無功電容補償及諧波抑制技術探討

袁鋒

（中鐵四局集團電氣化工程有限公司 安徽蚌埠 233030）

無功電容補償及諧波抑制技術探討

袁鋒

（中鐵四局集團電氣化工程有限公司 安徽蚌埠 233030）

無功補償技術是電力系統節能降耗管理中經常使用的技術，對于抵御外界干擾、提高電能質量、提升電力系統的運行效率具有重要意義。由于我國在這方面的研究起步較晚，因此該項技術在應用過程中還存在很多問題，如何更好的實現無功電容補償，有效抑制諧波，是電力系統技術研究者必須要思考的問題。本文主要研究了無功補償的原理、方法以及自動控制裝置，分析了諧波的危害以及諧波抑制技術。

無功功率；補償；諧波抑制；技術

前言

隨著社會經濟的發展，各個領域對電能的需求越來越大，對供電質量的要求也越來越高，而能源危機也日漸加劇。為了緩解這種矛盾，政府在可持續發展戰略的基礎上提出了轉變經濟發展模式，鼓勵各個領域進行技術創新，實現節能降耗。為響應國家號召，在滿足社會用電需求的前提下盡量做到能源節約，有必要對無功補償技術進行深入研究。實踐證明該項技術可以提高電能質量，達到節能降耗的目的。

1 無功電容補償研究

1.1 無功補償原理簡述

無功補償技術的理論依據是無功功率，無功功率是一個抽象概念，一般在電路電場中發揮交換作用，將電能轉換為其他形式的能量。例如，如果一個電器設備中存在電磁線圈，就會在周圍形成磁場，該磁場會消耗掉一部分無功功率。在一個并聯電路中，一條線路安裝容性功率負荷，另一條線路安裝感性功率負荷，這兩種負荷就會實現能量交換，其中一條線路運轉所需要的功率就可以通過另一條線路來補償，這就是無功補償技術的原理。值得注意的是，電容雖然具備抵抗諧波能力，但是這種能力是有限的，如果諧波過大，電容容抗就會受到影響，系統電流很有可能會長時間偏大，縮短電容使用壽命。因此在補償無功的過程中，如果檢測到周圍存在較大諧波，就要想辦法對諧波進行抑制[1]。

1.2 無功電容補償的方法研究

目前經常采用的無功補償方法有三種：

（1）低壓個別補償，電容器與用電設備之間并接，斷路器同時為二者服務。如果設備的容量較大，且需要長時間連續運行，比較典型的就是大型異步電動機，就適合選擇這種補償方式。低壓個別補償的優勢有很多：①補償過程與設備的運行同步，一旦設備停運，補償也馬上停止，因此不必擔心無功倒送問題；②安裝、管理和維護都比較簡便，不需要很大的投資，故障率也不高。

（2）低壓集中補償，就是將低壓電容器與變壓器低壓母線直接相連，當無功負荷發生變化時，電容器就會進行自動投切發揮作用。低壓集中補償是目前應用最為廣泛的無功補償方式，一方面因為接線方式非常簡單，維護方便；另一方面是因為其可以有效降低損耗，提升配變利用率。這種補償方式最大的特點就是投切過程是整組進行的，因此沒有辦法進行平滑的調節。

（3）高壓集中補償，就是將高壓電容器與高壓母線直接相連，高壓母線上的電壓在6～10kV之間。如果用戶與變配電所之間的距離較遠，同時用戶的電壓負荷較高時，就可以選擇這種方式。當負荷大小發生變化時，引起高壓母線電壓波動超出正常范圍，電容補償裝置就會根據保護設置自動投切，提高功率因數，保證供電質量，取得良好的補償效益[2]。

1.3 無功補償自動控制裝置研究

無功補償自動控制裝置的組成比較復雜，包括單機片、時鐘芯片以及顯示器等，每一種硬件裝置都有自身的作用。在對無功補償進行控制的過程中，有一個非常關鍵的步驟就是對電路的相位差進行檢測，得出功率因數，因為提高功率因數是進行無功補償的重要目標。對功率因數進行測量時有兩種方法：①對同一相的電流和電壓進行測量，得到電位差；②其中一相測量線電壓，另一相則測量線電流，得到電位差。無論采用哪種方法，都使用如圖1所示的電路。電流互感器所輸出的電流表現出正弦交流的特征，大小在0～5mA之間，電流流經電阻后，輸出電壓，其中電阻大小為1kΩ，電壓大小為0～5V之間，最終，電壓和電流會同時流到比較器中，最終以對稱方波的形式輸出，周期為20ms。

