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    無功補償裝置原理,干貨總結!
    RSS 打印 復制鏈接 發布時間:2020-07-17 17:08:45

    分相補償裝置可以補償不平衡的無功電流,但是對于不平衡的有功電流無能為力。實際上,經過恰當設計的無功補償裝置,不但可以將三相的功率因數均補償至1,而且可以將三相間的不平衡有功電流調整至平衡。

    怎樣調整不平衡電流

    在很久以前,電學奇才斯坦因梅茨(C.P.Steinmetz)就已經找到了利用無功補償來平衡三相電流的解決辦法。在《電力系統無功功率控制》一書中有比較詳細的介紹,有興趣的讀者不妨一讀。

    斯坦因梅茨的辦法有兩個缺點:其一是計算過程比較繁復,讀者很難從計算過程中領會這種調整不平衡電流方法的物理意義。其二是只能適用于三相三線系統,當應用于三相四線系統時,如果零線電流不為零,就會出現較大的誤差。

    筆者在多年研究無功補償技術的基礎上,總結出了一套簡明易懂的調整不平衡電流理論與計算方法,下面就進行介紹。

    調整不平衡電流的基本原理

    要了解首調整不平衡電流的基本原理,首先要了解wangs定理,讀者可以參見本博客中的Wangs定理一文。

    在了解wangs定理的前提下,這里具體介紹一下怎樣調整不平衡有功電流。

    設有一個電阻連接在A相與B相兩端,這是一個典型的不平衡負荷,調整不平衡電流的目標就是將這個電阻的電流平均分配到三相當中去,具體的方法如圖1所示:

    QQ截圖20200717171139.png

    利用wangs定理的基本概念,在A相與C相之間接入一個適當的電感L將A相有功電流的1/3轉移到C相,這時電感L在A相產生的感性無功電流恰好將電阻在A相產生的容性無功電流抵消掉。在B相與C相之間接入一個適當的電容C將B相有功電流的1/3轉移到C相,這時電容C在B相產生的容性無功電流恰好將電阻在B相產生的感性無功電流抵消掉。電感L在C相產生的感性無功電流恰好將電容C在C相產生的容性無功電流抵消掉。這樣三相電流完全平衡,并且三相的功率因數全等于1。

    設有一個電阻連接在A相與零線之間,這是另一個典型的不平衡負荷,調整不平衡電流的目標就是將這個電阻的電流平均分配到三相當中去,具體的方法如圖2所示:

    QQ截圖20200717171157.png

    在A相與C相之間接入一個適當的電感L1將A相有功電流的1/3轉移到C相,在A相與B相之間接入一個適當的電容C1將A相有功電流的1/3轉移到B相,這時電感L1在A相產生的感性無功電流恰好將電容C1在A相產生的容性無功電流抵消掉。在B相與零線之間接入一個電感L2將電容C1在B相產生的容性無功電流抵消掉。在C相與零線之間接入一個電容C2將電感L1在C相產生的感性無功電流抵消掉。于是三相電流完全平衡,并且三相的功率因數全等于1。

    一個實際的有功負荷系統相當于在各相與相之間以及各相與零線之間分別接有不同的電阻,在計算的時候將各電阻分別單獨計算,然后按疊加原理加在一起就可以確定各相與相之間以及各相與零線之間需要接入的電感和電容數量。在疊加的過程中,如果某一路既有電感又有電容,則進行抵消處理,例如:計算得出A相與B相之間應接入15Kvar的電感和7Kvar的電容,則抵消處理之后僅剩8Kvar的電。

    以上介紹的方法需要使用電感,在實際的無功補償裝置中使用電感是不適合的,因為電感的價格高、損耗大、重量大。所幸的是,實際的電力系統負荷總是存在電感的,正因為負荷存在電感,才需要進行無功補償,于是我們就可以利用負荷的電感來調整不平衡有功電流。理論計算與實踐經驗均表明:只要在各相與相之間以及各相與零線之間恰當的接入不同數量的電容器,就可以在無功補償的同時調整不平衡有功電流。并且接入的電容器總Kvar數與分相補償裝置將各相功率因數補償至1所需要的總Kvar數相同。

    由于調整不平衡有功電流需要利用負荷的電感,因此負荷的功率因數越低意味著可以利用的電感越多,則調整不平衡有功電流的能力就越強。計算表明:如果負荷的功率因數為0.7,那么最大相電流是最小相電流2倍的情況可以調整到平衡。如果負荷的功率因數為0.85,那么最大相電流是最小相電流1.5倍的情況可以調整平衡。如果負荷的功率因數為1,那么意味著沒有可以利用的電感,因此無法進行不平衡調整。

    下面舉一例說明如何連接電容器來達到即補償功率因數又調整不平衡電流的目的。

    設有一用電系統如圖3所示:

