无功功率补偿后，把电力网总负荷的功率因数提高到，则每年可以降低线损约为390亿千瓦时，按0.5元每千瓦时计，价值约为185亿元。设2007年全国电网的最大负荷利用小时数为5000小时，则电网的最大负荷约为2亿千瓦，当用无功功率补偿法把功率因数,提高到，全国电网需总补偿容量约为0.58亿千瓦。当前无功功率补偿装置设备主要为电力电容器，设无功补偿设备每千瓦的平均综合造价为50元，则全国无功补偿装置的总投资约为29亿元。应当指出，节省240亿千瓦时约相当于一座400万千瓦火电厂的年发电量，而建一座400万千瓦的火电厂需综合费用约为300亿元，同时每年需燃烧煤约为1200万吨，每年产生,等有害物质约为600万吨。由此可见，产生相同的电力，无功补偿的费用约为新建电厂费用10%，而且无功补偿设备的费用仅需两个月的无功功率补偿的将损节电费用即可全部收回。综上所述 ，无功补偿不仅具有如上所述的节省投资、节省电力、节省燃煤及污染等作用，同时还可以提高电力系统设备的供电能力，改善电压质量，减少用户电费开支，延缓用户的增容改造等作用。 1.2 无功补偿的发展状况国家在大力倡导建立节约型社会，从国家到地方已明确的下达了各种节能指标。节能、节电事业正在蓬勃的发展，这是一股强大的潮流。在所有电力节能产品中，首先要提到的就是无功补偿装置，这也是唯一在供电政策以及电力法中提到的节能措施。作为节能降耗的生力军，无功补偿装置在我国有着巨大的潜在市场。2009年，一系列的经济振兴计划给电力电子行业带来了很多机会，主要供方和用方两方面。供方主要是对用户的补贴上，另外，在这个政策的拉动下，企业也降低了成本压力。无功补偿装置在节能降耗领域，趋势是一直向好的。首先是企业降低成本的需求，另一个是外部环境的压力，地方政府的政绩和节能降耗的水平已经挂钩，国家和地方政府补贴能达到30以上。近年来，国内无功补偿市场发展极其迅猛，产品的质量和数量都有了大幅度的提升，相当一部分优势企业已经开始问鼎国际市场并取得了不俗的业绩。随着电力工业的快速发展和技术进步，以及节能降损管理的加强等，引发了许多领域对无功补偿的需求。2006-2008年市场对无功补偿装置的需求量达到240亿元左右；其中动态无功补偿装置的需求量三年分别达到1.07亿元、2.35亿元、4.88亿元。动态无功补偿设备的成长空间巨大，成长前景看好。2006-2008年，谐波治理设备市场需求规模分别为1.79亿元、4.48亿元和12.52亿元，此市场的成长空间很大，未来几年中国电能质量谐波治理设备市场仍将保持高速的增长，并有广阔的市场发展空间。2006-2009年，是国内电力滤波器和无功补偿装置的大力发展阶段，但受到金融危机的影响，国内对电网建设的投资增速减缓，因此国内谐波治理设备和无功补偿装置市场增速减缓。随着国内经济的逐步复苏，国内对电网建设的投资将逐步增长，2009-2012年谐波治理设备和动态无功补偿装置市场将保持高速而平稳的增长。预计到2012年，仅以动态消谐补偿综合电力成套设备市场需求规模来看，我国销售额将达到505亿元。2006-2012年的市场规模复合增长率为115%左右。在“十二五”期间甚至更长的时间内，可以期待电力需求以10左右的速度稳步增长。2008年我国共新增发电装机容量7943万千瓦，全国发电装机容量达79272万千瓦，同比增长10.34%。全国发电量增长5.18%，用电量增长5.23%。未来几年对电力的需求将稳定增长，年增长率在10左右。 近20年来，世界各地（包括美国、法国、意大利、英国、俄罗斯、日本等国）发生的由电压稳定和电压崩溃引发的大面积停电事故引起了各国的高度重视。持续了短短72 小时的8.14 美加大停电给美国造成了巨大的经济损失和社会影响，这次事故提醒人们，电网运行要有足够的无功备用容量，无功不能靠远距离传输，在电力市场环境下，必须制定统一的法规以激励独立发电商和运营商从维护整个系统安全性的角度提供充足的无功备用。在我国也曾多次发生电压崩溃事故，如1993 年和1996 年南方电网的几次事故，这些事故都促使人们采取各种措施以维持电网稳定。早期的无功补偿装置为并联电容器和同步补偿器，多用在系统的高压侧进行集中补偿。至今并联电容器仍是一种主要补偿方式，应用范围广泛，只是控制器在不断的更新发展。同步补偿器的实质是同步电机，当励磁电流发生改变时，电动机可随之平滑的改变输出无功电流的大小和方向，对电力系统的稳定运行有好处。但同步补偿器成本高，安装复杂，维护困难，使其推广使用受到限制。随着近代电力电子技术的出现和发展，无功补偿技术也随之发展。