一、功率的概念
功率(英語:power)是單位時間內(nèi)做功的大小或能量轉(zhuǎn)換的大小。
1、視在功率:視在功率是指發(fā)電機(jī)發(fā)出的總功率,其中可以分為有功部分和無功部分。
2、有功功率:有功功率是保持用電設(shè)備正常運(yùn)行所需的電功率,也就是將電能轉(zhuǎn)換為其他形式能量(機(jī)械能、光能、熱能)的電功率。
3、無功功率:是用于電路內(nèi)電場與磁場的交換,并用來在電氣設(shè)備中建立和維持磁場的電功率,它不對外作功,而是轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?。凡是有電磁線圈的電氣設(shè)備,建立磁場,就要消耗無功功率。無功功率不做功,但要有功功率的傳導(dǎo)先滿足電網(wǎng)的無功功率。
二、需要無功補(bǔ)償?shù)脑?/strong>
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,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(yùn)行。
但是從發(fā)電機(jī)和高壓輸電線供給的無功功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了負(fù)荷的需要,所以在電網(wǎng)中要設(shè)置一些無功補(bǔ)償裝置來補(bǔ)充無功功率,以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。無功補(bǔ)償是把具有容性功率負(fù)荷的裝置與感性功率負(fù)荷并聯(lián)接在同一電路,能量在兩種負(fù)荷之間相互交換,這樣,感性負(fù)荷所需要的無功功率可由容性負(fù)荷輸出的無功功率補(bǔ)償。
三、無功補(bǔ)償?shù)囊话惴椒?/strong>
無功補(bǔ)償通常采用的方法主要有3種:低壓個別補(bǔ)償、低壓集中補(bǔ)償、高壓集中補(bǔ)償。下面簡單介紹3種補(bǔ)償方式的適用范圍及使用該種補(bǔ)償方式的優(yōu)缺點(diǎn)。
1、低壓個別補(bǔ)償
低壓個別補(bǔ)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(hù)裝置與電機(jī)同時投切。隨機(jī)補(bǔ)償適用于補(bǔ)償個別大容量且連接運(yùn)行(如大中型異步電動機(jī))的無功消耗,以補(bǔ)勵磁無功為主。低壓個別補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是:用電設(shè)備運(yùn)行時,無功補(bǔ)償投入,用電設(shè)備停動時,補(bǔ)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(hù)簡單、事故率低等優(yōu)點(diǎn)。
2、低壓集中補(bǔ)償
低壓集中補(bǔ)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(bǔ)償投切裝置作為控制保護(hù)裝置,根據(jù)低壓母線上的無功負(fù)荷而直接控制電容器的投切,電容器的投切是整組進(jìn)行,做不到平滑的調(diào)節(jié)。低壓補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn):接線簡單、運(yùn)行維護(hù)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(jì)性,是目前無功補(bǔ)償中常用的手段之一。
3、高壓集中補(bǔ)償
高壓集中補(bǔ)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(bǔ)償方式。適用于用戶遠(yuǎn)離變電所在供電線路的末端,用戶本身又有一定的高壓負(fù)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(bǔ)償作用;補(bǔ)償裝置根據(jù)負(fù)荷的大小自動投切,補(bǔ)償效益高。
四、無功補(bǔ)償裝置的分類
從補(bǔ)償?shù)姆秶鷦澐挚梢苑譃樨?fù)荷補(bǔ)償與線路補(bǔ)償,從補(bǔ)償?shù)男再|(zhì)劃分可以分為感性與容性補(bǔ)償。下面將并聯(lián)容性補(bǔ)償?shù)姆椒ù笾铝信e:
