高壓電網無功補償及諧波治理

 

    1 無功電量的概念

 

    在平穩直流狀態下， 功率等于電壓與電流的乘積， 即：p=u×i。

 

    在交流狀態下， 由于電壓與電流均為時間的周期函數，則功率由下式來進行計算：

 

    當電網中的負荷含有電抗成分(通常為感性成分)或者負荷具有非線性特性時，電壓與電流就會有相位差或者電流含有諧波成分，此時電網傳輸能量的能力下降，功率的計算值小于電壓有效值與電流有效值的乘積，于是就引入了功率因數的概念。功率因數的英文全稱是power factor，簡稱pf。pf 是一個無量綱的小于1 的實數。

 

    當電壓與電流用有效值表示并引入功率因數時，則功率由下式來進行計算：

 

    當系統中沒有諧波時，功率因數就是電壓與電流相位差φ 的余弦函數即：pf = cosφ。于是功率的表達式可寫為：

 

    p=u×i×cos

 

    引入了功率因數的概念以后，我們就可以利用向量的方法將電流分解為有功電流和無功電流：

 

    高壓電網無功補償及諧波治理,

 

    式中：p 為有功功率，pl為無功功率，ps為視在功率。

 

    有功功率代表著能量的傳遞，而無功功率是一種交流電網中特有的不傳遞能量的伴生量。

 

    在電網系統計量過程中，還經常使用有功電量與無功電量來計算功率因數，由于有功電量相當于有功功率對時間的積分，無功電量相當于無功功率對時間的積分，因此這樣的計算結果相當于功率因數在一個計量周期的平均值。

 

    需要注意的是：

 

    (1)只有無功電流與無功功率的概念，沒有無功電壓的概念。因此通常所說的無功可以指無功電流，也可以指無功功率。

 

    (2)當系統中含有諧波時，用cos 來表達功率因數會產生較大的誤差。諧波含量越大，誤差越大。

 

    2 無功補償的必要性

 

    由于無功電流的存在，在傳送同樣能量的情況下，電流比沒有無功的情況下增加，會大量增加系統的銅損，降低線路與變壓器的利用率，這是顯而易見的事情。

 

    在一個交流連接的電網中(這里強調交流連接的原因是因為直流輸電線路不傳遞無功，因此用直流輸電線路連接的若干電網可以分開為各自獨立的電網來考慮無功問題)，無功電流在任何瞬間都是平衡的，也就是說，無功電流的發出量與吸收量在任何瞬間都是相等的， 這就是無功平衡原理。由于無功平衡原理的存在，無功電流雖然不傳遞能量，但是卻會影響電網的電壓，這是由電網中的設備性質決定的。電網中絕大部分發電機均為同步發電機。同步發電機在激磁電流不變時輸出的無功電流與輸出電壓成反比，即：隨著輸出電壓的減少而輸出無功電流增加，反之，隨著輸出電壓的增加而輸出無功電流減少。而電網中大部分負荷所吸收的無功電流與電壓成正比。因此，當電網中沒有補償裝置時，負荷吸收的無功功率就全部要由發電機來提供。如果系統的無功不足，電壓就會下降，電壓下降以后，負荷吸收的無功減少，發電機發出的無功增加，從而保持無功的平衡。反之，如果系統的無功過剩，電壓就會升高，電壓升高以后，負荷吸收的無功增加，發電機發出的無功減少，從而保持無功的平衡。也就是說，電網可以依靠電壓的變化來自動保持無功平衡。當系統中的無功嚴重不足，就會導致電壓急劇下降，電壓下降導致發電機發出的無功電流急劇增加，這時，如果某1 臺發電機由于電流過載而解列退出電網，則無功更加不足，如此連鎖反應，會導致電網崩潰的大事故。所以在電網中設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和用電設備在額定電壓下工作就顯得非常必要。

 

    由于無功的不良作用，供電部門對企業35kv 客戶功率因數標準一般為0.9，因此、對于我們用戶來講，總是希望盡量提高功率因數，減少無功，減少無功的方法就是無功補償，使負荷所吸收的無功被就地平衡， 避免大量無功電流的傳輸，這樣既可以避免低功率因數罰款，相反、還能獲得獎勵。

 

    3 諧波的產生及危害

 

    電力諧波對電力網(用戶)危害是十分嚴重的，它是一種電力污染，一種人們看不見、嗅不到、摸不著的污染。所以往往不被人們注意。對于電力系統，諧波是個很要命的問題!

 

    3.1 諧波的概念

 

    當電網中的電壓或電流波形非理想的正弦波時，即說明其中含有頻率高于50hz 的電壓或電流成分， 我們將頻率高于50hz 的電流或電壓成分稱之為諧波。當諧波頻率為工頻頻率的整數倍時，我們將其稱之為整數次諧波，這類諧波通常用次數來表示。例如：將頻率為工頻頻率5 倍(250hz)的諧波稱之為5 次諧波，將頻率為工頻頻率7 倍(350hz)的諧波稱之為7 次諧波，依此類推。當諧波頻率不是工頻頻率的整數倍時，我們將其稱之為分數諧波。這類諧波通常直接使用諧波頻率來表示。例如：頻率為1627hz 的諧波。

 

    3.2 諧波產生的原因。

 

    諧波產生的原因多種多樣，比較常見的有2 類：第1 類是由于非線性負荷而產生諧波，例如可控硅整流器、開關電源等， 這一類負荷產生的諧波頻率均為工頻頻率的整數倍。例如三相六脈波整流器所產生的主要是5 次和7 次諧波，而三相12 脈波整流器所產生的主要是11 次和13 次諧波;第2 類是由于逆變負荷而產生諧波，例如中頻爐、變頻器，這一類負荷不僅產生整數次諧波，還產生頻率為逆變頻率2 倍的分數諧波。例如： 使用三相六脈波整流器而工作頻率為820hz 的中頻爐則不僅產生5 次和7 次諧波，還產生頻率為1640hz 的分數諧波。

 

    諧波在電網誕生的同時就是存在的，因為發電機和變壓器都會產生少量的諧波。但是由于產生大量諧波的用電設備不斷增加，并且電網中大量使用的并聯電容器所造成的諧波放大，使得諧波的影響越來越嚴重，逐漸引起人們的重視。

 

    3.3 諧波造成的危害

 

    當電網中的諧波電流較大，以至于電壓波形也產生畸變時，我們將其稱之為電網被污染。電網的污染程度用電壓波形畸變率來表示，簡稱thdu。按照國家標準gb/t14549-93《電能質量公用電網諧波》的規定：10kv 電網的thdu 應小于4%，400v 電網的thdu 應小于5%。諧波與無功電流不同。無功電流只影響電網的電壓，并增加供電系統的銅損，通常不會影響用戶，也不會影響計量精度。而諧波的影響可以用“無孔不入”來形容。在電網被污染的情況下，所有電網中的設備與負荷均會受到影響。諧波與無功還有一點不同：無功電流在沒有補償的情況下會一直傳送到發電機，而諧波電流通常全部被電網中的設備與負荷吸收掉。

 

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