在第一个工业用晶闸管出现之前，电子半导体由于功率过小，在直流传动，交流传动，电磁合闸，交流不间断电源和无功补偿等领域内一直没有得到应有的推广使用。晶闸管的出现标志着电力电子技术的诞生，并以此为起点，随着半导体制造技术和变流技术的发展，新型的电力电子器件不断问世，由此引发了众多行业的变革，如交流变频调速技术的蓬勃发展。同样电力电子技术对无功补偿技术也带来了新的发展锲机。无功补偿技术和电力电子技术的结合主要有以下三方面：1是作为投切电容器的开关。因为电力半导体开关的响应时间短(PS级)，所以能够选择电容的投切角度，实现零电压投切，避免了涌流的产生，提高了电容器使用的可靠性和电力系统的稳定性。现代并联电容器补偿装置中的输出回路就引进了该项技术。2是作为无功输出的调节开关。由于电力电子器件的高开关频率，使其能够方便地控制电容器电流的导通角，从而实现无功的连续调节，快速跟踪负载无功的变化。静止型无功补偿器是其中的代表。3是引入电力电子变流技术，将变流器作为无功电源来调节无功的输入和输出，起到补偿负载无功的作用。经常用的是静止调相机和有源滤波器。1.3 本文的研究内容当前，在农网、城网改造建设中都需要无功补偿装置，无功补偿更广泛地应用于工矿、医疗、科研、企业、油田、煤矿、港口、居民小区、公用设施等需要低压无功快速补偿的电力用户。采用电力电容器进行无功补偿是节能降损、改善电网电压质量最方便、最经济有效的方法之一，这种方法安装方便、建设周期短、造价低、运行维护简便、自身损耗小。 第2章 无功补偿的原理2.1 无功补偿的原理 2.1.1 无功功率电网中电力设备大多是根据电磁感应原理工作的，他们在能量转换过程中建立交变的磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等。电源能量在通过纯电感或纯电容电路时并没有能量消耗，仅在负荷与电源之间往复交换，在三相之间流动，由于这种交换功率不对外做功，因此称为无功功率。 2.1.2功率因数实际供用电系统中的电力负荷并不是纯感性或纯容性的，是既有电感或电容、又有电阻的负载。这种负载的电压和电流的相量之间存在着一定的相位差，相位角的余弦cos称为功率因数，又称力率。它是有功功率与视在功率之比。三相功率因数的计算公式为： 式中：cos功率因数 P有功功率，KW Q无功功率，Kvar S视在功率，KVA功率因数通常分为自然功率因数、瞬时功率因数和加权平均功率因数三种。在三相对称电路中，各相电压、电流为对称，功率因数也相同。那么三相电路总的功率因数就等于各相的功率因数。 2.1.3 无功补偿电力系统中，不但有功功率要平衡，无功功率也要平衡。有功功率、无功功率、视在功率之间的相量关系如图一 由式cos=P/S可知，在一定的有功功率下，功率因数cos越小，所需的无功功率越大。为满足用电的要求，供电线路和变压器的容量就需要增加。这样，不仅要增加供电投资、降低设备利用率，也将增加线路损耗 。为了提高电网的经济运行效率，根据电网中的无功类型，人为的补偿容性无功或感性无功来抵消线路的无功功率。2.2 无功补偿的作用线损是电流在输变电设备和线路中流动产生的，因而它由线路损耗和变压器损耗两部分组成。按损耗的变化情况可划分为可变损耗和固定损耗。前者指当电流通过导体和变压器所产生的损耗，包括变压器的铜损和电力线路上的铜损，它与负荷率、电网电压等因素有关，约占电网总损耗的80%85% 。后者指只要接通电源电力网就存在的损耗，包括变压器的铁损，电缆线路、电容器及其他电器上的介质损耗及各种计量仪表、互感器线圈上的铁损，它与电网运行电压和频率有关，占总损耗15%20% 。我国与发达国家相比，线损较大。发达国家的线损约为2%3%，而我国在2006年的线损统计为7.1%，所以线损的解决显得越来越重要。在用户或靠近用户的变电站装设自动投入的并联电容器，以平衡无功功率，限制无功功率在电网中传送，可减少电网的无功损耗，同时还可提高有功功率的输送量。 无功补偿的主要作用就是提高功率因数以减少设备容量和功率损耗、稳定电压和提高供电质量，在长距离输电中提高输电稳定性和输电能力以及平衡三相负载的有功和无功功率。安装并联电容器进行无功补偿，可限制无功功率在电网中的传输，相应减少了线路的电压损耗，提高了配电网的电压质量。2.2.1 提高电压质量 把线路中电流分为有功电流Ia和无功电流Ir，则线路中的电压损失: 式中： P有功功率，KW Q无功功率，Kvar U额定电压，KV R线路总电阻， Xl线路感抗， 因此，提高功率因数后可减少线路上传输的无功功率Q，若保持有功功率不变，而R、Xl均为定值，无功功率Q越小，电压损失越小，从而提高了电压质量。