1、同步調(diào)相機(jī)
調(diào)相機(jī)的基本原理與同步發(fā)電機(jī)沒有區(qū)別,它只輸出無功電流。因為不發(fā)電,因此不需要原動機(jī)拖動,沒有啟動電機(jī)的調(diào)相機(jī)沒有軸伸,實(shí)質(zhì)就是相當(dāng)于一臺在電網(wǎng)中空轉(zhuǎn)的同步發(fā)電機(jī)。
調(diào)相機(jī)是電網(wǎng)中使用的無功補(bǔ)償裝置,當(dāng)增加激磁電流時,其輸出的容性無功電流增大。當(dāng)減少激磁電流時,其輸出的容性無功電流減少。當(dāng)激磁電場減少到一定程度時,輸出無功電流為零,只有很小的有功電流用于彌補(bǔ)調(diào)相機(jī)的損耗,當(dāng)激磁電流進(jìn)一步減少時,輸出感性無功電流。
調(diào)相機(jī)容量大、對諧波不敏感,并且具有當(dāng)電網(wǎng)電壓下降時輸出無功電流自動增加的特點(diǎn),因此調(diào)相機(jī)對于電網(wǎng)的無功安全具有不可替代的作用。
由于調(diào)相機(jī)的價格高、效率低,運(yùn)行成本高,因此已經(jīng)逐漸被并聯(lián)電容器所替代。但是近年來出于對電網(wǎng)無功安全的重視,一些人主張重新啟用調(diào)相機(jī)。
2、并聯(lián)電容器
并聯(lián)電容器是目前主要的無功補(bǔ)償方法。其主要特點(diǎn)是價格低,效率高,運(yùn)行成本低,在保護(hù)完善的情況下可靠性也很高。
在高壓及中壓系統(tǒng)中主要使用固定連接的并聯(lián)電容器組,而在低壓配電系統(tǒng)中則主要使用自動控制電容器投切的自動無功補(bǔ)償裝置。自動無功補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)則多種多樣形形色色,適用于各種不同的負(fù)荷呢況。對于低壓自動無功補(bǔ)償裝置將另文詳細(xì)介紹。
并聯(lián)電容器的主要缺點(diǎn)是其對諧波的敏感性。當(dāng)電網(wǎng)中含有諧波時,電容器的電流會急劇增大,還會與電網(wǎng)中的感性元件諧振使諧波放大,另外,并聯(lián)電容器屬于恒阻抗元件,在電網(wǎng)電壓下降時其輸出的無功電出下降,因此不利于電網(wǎng)的無功安全。
3、SVC
SVC的全稱是靜止式無功補(bǔ)償裝置,靜止兩個字是同步調(diào)相機(jī)的旋轉(zhuǎn)相對應(yīng)的。
國際大電網(wǎng)會議將SVC定義為7個子類:
a、機(jī)械投切電容器(MSC)
b、機(jī)械投切電抗器(MSR)
c、自飽和電抗器(SR)
d、晶閘管控制電抗器(TCR)
e、晶閘管投切電容器(TCR)
f、晶閘管投(TSC)
g、自換向或電網(wǎng)換向轉(zhuǎn)換器(SCC/LCC)
根據(jù)以上這些子類,我們可以看出:除調(diào)相機(jī)之外,用電感或電容進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)难b置幾乎均被定義為SVC。因此,目前一些資料或者廣告中大量出現(xiàn)"SVC"字樣,其原因不外乎兩條:其一是作者自已并不明白SVC的定義,其二就是以普通人不懂的字母組合故弄玄虛。
目前國內(nèi)市場上被宣傳 SVC的產(chǎn)品主工是晶閘管控制電抗器(TCR)和晶閘管投切電容器(TSC)。對于TSC我們另文敘述,這里只簡要介紹一下晶閘管控制電抗器(TCR)。
TCR的基本結(jié)構(gòu)包括一組固定并聯(lián)連接在線路中的電容器和一組并聯(lián)連接在線路中用晶閘管控制的電抗器,通常將電抗器的容量設(shè)計成與電容器一樣。由于電抗器是用晶閘管控制的,其感性無功電流可以變化,當(dāng)晶閘管關(guān)斷時,電抗器沒有電流,而電容器固定連接,因此整套裝置的補(bǔ)償量大,當(dāng)調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角時,電抗器的感性電流就會抵消一部分電容器電流,因此補(bǔ)償量減少,導(dǎo)通角越大,電抗器的電流越大,補(bǔ)償量就越小,當(dāng)晶閘管全通時,電抗器電流就會將電容器電流全部抵消,此時補(bǔ)償量為0。須將固定電容器組設(shè)計成濾波器形式或者配備另外的濾波器。