圖1 相位差檢測電路圖

2 諧波抑制技術研究

2.1 諧波的危害

諧波產生的根本原因就是非線性負載，當電流流經負載時，如果其與電壓沒有表現出線性關系，就會產生非正弦電流，諧波就是在這種情況下產生的。諧波有很大的危害性，具體體現在以下幾方面：

（1）諧波會導致線路產生額外損耗。出于臨近效應和集膚效應，供電線路中的感性電阻會發生變化，頻率越高，電阻就越大，產生不必要的電能浪費。如果線路中不存在諧波，中性線中流過的電流非常小，這是中性線比一般導線更細的原因，但是一旦線路中出現較大的諧波，就會流入到中性線中，出現過熱問題，縮短中性線的使用壽命，嚴重者中性線會被直接損壞。

（2）系統中出現諧波時，很多電器設備的運行都會受到影響，例如，發電機中的旋轉電機會在諧波的影響下產生附加功率：①產生過熱現象，影響使用壽命；②產生噪聲，對工作環境造成影響。

（3）電容器有可能會在諧波的作用下產生諧振，正常情況下，電力系統中的感抗（XL＝2πfL）要明顯大于電容器的容抗（Xc＝1/2πfC），因此不會出現諧振問題。出現諧波以后，系統中的容抗抗值會在短時間內成倍增加，電容器感抗則會在短時間內成倍降低，諧振問題由此產生。在諧振的作用下，諧波電流會被放大，電容器很有可能被損壞。

（4）諧波有可能對會導致繼電保護裝置對系統運行狀態的判斷產生干擾，產生誤動作，影響電力系統的正常運行。另外，其還會對附近區域的通信網絡產生干擾，降低通信質量，影響附近住戶的正常生活[3]。

2.2 諧波的檢測及抑制

2.2.1 基本原理

諧波檢測的主要目的就是看電力系統中哪些位置容易出現諧波，有什么樣的變化規律，并將這些信息作為依據制定諧波抑制方案，一方面是對電容器進行保護，另一方面是對供電質量進行控制，防止無功補償過程中由于過電壓導致電容投切不合理，影響補償效果。例如，如果系統中的諧波電流不大，可以發揮濾波器的作用，將這些諧波電流直接消除。如果諧波電流較大，已經超過了規定值，需要將電容器暫時切除，等到諧波電流降低至允許值以下時再將電容器投入。電力系統中，需要并聯一個高頻濾波電容器，其主要發揮兩個作用：①進行無功補償，降低損耗；②直接對諧波進行抑制。

2.2.2 高壓交流濾波技術

高壓濾波單元的接線方式如圖2所示，諧波抑制原理如下：系統送電過程中，如果產生過電壓，R1和C1就會將其吸收。系統正常運行時，工頻過電壓峰值為50Hz，工頻電流流過前兩個電感線圈，向C-3W1充電時，表現出低阻抗的特征，這樣電抗器兩端壓降就會明顯降低，避免不必要的浪費，實現節能目標。此時線路中如果出現諧波，電感線圈之間就會表現出高阻抗的特征，電容器中的電流就會被抑制，無法按照計劃增加。如果諧波過大，導致諧波電壓超過了正常值，真空接觸器的觸頭就會被斷開，電容器暫時被隔離，不參與運行。而電阻和電抗器之間是并聯關系，二者并聯后再和電容串聯，然后繼續運行。這樣不僅可以有效抑制濾波，同時可以達到理想的無功補償效果。

圖2 高壓濾波單元示意圖

3 總結

隨著能源危機的加劇和社會用電需求的增加，無功補償技術的推廣應用已經成為一種必然。而當前電力系統中應用到很多電力電子元件，導致系統中產生諧波，影響電力設備以及電力系統的正常運行。本文主要針對以上問題開展研究，提出了無功電容補償方法以及諧波檢測和抑制技術。

[1]彭勁杰，樊曉平.新型連續無功補償裝置的設計與仿真[J].電力系統及其自動化學報，2013，10（15）01：86～90+101.

[2]王明全.帶諧波抑制的無功補償理論分析及設計應用[J].建筑電氣，2013，14（16）04：20～26.

[3]何軍.電力電子技術與諧波抑制、無功功率補償技術研究綜述[J].電子技術與軟件工程，2016，5（8）01：243.

TM714.3

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1004-7344（2016）06-0090-02

2016-2-10