電氣自動化中的無功補償技術(shù)的應(yīng)用意義

張健

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電氣自動化逐漸向著智能化以及多功能化的方向發(fā)展，自動化技術(shù)在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用也是越來越廣泛，無功功率問題也隨著電氣自動化系統(tǒng)的普及應(yīng)運而生。無功補償技術(shù)通過多種途徑實現(xiàn)對無功功率的補償，有效地降低供電設(shè)備的線路損耗，并解決電氣自動化系統(tǒng)非線性問題，提高了我國供電系統(tǒng)的水平，推動電氣自動化的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：電氣自動化 無功補償 功率因數(shù) 應(yīng)用意義

中圖分類號：TP183 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）03（a）-0043-02

1 無功補償技術(shù)在電氣自動化應(yīng)用中的實踐原理與有效途徑

隨著電氣自動化技術(shù)的應(yīng)用范圍逐漸擴展，其在單相電力牽引系統(tǒng)中的應(yīng)用受到人們的高度重視，但是由于負荷較大，變化復(fù)雜以及非線性因素的影響，導(dǎo)致無功功率提升，使得電力系統(tǒng)中注入的諧波也隨之增加，對電氣自動化運行的安全性造成了一定的影響，同時也使得電氣資源的利用效率逐漸降低。通過引入無功補償技術(shù)可有效解決這些問題，保證系統(tǒng)高效率且安全穩(wěn)定運行。

1.1 實踐原理

在電氣自動化系統(tǒng)中，電網(wǎng)輸出無功功率不會消耗大量的電能，而是將電能轉(zhuǎn)換為另一種形式的能源，這種能源是電氣設(shè)備保持運行所必備的一種能源，同時在電網(wǎng)運行中，其他能源和電能進行周期性轉(zhuǎn)換也需要這種新型形式的能源作為功率支撐。

在電力系統(tǒng)運行過程中，大部分負載為異步電動機，包括這種異步電動機在內(nèi)的很多電氣設(shè)備中的等效電路能夠看作是電阻與電感之間的串聯(lián)電路，其功率因數(shù)為false。

將電阻R和電感L進行并聯(lián)，然后再接入電容，所得到的電路如圖1中（a）所示。該電路當(dāng)中的電流方程為false。具體的電路連接表示如圖1中（b）所示。電容在發(fā)生并聯(lián)之后，電壓U和電流I的相位差就會縮小，從而使得供電回路的功率因數(shù)有所提升。在這種情況下，供電電流I的相位往往會滯后于電壓U，人們將這種情況稱為欠補償。

如果電容C存在較大的容量，導(dǎo)致供電電流I的相位超前于電壓C，這種情況就稱為過補償，過補償?shù)南蛄繄D如圖1中（c）所示。通常在電力系統(tǒng)運行的過程中不希望出現(xiàn)這種現(xiàn)象，主要在于過補償現(xiàn)象的出現(xiàn)會導(dǎo)致變壓器二次電壓升高，通過容性無功功率在電力線上的傳輸，會導(dǎo)致電能的損耗增加，若供電線路的電壓因此升高，還會讓電容器本身的功率損耗增加，最終對電容器的壽命造成影響。

1.2 有效途徑

無功補償技術(shù)在電氣自動化中的實踐途徑有以下幾種：

一是真空斷路器投切電容器。這種電容器不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且成本較低，是一種無功補償?shù)难b置。真空斷路器具有上萬次的機械動作壽命，在運行過程中真空滅弧室觸頭無需維護，其內(nèi)部小開距能耐受高電壓。在真空斷路器投切電路器時常會出現(xiàn)合閘涌流、重燃和非自持破壞性放電三類問題會損壞設(shè)備，對投切效果造成影響，由于電容器的開關(guān)壽命有限，在具體的應(yīng)用中如果投切頻繁，會影響動態(tài)補償效果。

二是由固定濾波器和可控飽和電抗器組成的無功補償裝置，能夠長久投入固定濾波器，可通過調(diào)節(jié)磁飽和程度使回路中感性電流發(fā)生變化以實現(xiàn)其與并聯(lián)濾波器中多余的容性無功功率的平衡，其缺點是會產(chǎn)生諧波、損耗和較大噪聲。

三是由固定濾波器和晶閘管調(diào)節(jié)電抗器組成的高速無功補償裝置，是目前所有無功補償技術(shù)中的最佳組合，通過串聯(lián)反并聯(lián)晶閘管與電抗器，使其與并聯(lián)濾波器中剩余的容性無功補償電流達到平衡，以滿足功率因數(shù)要求，雖然這類裝置投入了固定濾波器，不需要較多數(shù)量的晶閘管但也會產(chǎn)生諧波。

四是調(diào)節(jié)速度較快且較為靈活的有源濾波器，這種濾波器使用的裝置主要是電子電力裝置，裝置之間能夠產(chǎn)生互相抵消的相位，還能夠產(chǎn)生與負荷中諧波電流和負序電流相反的電流，可以滿足電源對于電流的要求，同時能夠滿足電源對于總諧波的要求，但是這種裝置與系統(tǒng)不會產(chǎn)生諧振，且價格昂貴。

五是由固定濾波器、電容器、電抗器構(gòu)成的無功補償裝置，可實現(xiàn)調(diào)壓、調(diào)容、濾波三位一體補償，主要根據(jù)Q=2πfCU2改變電容器端電壓來調(diào)節(jié)無功輸出。

除此之外，還有由有源濾波器和無源濾波器組成的尚處于研究階段的無功補償裝置，充分利用了無源補償?shù)拇笕萘?、有源補償?shù)目煽匦砸约办`活性，通過有源濾波器產(chǎn)生相位與負荷中諧波電流相反的諧波電流互相抵消，以滿足電源總諧波電流要求。