綜上所述,可以看出TCR的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,損耗大,但其具有補(bǔ)償量連續(xù)可調(diào)的特點(diǎn),在高壓系統(tǒng)中還有應(yīng)用。
4、STATCOM
STATCOM是一種使用IGBT、GTO或者SIT等全控型高速電力電子器件作為開關(guān)控制電流的裝置中,其基本工作原理是:
通過對系統(tǒng)電參數(shù)的檢測,預(yù)測出一個與電源電壓同相位的幅度適當(dāng)?shù)恼译娏鞑ㄐ?。?dāng)系統(tǒng)瞬時電流大于預(yù)測電流的時候,STATCOM將大于預(yù)測電流的部分吸收進(jìn)來,儲存在內(nèi)部的儲能電容器中。當(dāng)系統(tǒng)瞬時電流小于預(yù)測電流的時候,STATCOM將儲存在電容器中的能量釋放出來,填補(bǔ)小于預(yù)測電流的部分,從而使得補(bǔ)償后的電流變成與電壓同相位的正弦波。
根據(jù)STATCOM的工作原理,理論上STATCOM可以實(shí)現(xiàn)真正的動態(tài)補(bǔ)償,不僅可以應(yīng)用在感性負(fù)荷場合,還可以應(yīng)用在容性負(fù)荷的場合。并且可以進(jìn)行諧波濾除,起到濾波器的作用。但切是實(shí)際的STATCOM由于技術(shù)的原因不可能達(dá)到理論要求,而且由于開關(guān)操作頻率不夠高等原因,還會向電網(wǎng)輸出諧波。 STATCOM的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,價格昂貴,可靠性差,損耗大,目前仍處于研究試用階段,沒有實(shí)際應(yīng)用價值。電抗器(TSR)償,從補(bǔ)償?shù)姆绞絼澐挚梢苑譃榇?lián)補(bǔ)償與并聯(lián)補(bǔ)償。
五、采用無功補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)
1、根據(jù)用電設(shè)備的功率因數(shù),可測算輸電線路的電能損失。通過現(xiàn)場技術(shù)改造,可使低于標(biāo)準(zhǔn)要求的功率因數(shù)達(dá)標(biāo),實(shí)現(xiàn)節(jié)電目的。
2、采用無功補(bǔ)償技術(shù),提高低壓電網(wǎng)和用電設(shè)備的功率因數(shù),是節(jié)電工作的一項重要措施。
3、無功補(bǔ)償,它就是借助于無功補(bǔ)償設(shè)備提花必要的無功功率,以提高系統(tǒng)的功率因數(shù),降低能耗,改善電網(wǎng)電壓質(zhì)量,穩(wěn)定設(shè)備運(yùn)行。
4、減少電力損失,一般工廠動力配線依據(jù)不同的線路及負(fù)載情況,其電力損耗約20%-30%左右,使用電容提高功率因數(shù)后,總電波降低,可降低供電流與用電端的電力損失。
5、改善供電品質(zhì),提高功率因數(shù),減少負(fù)載總電流及電壓降,于變壓器二次側(cè)加裝電容可改善功率因數(shù)提高二次側(cè)電壓。
6、延長設(shè)備壽命,改善功率因數(shù)后線路總電流減少,使接近中已經(jīng)飽和的變壓器、開關(guān)等機(jī)器設(shè)備和線路容量負(fù)荷降低,因此可以降低溫升增加壽命(溫度每降低10攝氏度,壽命可延長1倍)。
7、滿足電力系統(tǒng)對無功補(bǔ)償?shù)谋O(jiān)測要求,消除因為功率因數(shù)過低而產(chǎn)生的罰款。
8、無功補(bǔ)償可以改善電能質(zhì)量、降低電能損耗、挖掘發(fā)供電設(shè)備潛力、無功補(bǔ)償減少用戶電費(fèi)支出,是一項投資少、收效快的節(jié)能措施。
9、無功補(bǔ)償技術(shù)對和電單位的低壓配電網(wǎng)的影響以及提高功率因數(shù)所帶來的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益,確定無功功率的補(bǔ)償容量,確保補(bǔ)償技術(shù)經(jīng)濟(jì)、合理、安全可靠,達(dá)到節(jié)約電能的目的。
2月20日,在烏魯木齊市南山水西溝,新疆烏魯木齊供電公司配電帶電檢修人員創(chuàng)新采用“絕緣桿+絕緣平臺”作業(yè)法,成功消除了10千伏旅水二線設(shè)備故障,為線路安全運(yùn)行解除警報,確保了對沿線用戶的不間斷供電。
