船舶电力系统的无功补偿设计.doc

船舶电力系统的无功补偿设计 夏 进 陈家兴 周 洋 (江苏省镇江船厂(集团)公司 212005) 摘 要：船舶电力系统中的大多数用电设备都属于电感性负载，占用无功功率较大，自然功率因数普遍较低，同一设备在不同工况下运行，自然功率因数的差异也很大。改善功率因数能提高电源设备的利用率，降低电力系统损耗和温升，減少线路电压降，提高供电质量。目前，大多数船舶尚未进行无功补偿，但随着船舶电力系统容量的増大和电力推进的广泛应用，无功补偿的意义日显重要。在船电设计过程中，应当根据用电负载的状况，合理选择无功补偿方案和控制方式，注重改善船舶电网的功率因数，以提高船舶电力系统的稳定性，使其在运行中能符合节能降损的要求。在对船舶电力系统进行无功补偿时，宜将APF和其它补偿方式并联使用，同时考虑对谐波进行治理。 关键词：功率因数 节能降损 1. 船舶主要用电负载的功率因数 机舱辅机、甲板机械、风机与冷藏、空调等设备，几乎都是由异步电动机进行拖动。异步电动机必须从电网中吸取无功功率，在空载运行时，定子绕组电流中产生旋转磁场的无功分量所占比重很大，机、电损耗的有功分量所占比重很小。因此，功率因数很低，其自然功率因数常在0.20左右。当电动机输出的机械功率增加时，电流中有功分量的比重增大，功率因数也随着上升，在负载接近额定功率时，功率因数可达到最大值。此外，异步电动机的自然功率因数还因极数的増加而有所降低，与制造质量也有一定关系。由于在机电配套时，设计者往往会使电动机留有较多的储备功率，造成轻载工况较多，这是船用异步电动机在运行时自然功率因数低的主要原因。 变压器对发电机而言是负载，对用电设备来说是电源。船舶电力系统中的发电机，正逐步采用较高的电压等级（6.6-17.5kV））等于直流输出功率和变压器原边的视在功率之比。以三相桥式可控整流电路为例，由于负载的电感很大，整流电流成了纯直流，在整流变压器各侧线圈中，每时间内都有正电流与负电流-通过；经计算，每个周期（2）交流线圈的电流有效值为 ，若直流线圈的线电压为，则: 直流输出电压=；经计算得出整流变压器的视在功率因数，若控制角时整流器为额定输出电压，则整流变压器的视在功率因数，此时整流器输出电压与整流变压器视在功率因数之间的关系为: 。由此可知，当整流器的输出电压减小时，整流变压器的自然功率因数是很低的，当输出电压为额定输出电压的50％时，整流变压器的视在功率因数只有0.45。 在船用灯具中，镇流器式荧光灯与高汞灯仍旧是主要品种，其自然功率因数一般都在0.50以下，由于数量较多，对船舶电网的功率因数有一定的影响。 综上所述，船舶电力系统中的大多数用电设备都属于电感性负载，占用无功功率较大，自然功率因数普遍较低，同一设备在不同工况下运行，自然功率因数的差异也很大。 2. 改善功率因数的意义 在电动机、变压器等电感性负载与电源之间往返的无功功率，表面上虽然不象有功功率那样将电能转变为其它能量消耗掉，但无功功率的大小直接关系到功率因数的高低，功率因数的含义可用功率三角形表示，如图1所示。 图1. 功率因数的含义 在图1中，视在功率等于有功功率与无功功率的矢量和，即:，有功功率在视在功率中的比值称为功率因数，即: 。随着相位差角从0—90o变化，相应的功率因数是在1－0之间变化，这个变化对船电系统的运行质量有很大关系。目前，大多数船舶尚未进行无功补偿，但随着船舶电力系统容量的増大和电力推进的广泛应用，无功补偿的意义日显重要。我厂最近在建造的10000KW海工船上，为提高系统稳定性和改善电能质量，釆用了无功补偿装置。提高功率因数具有下述意义： （1）提高电源设备的利用率 用电负载对电网的无功功率需求，对电网是一个相当重的负担，它妨碍了有功功率的输出。减少无功功率后，视在功率相应减少，使电源设备可以承载更多的用电负载，从而提高了电源设备的利用率。例如，三相交流发电机或电力变圧器的额定视在功率，当其在额定电压为与额定电流为的状态下运行时，如果负载的，能承载的有功功率，如果将功率因数提高到0.9，则电源设备能承载的有功功率，使承载能力提高了1.5倍，同时也提高了线路传输容量。 （2）减少线路电压降 导电线都具有电阻和电抗,当供电线路上有电流时，必定产生电压降。若线路上的电流为，则线路末端的电压降。异步电动机的输出功率与端电压的平方成正比，当电压下降10％时，异步电动机的转矩只有额定转矩的81％，转差率增大，定子、转子电流都急剧上升，使电动机功率因数降低，尤其是大功率异步电动机，在启动时因为功率因数较低，启动电流很大，电压跌落严重，往往形成恶性循环，有时会造成启动失败或电网瓦解。当功率因数改善后，电压降随电流的减小也相应减少，从而减小了电压降，维持了负载端电压，改善了供电质量，提高了船舶电网的稳定性。经测算，