電氣工程及其自動化無功補償技術的應用研究

摘要：為了減輕無功功率帶來的線損增加、電能質量變差等問題，需要在電氣工程及其自動化中應用無功補償技術。首先，介紹了無功補償的實現方式和應用價值。其次，分析了該技術在電氣線路、變電站以及回路電流平衡等方面的具體應用。最后，從實踐出發，總結了采用合理的無功補償方案、做好無功補償設備的選型等經驗，為更好地應用無功補償技術提供了借鑒，以期達到降低線損、提高電能質量的目的。

關鍵詞：電氣工程無功補償變電站回路電流平衡

ResearchontheApplicationofReactivePowerCompensationTechnology

InElectricalEngineeringandItsAutomation

CHENYuchao

NingxiaPowerTransmissionandTransformationEngineeringCo.，Ltd.，Yinchuan，NingxiaHuiAutonomousRegion，750001China

Abstract：Inordertoreducethelinelossincreaseandpowerqualitydeteriorationcausedbyreactivepower，itisnecessary toapplyReactivePowerCompensationtechnologyinElectricalEngineeringanditsautomation.Firstly，theimplementationmethodandapplicationvalueofReactivePowerCompensationwereintroduced，andthenthespecificapplicationsofthistechnologyinelectricallines，substations，andcircuitcurrentbalancewereanalyzed.Finally，startingfrompractice，theexperiencesofadoptingreasonablereactivepowercompensationschemesandselectingappropriatereactivepowercompensationequipmentweresummarized，providingreferenceforbetterapplicationofreactivepowercompensationtechnology，inordertoachievethegoalofreducinglinelossesandimprovingpowerquality.

KeyWords：ElectricalEngineering;ReactivePowerCompensation;Substation;Circuitcurrentbalance

在“中國制造2025”戰略的推動下，電氣工程及其自動化獲得了新的發展機遇。隨著電氣系統中電力設備數量與種類的不斷增加，無功功率帶來的線路中電能損失以及對電氣設備帶來的危害等問題不容忽視，探究無功補償技術在電氣工程及其自動化中的應用策略成為當下的熱門研究課題。在應用無功補償技術時，除了要合理選擇無功補償設備的容量與數量外，還要同步做好電氣系統的檢測與一線人員的培訓，從技術層面與管理層面上提供雙重保障，達到理想的無功補償效果。

1無功補償技術在電氣工程自動化中的應用

1.1電氣線路中無功補償技術的應用

當電氣系統中無功功率過大時，除了增加電壓波動外，還會增大電氣設備與線路的損耗，從而使電氣系統的運行成本升高。將無功補償技術應用到電氣系統中，在線路中加裝無功補償裝置實現就地平衡，從而解決無功功率的危害。考慮到電氣工程及其自動化中線路分布錯綜復雜，因此在應用無功補償技術時應把握兩個基本原則。一是從簡原則。線路上設置的補償點不能太多，并且控制方式盡量簡單，通常不會選擇分組投切控制的補償方案。在保護裝置上，可以選擇結構簡單、性能可靠的熔斷器作為過流和過壓保護。二是適度原則。根據電氣系統中電氣設備的型號、數量等合理確定無功補償設備的容量，既要達到預期的補償效果，使電氣系統的功率損耗保持在較低水平。同時，又要避免出現過度補償情況。在無功補償技術的實際應用中，可能會因為線路負載過大而出現補償不足的現象，可以采取電阻抗和電容組合的無功補償方案[1-2]。

1.2變電站中無功補償技術的應用

變電站作為電氣工程及其自動化中的核心設備之一，通過實行無功補償可以達到提高終端變壓所母線電壓、改善電網功率因數的效果。變電站的無功補償系統主要包含了并聯電容器、同步調相機、靜止補償器等設備。一般來說，變電站所用無功補償設備的容量至少要達到主變容量的30%，實際應用時還要綜合考慮安裝環境、設備價格等因素。例如：某變電站的主變壓器容量為40MVA，要想達到理想的無功補償效果，選用的無功補償設備容量至少要達到12MVA，才能保證變電站在空載運行狀態下的電力損耗最低。需要注意的是，由于用戶端的電力消耗表現為明顯的時間變化和季節變化，因此對無功補償技術的應用也提出了嚴格要求。以季節變化為例，夏季和冬季的電力消耗明顯高于春秋兩季，由于變電設備的負荷較大、電壓明顯降低，變電站必須要及時調整無功補償方案，選擇合適的補償容量，才能提高供電質量、滿足用戶的用電需求[3]。