19日,烏魯木齊公司工作人員在對10千伏旅水二線巡視時發(fā)現(xiàn),52號支線53號桿由于桿頂支架角鐵撕裂,中相導(dǎo)線連帶絕緣子掉落,與邊線導(dǎo)線纏繞在一起。該 公司決定嘗試采用“絕緣桿+絕緣平臺”作業(yè)法來完成此次消缺任務(wù)。為確保作業(yè)安全可行,工作人員制定出專門的施工方案和嚴(yán)格的安全措施。20日,該公 司派出豐富經(jīng)驗的作業(yè)人員到達(dá)現(xiàn)場,經(jīng)過兩個多小時的工作,消除了線路隱患。
據(jù)了解,“絕緣桿+絕緣平臺”作業(yè)法是烏魯木齊公司新拓展的一種綜合不停電作業(yè)法,適用于山區(qū)、農(nóng)田、道路等不滿足絕緣斗臂車通行、作業(yè)空間不足和場地坡度 大條件下開展的帶電作業(yè)項目。該方法的推廣運(yùn)用,可以進(jìn)一步擴(kuò)大配網(wǎng)帶電作業(yè)覆蓋面、提升帶電作業(yè)普及率,在更大范圍內(nèi)減少用戶停電,提高供電可靠性。同 時擁有成本少、體積小,外出攜帶方便、安裝方法簡單,作業(yè)時無噪音、不耗油,不受作業(yè)現(xiàn)場周邊環(huán)境影響和地形條件的限制等特點(diǎn)。
“從電力裝備的安裝情況、投資規(guī)模來看,電力裝備分為兩部分,一部分是電源建設(shè)用設(shè)備,即發(fā)電設(shè)備,包括水、火、核、風(fēng)、光等發(fā)電設(shè)備,另一部分是電網(wǎng)建設(shè)用設(shè)備,包括輸電、配電、用電設(shè)備等。2015年,發(fā)電設(shè)備產(chǎn)量的絕對值在增加,但是增速在逐漸放緩。而輸配電設(shè)備的產(chǎn)量增速在上升?!?月17日,在“東芝中國論壇2017”工業(yè)電氣分論壇上,中國電器工業(yè)協(xié)會會長助理、智能電網(wǎng)設(shè)備委員會秘書長王琨表示。
近年來,在配網(wǎng)投資、農(nóng)網(wǎng)改造、城鎮(zhèn)化建設(shè)、配電變壓器改造等一系列政策利好下,輸配電設(shè)備需求量上升趨勢明顯,同時經(jīng)歷了高度發(fā)展的過程。這也要求輸配電企業(yè)要盡快轉(zhuǎn)型,以適應(yīng)市場需求。
電網(wǎng)設(shè)備需求量超過電源設(shè)備
日前,國家能源局公布了2016年全國電力工業(yè)數(shù)據(jù)。從電網(wǎng)投資來看,2016年1~12月,全國電網(wǎng)投資額達(dá)到5426億元,同比增長16.9%,占整個電力投資的60.8%。
“可以看出,電網(wǎng)建設(shè)速度已經(jīng)超過了電源建設(shè)速度。此外,據(jù)統(tǒng)計,110千伏以下的變電、配電設(shè)備的占有率已經(jīng)超過了58%,同比增長35.9%,電網(wǎng)建設(shè)增速是16.9%,通過對比不難看出,低壓配電產(chǎn)品增速與電網(wǎng)建設(shè)的增速成倍數(shù)的關(guān)系?!蓖蹒治稣f,這說明一方面我國電網(wǎng)建設(shè)投資強(qiáng)度已經(jīng)大于電源建設(shè),另一方面在電網(wǎng)建設(shè)投資強(qiáng)度上,低壓配電設(shè)備的份額超過了一半,增速也大于110千伏以上的輸電設(shè)備。
在王琨看來,出現(xiàn)電網(wǎng)建設(shè)投資強(qiáng)度大于電源建設(shè)的情況實(shí)屬正常。他給出了原因。首先,電力系統(tǒng)中,有發(fā)出來的電就要進(jìn)行輸出、配送,輸配電設(shè)備需求會隨著電源建設(shè)的增加而增加。其次,電網(wǎng)建設(shè)滯后于電源建設(shè)。滯后周期通常在2~4年之間?,F(xiàn)在我國電源建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入一個探底的過程,2015~2016年,我國輸變電設(shè)備經(jīng)歷了高速發(fā)展的過程,但是未來2~4年之后,電網(wǎng)建設(shè)的增速也會隨之放緩,根本原因就是社會用電量需求在下降。
但是以綠色、節(jié)能為特點(diǎn)的智能電網(wǎng)建設(shè)始終不變。因此,需要輸變電設(shè)備企業(yè)與時俱進(jìn),轉(zhuǎn)變觀念?!皬难b備的角度而言,裝備是電網(wǎng)技術(shù)和電網(wǎng)新結(jié)構(gòu)的承載體,沒有裝備的支撐,任何技術(shù)、政策、發(fā)展趨勢都是無源之水?!蓖蹒硎尽?br/>
