工厂供电无功补偿系统及其谐振特性分析虚拟仿真实验实验指导书泰州学院船舶与机电工程学院
工厂供电无功补偿系统及其谐振特性分析 虚拟仿真实验 实 验 指 导 书 泰州学院船舶与机电工程学院
目录实验一系统负荷分析与无功补偿实验11实验二无功补偿电容器合闸高频涌流分析与抑制实验实验三电容器无功补偿系统谐振特性分析与抑制实验..19
目 录 实验一 系统负荷分析与无功补偿实验.1 实验二 无功补偿电容器合闸高频涌流分析与抑制实验.11 实验三 电容器无功补偿系统谐振特性分析与抑制实验.19
实验一系统负荷分析与无功补偿实验一、实验目的1.掌握供配电系统的负荷、功率因数、损耗等相关计算方法。2.掌握无功补偿系统的关键设备、导体、并联电容器、一次系统电路等综合设计方法。3.理解无功补偿对于工厂供配电系统节能降耗的原理和意义。4.熟悉供配电系统的规范化操作流程。二、实验原理某机加工车间的变电所，10kV高压进线为2kmYJV223×25电缆，低压侧负荷拥有金属切削机床功率共920kW，通风机功率共56kW，吊车功率共76kW（额定负荷持续率8N=40%），电焊机功率共81kW（额定负荷持续率8N=60%），照明负荷功率共38.16kW（荧光灯，电子镇流器），低压线路额定电压380V（不计低压线路的功率损耗）。要求在配电变压器低压侧通过恰当的无功补偿系统配置，确保变压器高压侧功率因数不低于0.9。STQFWLAL=2km1.1 1.2] 1.3] 1.4 1.5]Ro=0.92/km10/0.4kVX=0.12 2/km车间电力负荷QR并联电容器二主图1-1工厂车间供电系统示意图1.车间各用电设备组的负荷计算方法（需要系数法）Pe1.i = KaPe1.izQci.i=Pc1.itanqSe1i = JPai + QziiSc1.iIei=3Un1Pe1.iz为该用电设备组设备容量之和（kW)；tanp为该用电设备组的功率因数角的正切值；kd为该用电设备组的需要系数。2.无功补偿前车间的计算负荷和功率因数分析方法（1）变压器低压侧的计算负荷1
1 实验一 系统负荷分析与无功补偿实验 一、实验目的 1.掌握供配电系统的负荷、功率因数、损耗等相关计算方法。 2.掌握无功补偿系统的关键设备、导体、并联电容器、一次系统电路等综合设计方法。 3.理解无功补偿对于工厂供配电系统节能降耗的原理和意义。 4.熟悉供配电系统的规范化操作流程。 二、实验原理 某机加工车间的变电所，10kV 高压进线为 2km YJV22 3×25 电缆，低压侧负荷拥有 金属切削机床功率共 920kW，通风机功率共 56kW，吊车功率共 76kW（额定负荷持续 率 εN=40%），电焊机功率共 81kW（额定负荷持续率 εN=60%），照明负荷功率共 38.16kW （荧光灯，电子镇流器），低压线路额定电压 380V(不计低压线路的功率损耗)。要求在 配电变压器低压侧通过恰当的无功补偿系统配置，确保变压器高压侧功率因数不低于0.9。 图 1-1 工厂车间供电系统示意图 1.车间各用电设备组的负荷计算方法（需要系数法） 𝑃𝑃𝑐𝑐1.𝑖𝑖 = 𝐾𝐾𝑑𝑑𝑃𝑃𝑒𝑒1.𝑖𝑖Σ 𝑄𝑄𝑐𝑐1.𝑖𝑖 = 𝑃𝑃𝑐𝑐1.