2 無功補償技術(shù)在電氣自動化中的應(yīng)用優(yōu)勢以及應(yīng)用意義分析

2.1 無功補償技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢分析

隨著現(xiàn)階段無功補償技術(shù)的發(fā)展和進步，其在電氣自動化中的應(yīng)用優(yōu)勢也越來突出，主要表現(xiàn)為其具有較高的可靠性、較快的反應(yīng)速度、較好的擴容性和經(jīng)濟性。

最新的無功補償技術(shù)多采用全模塊設(shè)計，可控電流源，不會產(chǎn)生過電流、不會產(chǎn)生諧波電壓放大，滿足IGBT功率模塊N-1運行方式，一個模塊出現(xiàn)故障的情況下，不會影響到整體運行，具有較高的可靠性。此外，還可以通過控制柜對電壓的運行進行控制，能夠?qū)崿F(xiàn)電力的調(diào)節(jié)，從小容量到大容量的過渡只需要較短的時間，能夠真正的實現(xiàn)柔性補償?shù)男Ч?投運后安裝、調(diào)試工作量小，免維護且無須專人職守。

較常用的低電壓無功補償技術(shù)采用低電壓可控硅控制，正常運行時無需承受高電壓、大電流、采用自然冷卻即可，投運后可實現(xiàn)免維護，由于其輸出電流小、開關(guān)頻率低，因此運行損耗低。而動態(tài)無功補償，產(chǎn)生較高的經(jīng)濟效益和補償效果。可控電流源，不會產(chǎn)生過電流和諧波電壓放大。

新型無功補償裝置通常采用綜合保護策略，可以提高裝置的可靠性。保護策略主要包括三級，分別是器件級保護、系統(tǒng)級保護以及裝置級保護三種，其中，器件級保護的動作時限在器件出現(xiàn)過流或者是過壓的情況時就會及時實施保護，而裝置級保護在裝置出現(xiàn)過載或者是電流電壓較高時，就會實施保護，系統(tǒng)級保護裝置可以避免系統(tǒng)出現(xiàn)失壓高壓或者是冷卻現(xiàn)象，在出現(xiàn)這些現(xiàn)狀時能夠?qū)嵤┍Ｗo。無功補償裝置除了實現(xiàn)分級保護外，控制單元還能夠為保護單元提供后續(xù)力量，監(jiān)控單元還能夠為后備單元提供儲備力量。這樣一來，一定程度上可以提升綜合保護的能力，增強綜合保護的穩(wěn)定性。新型無功補償裝置響應(yīng)速度快，可以實時跟蹤沖擊型負荷的波動，進行快速跟蹤補償，所有的負荷無功都由裝置提供，系統(tǒng)提供的無功為跟蹤系統(tǒng)無功變化，較快的響應(yīng)速度完全達到快速補償波動負荷的目的。

裝置本體（含啟動柜、功率柜、控制柜）戶內(nèi)安裝，通過模塊化設(shè)計，增加功率柜即可實現(xiàn)擴容，可根據(jù)實際工況的不通，配置相同的功率柜，在投運的后，也可根據(jù)實際的系統(tǒng)無功變化，擴充補償無功容量。

2.2 應(yīng)用意義

2.2.1 實際作用

無功補償技術(shù)在電氣自動化系統(tǒng)中的作用尤為突出，主要表現(xiàn)為可以提升供電系統(tǒng)以及負載的功率，能夠降低設(shè)備的容量，減少設(shè)備損耗的功率，使得電網(wǎng)的電壓更加穩(wěn)定，對于供電質(zhì)量的提升也有很大的幫助。特別是在輸電線路較長的情況下，在合適的地點設(shè)置無功補償裝置，可以增強輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增強輸電能力。在電氣化鐵道以及其三相負載不平衡時，采用無功補償?shù)姆绞侥軌蚱胶馊嗟臒o功負載。

2.2.2 物理意義

3505200-60960電氣自動化中應(yīng)用無功補償技術(shù)的物理作用是能夠描述能量交換幅度，不會消耗較大的功率。圖2為單相阻感負載圖，電阻主要消耗的是有功功率，電感能夠?qū)⑵湮盏哪芰績Υ嫫饋?，然后在電源能源不充足的情況下向電源釋放能量，減少了能量的消耗。一般情況下，無功功率的大小則表示的是負載電感與電源之間實現(xiàn)能量交換的幅度。電源向負載提供這種功率是阻感負載內(nèi)在的需要，同時也對電源的輸出帶來影響。

圖3是帶有阻感負載的三相電路，為了和圖2對照，假設(shè)u、R、L的參數(shù)均和圖2相同，且為對稱三相電路。無功功率的大小表示電源和負載電感之間能量交換的幅度，無功能量在電源和負載之間來回流動，說明各相的無功功率分量（uir）的瞬時值之和在任一時刻都為零。也可認為無功能量是通過阻感負載在三相之間流動的。

2.2.3 經(jīng)濟效益

通過無功補償技術(shù)的應(yīng)用，一方面可以提升電氣自動化系統(tǒng)的水平，增強系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性；另一方面還可以增強整個供電系統(tǒng)的質(zhì)量，提高系統(tǒng)工作的效率，對于電能消耗的降低具有很大的作用，降低內(nèi)部配置和線路的損耗和設(shè)備損壞，確保電氣自動化中電器設(shè)備的安全運行。無功補償技術(shù)在電氣自動化中應(yīng)用不僅可以確保能夠持續(xù)穩(wěn)定供電，同時也能降低用戶的費用。

參考文獻

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