因此,在推進(jìn)智能電網(wǎng)建設(shè)的過程中,我國出臺了一些輸變電設(shè)備相關(guān)的政策,如《關(guān)于配電網(wǎng)建設(shè)改造行動計劃(2015~2020年)》提出,“十三五”期間,我國配電網(wǎng)建設(shè)改造投資不低于1.7萬億元,并對配電變壓器升級改造提出了要求。又如《關(guān)于配電變壓器能效提升計劃(2015~2017年)》,其中提出到今年年底,配電變壓器在網(wǎng)運(yùn)行比例提高14%,累計推廣配電變壓器6億千伏安。其中,新建增量推廣不低于3.5億千伏安。
輸配電設(shè)備企業(yè)需以這些政策為導(dǎo)向,加快研發(fā)。王琨表示,未來電力裝備技術(shù)將有四個發(fā)展趨勢,一是經(jīng)濟(jì)發(fā)展新常態(tài)要求電力裝備制造向質(zhì)量效益型轉(zhuǎn)變。目前,配電、輸電設(shè)備行業(yè)產(chǎn)能過剩,隨著國家“三去一補(bǔ)一降”,去產(chǎn)能將會成為“十三五”的一個基調(diào);二是新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)革命要求電力裝備制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)變;三是制造大國向強(qiáng)國轉(zhuǎn)變要求電力裝備制造業(yè)實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動戰(zhàn)略;四是“一帶一路”的戰(zhàn)略總體布局要求電力裝備制造業(yè)要加快實(shí)施“走出去”。
智能制造成輸變電設(shè)備企業(yè)競爭優(yōu)勢
“近期世界上主要國家都推出了智能制造國家發(fā)展戰(zhàn)略,將發(fā)展智能制造作為戰(zhàn)略核心。從目前來看,以智能制造為代表的新一代產(chǎn)業(yè)革命將是釋放未來競爭力的關(guān)鍵,也是行業(yè)洗牌的關(guān)鍵?!蓖蹒赋隽酥悄苤圃斓闹匾?。
對于輸變電設(shè)備,智能制造從廣義上講,包括產(chǎn)品制造部分,指設(shè)計、加工、裝配、實(shí)驗、檢測、運(yùn)行等智能化,另一方面指的是設(shè)備本身的智能化功能,如智能變壓器、智能開關(guān)。
“對于輸變電設(shè)備而言,目前核心部件的設(shè)計、制造難度大。使用環(huán)境復(fù)雜,現(xiàn)場遠(yuǎn)程檢測運(yùn)維需求較為迫切。對于高壓、超高壓輸變電設(shè)備制造企業(yè),需要統(tǒng)一協(xié)調(diào)利用資源,實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一技術(shù)管理,協(xié)同制造過程?!蓖蹒硎?。
而對于配電設(shè)備,目前業(yè)內(nèi)提出以柔性制造為特征智能制造系統(tǒng)設(shè)計,實(shí)現(xiàn)定制化的制造。目前,配電設(shè)備企業(yè)利潤率很低,受材料成本波動、用工成本上升、市場終端產(chǎn)品售價降低等因素的影響,現(xiàn)有產(chǎn)品的經(jīng)營和制造模式不進(jìn)行改變,那么利潤率降低會越來越明顯,對行業(yè)會造成較大沖擊。需要輸配電企業(yè)盡快實(shí)現(xiàn)智能化產(chǎn)品設(shè)計,柔性管理低壓配電設(shè)備智能制造,其中包括產(chǎn)品生命周期管理、數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)布局仿真。
那么,如何實(shí)現(xiàn)柔性制造?王琨提出,要以數(shù)字化的設(shè)計為前提,建立柔性自動化生產(chǎn)線,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝、系統(tǒng)運(yùn)行,物流布局以及生產(chǎn)節(jié)拍的均衡,并配套數(shù)字化車間透明信息過程管理系統(tǒng)。
目前,國內(nèi)很多輸配電設(shè)備企業(yè)都在走智能制造的道路。如天水長城開關(guān)廠有限公司實(shí)施的“中壓空氣絕緣開關(guān)設(shè)備制造數(shù)字化車間”、中天科技智能制造車間,浙江樂清低壓電器智能裝備產(chǎn)業(yè)集群等。