    QQ截圖20200717171226.png

    這是一個功率因數很低且三相嚴重不平衡的例子,三相的功率因數均為0.707。C相電流比A相電流大一倍。在這個例子里,由于負荷含有足夠多的電感,因此只要恰當地投入電容器,就可以使三相的功率因數均為1,并且三相電流平衡。電容器的接法如圖4所示:

    QQ截圖20200717171243.png

    由圖4中的數據可知,補償電容器的總容量恰好等于負荷中的電感總容量,只是由于恰當地選擇了電容器的接法,不僅使三相的電流平衡,并且三相的功率因數均等于1,零線沒有電流。從圖中可以看出,接在相與相之間的電容器是不相等的,因此可以起到既補償無功又調整不平衡有功電流的作用,這里利用了Wangs定理2。從圖中還可以看出,接在B相與零線之間和接在C相與零線之間的兩個電容器的電流恰好抵消了零線電流,這里利用了Wangs定理3。由此可見3個Wangs定理之間并不矛盾,恰當地利用Wangs定理可以起到簡化計算的作用,并且不論采取什么樣的算法,得到的結果是唯一的。在補償了無功并且調整了不平衡有功電流之后,零線電流就消失了,乍看起來我們不由得會感謝上帝的巧妙安排,不過仔細想想這其中自有其必然性,既然三相電流平衡則零線電流當然不會存在。

    上例中的負荷含有足夠多的電感,因此可以取得較好的調整不平衡效果。當負荷的功率因數較高,可以利用的電感較少,而三相電流的不平衡現象又比較嚴重時,可能達不到完全平衡的目的。但是理論計算與實驗的結果都表明:只要負荷中含有電感,就可以在將三相的功率因數均補償至1的基礎上,使三相有功電流的不平衡程度有所減輕,仍然可以達到其他補償方式所達不到的效果。下面舉一例說明這個問題。

    設有一用電系統如圖5所示:

    QQ截圖20200717171302.png

    圖5的不平衡程度與圖4的例子相當,只是三相的功率因數較高均為0.85。對于這種情況,雖然可供利用的負荷電感較少,達不到使有功電流完全平衡的目的,但是仍然可以取得一定的調整不平衡效果。補償電容器的接法示于圖6:

    QQ截圖20200717171321.png

    由圖6中的數據可知,補償電容器的總容量恰好等于負荷中的電感總容量,補償后三相的功率因數均等于1,三相的有功電流雖然沒有完全平衡,但不平衡程度大大減輕,零線電流明顯減小。

    從以上的例子可以看出,只要恰當地在系統的各相線與相線之間及各相線與零線之間接入不同數量的單相電容器,就可以達到即補償功率因數又調整不平衡有功電流的目的。并且投入的電容器總量與將三相的功率因數均補償至1所需的電容器總量相同。雖然計算方法十分復雜,但在計算機技術高度發達的今天,實現起來還是沒有問題的。

    幾種補償裝置的補償效果比較

    在負荷平衡的情況下,各種形式補償裝置的使用效果從理論上都是一樣的,但是當負荷不平衡時,則使用效果就有很大的不同。

    下面從理論上將幾種類型的補償裝置進行一下比較。設系統實際負荷情況如圖3所示。使用調整不平衡無功補償裝置的效果如圖4所示,這里不再重復。

    如果使用三相電容器同時投切的補償裝置來進行補償,由于三相的電感量不同,只能參照A相的電感量來進行補償,否則A相就會產生過補償。補償后的結果示于圖7。從圖7與圖4的數據對比中可以看出,投入三相電容器后,雖然三相的電流都有所減小,但是三相間的不平衡程度反而有所加劇,未投電容器前C相與A相的電流比為2:1,投入電容器后C相與A相的電流比反而變成了2.24:1。投入電容器前后的零線電流沒有變化,這是因為零線電流是由不平衡電流引起的,三相電容器不接零線,所以零線電流不可能改變。從此例可以看出,三相電容器同時投切的補償裝置不適于在三相電流嚴重不平衡的系統中應用。

    QQ截圖20200717171411.png

    還以圖3所示實際負荷情況為例,如果使用單相電容器分相投切的補償裝置來進行補償,補償后的結果示于圖8。從圖8與圖4的數據對比中可以看出,投入相應的單相電容器后,三相的電流都有所減小,三相間的不平衡程度沒有變化,未投電容器前C相與A相的電流比電容器為2:1,投入電容器后C相與A相的電流比仍然是2:1。投入電容器后的零線電流減小,這是因為零線中的不平衡無功電流被消除掉了,只剩下不平衡的有功電流部分。從此例可以看出,在三相電流嚴重不平衡的系統中應用時,單相電容器分相投切的補償裝置比三相電容器同時投切的補償裝置的使用效果要好一些。

    QQ截圖20200717171425.png

    從以上的介紹中可以看出,使用調整不平衡電流功率因數補償裝置可以取得最好的效果,并且零線電流最小。

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