2.2.2 提高变压器的利用率，减少投资 功率因数由cos1提高到cos2提高变压器利用率为： 由此可见，补偿后变压器的利用率比补偿前提高S%，可以带更多的负荷，减少了输变电设备的投资。 2.2.3 减少用户电费支出 （1） 可避免因功率因数低于规定值而受罚。（2）可减少用户内部因传输和分配无功功率造成的有功功率 损耗，电费可相应降低。 2.2.4 提高电力网传输能力 有功功率与视在功率的关系式为： P=Scos 可见，在传输一定有功功率的条件下，功率因数越高，需要电网传输的功率越小。无功补偿的作用和原理可由图2 来解释：设电感性负荷需要从电源吸取的无功功率为，装设无功补偿装置后，补偿无功功率为，使电源输出的无功功率减少为，功率因数由提高到，视在功率减少到。图2 无功补偿原理示意图2.3 低压电网中的几种无功补偿方式广大市电低压电网处于电网的最末端，因此补偿低压无功负荷是电网补偿的关键。搞好低压补偿，不但可以减轻上一级电网补偿的压力，而且可以提高用户配电变压器的利用率，改善用户功率因数和电压质量，并有效降低电能损失。低压补偿对用户及供电部门都有利。低压无功补偿的目标是实现无功的就地平衡，通常采用地方式有三种： 随机补偿、随器补偿、跟踪补偿。随机补偿就是将低压电容器组与电动机并联，通过控制、保护装置与电机共同投切。随机补偿地优点是：用电设备运行时，无功补偿投入，用电设备停止运补偿装置也退出，不需要频繁调整补偿容量。且具有投资少，配置灵活，维修简单等优点。为防止电机推出时产生自激过电压，补偿容量一般不大于电机的空载无功。随器补偿是指将低压电容器通过低压保险接在配电变压器二次侧，以补偿配电变压器空载无功的补偿方式。有很多的低压配电网中的变压器，尤其是农网配电变压器，普遍存在负荷轻的现象。在负荷时接近空载，此时配电变压器的空载无功是电网无功负荷的主要部分。随器补偿由于补在低压侧，可有效地补偿配变空载无功， 且连线简单， 做到无功地就地补偿。跟踪补偿是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补偿在大用户0.4kV母线上的补偿方式。补偿电容器组的固定连接可起到相当于随器补偿的作用，补偿用户的固定无功基荷；可投电容器组用于补偿无功峰荷部分。由于用户负荷有一定的波动性，故推荐选用自动投切方式。此法对电容器的保护比前二种要更可靠。上述三种补偿方式均可对特定种类无功负荷实现“就地平衡”的无功补偿，降损节能效果好。 2.4 补偿容量的计算无功功率的传输加重了电网负荷，使电网损耗增加，系统电压下降。故需对其进行就近和就地补偿。并联电容器可补偿或平衡电气设备的感性无功功率。当容性无功功率QC等于感性无功功率QL时，电网只传输有功功率P。根据国家有关规定，高压用户的功率因数应达到0.9以上，低压用户的功率因数应达到0.85以上。 如果选择电容器功率为Qc，则功率因数为： cosf= P/ (P2 + (Ql- Qc)2)1/2 在实际工程中首先应根据负荷情况和供电部门的要求确定补偿后所需达到的功率因数值，然后再计算电容器的安装容量： Qc = P(tanf1 - tanf2)=P(1/cos2f1-1)1/2-(1/cos2f2-1)1/2 式中: Qc一电容器的安装容量，kvar P一系统的有功功率，kW tanf1-补偿前的功率因数角, cosf1-补偿前的功率因数 tanf2-补偿后的功率因数角, cosf2-补偿后的功率因数功率因数与补偿容量查询表补偿前 cosf1补偿后功率因数目标值及每KW负荷所需电容器容量(KVar)0.700. 800. 820. 840. 860. 880.900. 920. 940. 960. 981.00.500.710.9821.0341.0861 1391.1921.2481.3061.3691. 4401.5291.3720.510.520.530.540.550.670.620.580.540.500.9370.8930.8500.8090.7690.9890.9450.9020.8610.8211.0410.9970.9540.9130.8731.0941.0501.0070.9660.9261.1471.1031.0601.0190.9791.2031.1871.1161.0751.0351.2611.2171.1741.1331.0931.3241.2801.2371.161.1561.3951.3511.3081.2671.2271.4841.4401.3971