𝑖𝑖𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑆𝑆𝑐𝑐1.𝑖𝑖 = �𝑃𝑃𝑐𝑐1.𝑖𝑖 2 + 𝑄𝑄𝑐𝑐1.𝑖𝑖 2 𝐼𝐼𝑐𝑐1.𝑖𝑖 = 𝑆𝑆𝑐𝑐1.𝑖𝑖 √3𝑈𝑈𝑁𝑁1 𝑃𝑃𝑒𝑒1.𝑖𝑖Σ为该用电设备组设备容量之和（kW）；tanφ 为该用电设备组的功率因数角的正 切值；kd 为该用电设备组的需要系数。 2. 无功补偿前车间的计算负荷和功率因数分析方法 （1）变压器低压侧的计算负荷
5Pa = Ksp Pal台Qc2 = KzqZf=1 Qc1.iSc2=/P2 + Q2Se2Ic2=T3UN2Pe2cOSP2=Sc2无功补偿前，变压器低压侧的向量关系如图2所示。P0p2X02IRLQ图1-2无功补偿前的向量关系（2）变压器的功率损耗APr=0.015Sc2AQr = 0.06Sc2（3）变压器高压侧的计算负荷Pc3 = Pc2 + △PTQc3=Qc2+△QrSc3 = /P3 + Q23Se3Ic3T3UN3Pe3COS3=Sc3装设单台变压器时，其额定容量S应能满足全部用电设备的计算负荷，考虑负荷发展应留有一定的容量裕度，并考虑变压器的经济运行，即Sn ≥ (1.15~1.4)Sc3（4）高压线路的功率损耗2
2 𝑃𝑃𝑐𝑐2 = 𝐾𝐾Σp�𝑃𝑃𝑐𝑐1.𝑖𝑖 5 𝑖𝑖=1 𝑄𝑄𝑐𝑐2 = 𝐾𝐾Σq ∑ 𝑄𝑄𝑐𝑐1.𝑖𝑖 5 𝑖𝑖=1 𝑆𝑆𝑐𝑐2 = �𝑃𝑃𝑐𝑐2 2 + 𝑄𝑄𝑐𝑐2 2 𝐼𝐼𝑐𝑐2 = 𝑆𝑆𝑐𝑐2 √3𝑈𝑈𝑁𝑁2 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝜑𝜑2 = 𝑃𝑃𝑐𝑐2 𝑆𝑆𝑐𝑐2 无功补偿前，变压器低压侧的向量关系如图 2 所示。 图 1-2 无功补偿前的向量关系 （2）变压器的功率损耗 ∆𝑃𝑃𝑇𝑇 = 0.015𝑆𝑆𝑐𝑐2 ∆𝑄𝑄𝑇𝑇 = 0.06𝑆𝑆𝑐𝑐2 （3）变压器高压侧的计算负荷 𝑃𝑃𝑐𝑐3 = 𝑃𝑃𝑐𝑐2 + ∆𝑃𝑃𝑇𝑇 𝑄𝑄𝑐𝑐3 = 𝑄𝑄𝑐𝑐2 + ∆𝑄𝑄𝑇𝑇 𝑆𝑆𝑐𝑐3 = �𝑃𝑃𝑐𝑐3 2 + 𝑄𝑄𝑐𝑐3 2 𝐼𝐼𝑐𝑐3 = 𝑆𝑆𝑐𝑐3 √3𝑈𝑈𝑁𝑁3 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝜑𝜑3 = 𝑃𝑃𝑐𝑐3 𝑆𝑆𝑐𝑐3 装设单台变压器时，其额定容量 SN应能满足全部用电设备的计算负荷，考虑负荷发 展应留有一定的容量裕度，并考虑变压器的经济运行，即 𝑆𝑆𝑁𝑁 ≥ (1.15~1.4)𝑆𝑆𝑐𝑐3 （4）高压线路的功率损耗 U IRL · · P Q S
△PWL=3123RWL×10-3=312RoL×10-34QwL=3123XwL×10-3=312gXL×10-3其中，R.为线路单位长度电阻，X.为线路单位长度电抗。（5）高压进线侧的计算负荷Pc4= Pc3+△PwLQc4=Qc3+△QWLSc4=/P2+Q24Sc4Ic4=3UN4Pc4COS 04= Sc43.无功补偿电容器配置原则车间中由于有大量的感应电动机、电焊机及气体放电灯等感性负荷，从而使功率因数降低。