.3561.3161.6871.6431.6001.5591.5190.560.570.580.590.600.460.420.390.350.310.7300.6920.6550.6190.5830.7820.7440.7070.6710.6350.8360.7690.7590.7230.6870.8870.840.8120.7760.7400.9400.9020.8650.820.7930.9960.9580.9210.8850.8491.0541.0160.9790.9430.9071.1171.0791.0421.0060.9701.1881.15001.1131.0771.0411.2771.2391.2021.1161.1301.4801.4421.4051.361.3330.610.620.630.640.650.280.250.210.180.150.5490.5160.4830.4510.4190.6010.5680.5350.5030.4710.6530.6200.5870.5550.5230.7060.6730.6400.6080.5760.7590.7260.6930.6610.6290.8150.7820.7490.7170.6850.8730.8400.8070.7750.7430.9360.9030.8700.8380.8061.0070.9740.9410.9090.8771.0961.0631.0300.9980.9661.2991.2661.2331.2011.1690.660.670.680.690.700.120.090.060.030.000.3880.3580.3280.2990.2700.4400.4100.3800.3510.3220.4920.4620.4320.4030.3740.5450.5150.4850.4560.4270.5980.5680.5360.5090.4800.6540.6240.5940.5650.5360.7120.6820.6520.6230.5940.7750.7450.7150.6860.6570.8460.8160.7860.7570.7280.9350.9050.8750.8460.8171.1381.1081.0731.0491.0200.710.720.730.740.75 0.2420.2140.1860.1590.1320.2940.2660.2380.2110.1840.3460.3180.2900.2630.2360.3990.3710.3430.3160.2890.4520.4240.360.3690.3420.5080.4800.4520.4250.3980.5660.5380.5100.4830.4560.6290.6010.5730.5460.5190.7000.6720.6440.6170.5900.7890.7610.7330.7060.6790.9920.9640.9360.9090.8820.760.770.780.790.80 0.1050.0790.0520.0260.0000.1570.1310.1040.0780.0520.2090.1830.1560.1300.1040.2620.2360.2090.1830.1570.3510.2890.2620.2360.2100.3710.3450.3180.2920.2660.4290.4030.3760.3500.3240.4920.4660.4390.4130.3870.5630.5370.5100.4840.4580.3520.3260.5990.5730.5470.8550.8290.8020.7760.7500.810.820.830.840.85  0.0260.000 0.0780.0520.0260.0000.1310.1050.0790.0530.0270.1840.1580.1320.1060.0800.2400.2140.1880.1620.1360.2980.2720.2460.2200.1940.3610.3350.3090.2830.2570.4320.4060.3800.3540.3280.5210.4950.4690.4430.4170.7240.6980.6720.6460.6200.860.870.880.890.90                0.000    0.0530.0270.000  0.1090.0830.0560.0280.0000.1670.1410.1140.0860.05