如在充分发挥设备潜力、改善设备运行性能，提高其自然功率因数的情况下，尚达不到规定的功率因数要求时，根据GB50052-2009《供配电系统设计规范》和GB3485-1998《评价企业合理用电技术导则》等规定，在采用上述提高自然功率因数的措施后仍达不到规定的功率因数要求时，应合理装设无功补偿设备，以人工补偿方式来提高功率因数。本实验无功补偿采用并联电力电容器在低压侧集中补偿的方式，考虑到变压器的无功损耗远大于有功损耗，初步设定低压侧补偿后的功率因数为0.92来计算需补偿的容量。（1）确定补偿容量Qc.c=Pc2(tan2-tanp2)（2）补偿电容器选型根据可选并联电容器参数，计及工作电压与额定电压的差异，确定单台电容器实际输出容量0.23(Uav.c)= 30 ×Q = QN.c(UN.C)0.25其中，Un.c为电容器额定电压，Qn.c为电容器额定输出容量，Uav.c为并联电容器的平均运行电压，取系统标称相电压0.22kV的1.05倍。需要电容器的数量为Qc.cn=Qc3
3 ∆𝑃𝑃𝑊𝑊𝑊𝑊 = 3𝐼𝐼𝑐𝑐3 2 𝑅𝑅𝑊𝑊𝑊𝑊 × 10−3 = 3𝐼𝐼𝑐𝑐3 2 𝑅𝑅0𝐿𝐿 × 10−3 ∆𝑄𝑄𝑊𝑊𝑊𝑊 = 3𝐼𝐼𝑐𝑐3 2 𝑋𝑋𝑊𝑊𝑊𝑊 × 10−3 = 3𝐼𝐼𝑐𝑐3 2 𝑋𝑋0𝐿𝐿 × 10−3 其中，𝑅𝑅0为线路单位长度电阻，𝑋𝑋0为线路单位长度电抗。 （5）高压进线侧的计算负荷 𝑃𝑃𝑐𝑐4 = 𝑃𝑃𝑐𝑐3 + ∆𝑃𝑃𝑊𝑊𝑊𝑊 𝑄𝑄𝑐𝑐4 = 𝑄𝑄𝑐𝑐3 + ∆𝑄𝑄𝑊𝑊𝑊𝑊 𝑆𝑆𝑐𝑐4 = �𝑃𝑃𝑐𝑐4 2 + 𝑄𝑄𝑐𝑐4 2 𝐼𝐼𝑐𝑐4 = 𝑆𝑆𝑐𝑐4 √3𝑈𝑈𝑁𝑁4 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝜑𝜑4 = 𝑃𝑃𝑐𝑐4 𝑆𝑆𝑐𝑐4 3. 无功补偿电容器配置原则 车间中由于有大量的感应电动机、电焊机及气体放电灯等感性负荷，从而使功率因 数降低。如在充分发挥设备潜力、改善设备运行性能，提高其自然功率因数的情况下， 尚达不到规定的功率因数要求时，根据 GB50052-2009《供配电系统设计规范》和 GB3485- 1998《评价企业合理用电技术导则》等规定，在采用上述提高自然功率因数的措施后仍 达不到规定的功率因数要求时，应合理装设无功补偿设备，以人工补偿方式来提高功率 因数。本实验无功补偿采用并联电力电容器在低压侧集中补偿的方式，考虑到变压器的 无功损耗远大于有功损耗，初步设定低压侧补偿后的功率因数为 0.92 来计算需补偿的 容量。 （1）确定补偿容量 𝑄𝑄𝑐𝑐.𝑐𝑐 = 𝑃𝑃𝑐𝑐2(𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝜑𝜑2 − tanφ2 ′ ) （2）补偿电容器选型 根据可选并联电容器参数，计及工作电压与额定电压的差异，确定单台电容器实际 输出容量 𝑄𝑄𝑐𝑐 = 𝑄𝑄𝑁𝑁.𝐶𝐶 � 𝑈𝑈𝑎𝑎𝑎𝑎.𝐶𝐶 𝑈𝑈𝑁𝑁.𝐶𝐶 � 2 = 30 × � 0.23 0.25� 2 其中，𝑈𝑈𝑁𝑁.𝐶𝐶为电容器额定电压，𝑄𝑄𝑁𝑁.𝐶𝐶为电容器额定输出容量，𝑈𝑈𝑎𝑎𝑎𝑎.𝐶𝐶为并联电容器的 平均运行电压，取系统标称相电压 0.22kV 的 1.05 倍。 需要电容器的数量为 𝑛𝑛 = 𝑄𝑄𝑐𝑐.𝑐𝑐 𝑄𝑄𝑐𝑐