1.3回路電流平衡中無功補償技術的應用

在電氣工程及其自動化中，由于電源輸出電壓或者系統負載的波動較大，會出現同步發電機定子繞組輸出的三相電流存在幅值與相位不一致的情況，輸出的電流即為不平衡電流，這種電流除了會損害電氣系統中的電力設備外，還會降低電能利用率，增加電氣系統的運行成本，為避免此類問題需要對回路中的不平衡電流采取補償措施。基于無功補償技術的回路電流平衡通常是加裝分相補償設備，簡單來說就是在電氣系統的相與相之間，以及相與零線之間加入一定數量的電容器，通過靈活控制電容器的投入數量達到補償有功電流的目的。負荷電感也是回路電流平衡中的重要參數，投入電容器的數量越多，負荷功率因數越低，此時電氣系統中可以利用的電感越多，相應的調整不平衡電流的能力越強。理論上來說，當負荷功率因數為0.7時，三相電流中最大相電流至少要達到最小相電流的2倍才能恢復平衡。因此，在應用無功補償技術時要合理確定投入電容器的數量，才能使回路三相電流保持平衡。

2電氣工程中無功補償技術的應用策略

2.1采用合理的無功補償方案

在電氣工程及其自動化中應用無功補償技術，首先要開展調研了解電氣系統的運行情況，其次圍繞補償需求制訂合理的無功補償方案，為下一步挑選合適容量、合適數量的無功補償設備提供依據。這里以容量為例，準確計算無功補償設備容量需要3個基本參數，即補償前的功率功率因數Q1、期望補償到的功率因數Q2，以及有功功率P，容量計算如圖1所示。

假設某變電站的有功功率P=2000kW，補償前的功率因數Q1=0.8（即cosθ1=0.8），在補償后期望達到的功率因數Q2為0.9（即cosθ2=0.9），那么無功補償量（QC）的計算公式如下：

QC=Q1-Q2=2000×0.75-2000×0.49=520kvar

除了確定無功補償設備的容量與數量外，在實際應用中必須要考慮最低損耗和最佳運輸方式，在優化補償效果的同時，提高電氣工程自動化控制水平。需要注意的是，隨著電氣系統中各類電氣設備數量和種類的增加，系統功率也會發生相應的變化，只有定期更新和調整無功補償方案，才能保證無功補償效果契合電氣系統的運行效果。

2.2做好無功補償設備的選型

在電氣工程中應用無功補償技術時，如何選型與配置無功補償設備是關鍵點。除了要遵循“就地平衡、分級補償”的基本原則外，還要做到設備的合理選型。目前常用的無功補償設備按照分類標準的不同可以分成若干類型。例如：按照補償方式的不同可以分為集中補償設備、分組補償設備、就地補償設備等；按照應用場景的不同可以分為隨機補償設備、跟蹤補償設備等，如圖2所示。

不同類型的無功補償設備在結構組成、適用范圍、補償效果等方面存在差異。例如：隨機補償是將電容器與電動機并聯，使控制保護裝置與電動機同時投切達到無功補償效果，適用于年運行小時數在1000h以上的電動機，其優勢在于投資少、安裝靈活、故障率低；跟蹤補償則是將無功補償投切裝置作為控制保護裝置，將低壓電容器組補償在用戶配電變壓器的低壓側進行補償，適用于10kVA以上的配電變壓器，其優勢在于實時跟蹤系統無功負荷變化，補償效果更好。因此，在應用無功補償技術時必須要根據實際需要，綜合考慮設備造價、安裝環境等因素合理選擇無功補償設備。

2.3開展無功補償技術培訓

無功補償的專業性和復雜性決定了電力系統的技術人員必須要熟練掌握該技術的應用技巧，在滿足電力系統無功補償需要的基礎上達到提高系統功率因數和電能利用效率的目的。另外，近年來新型無功補償設備的功能更加多樣，對操作水平也提出了更高要求，進一步體現了無功補償技術培訓的必要性和緊迫性。電力公司要建立常態化的培訓機制，通過定期開展專項培訓幫助一線人員了解無功補償技術、熟悉無功補償設備功能，掌握科學制訂無功補償方案的技能。如上文所述，現階段電氣工程中使用的無功補償設備根據補償方式、電壓等級以及應用場景的不同可以分為若干類型，通過開展常態培訓使一線人員保質保量地完成無功補償設備的日常維護、定期檢測和故障修理，使無功補償設備得以正常運行，達到提高功率因數、降低電網損耗的目的[4]。

2.4避免無功補償過補問題

在電氣工程及其自動化中應用無功補償技術能夠發揮提高功率因數、降低線路損耗的作用，但是如果選用的無功補償容量不合理，或者是投入的無功補償設備數量過多，有較大概率出現系統的無功功率大于0的情況，即過度補償。當出現無功補償過補時，電氣工程的運行穩定性降低，甚至會損害電氣設備。因此，在應用無功補償技術需要采取以下措施避免出現過度補償問題：第一是結合電氣系統的實際情況合理設置無功補償設備，在確定設備型號的基礎上，合理配置容量、數量等參數，既要滿足無功補償的需要，又要避免出現過度補償的情況。第二是在電氣系統的運行期間定期開展檢測，做好日常維護，保證電力系統功率因數在安全范圍內，對提高無功補償效果和預防過度補償也有一定幫助。在日常檢測中如果發現有過補問題應及時處理，避免引起電力系統的諧波污染和造成電力設備的損害[5]。

3結語

無功補償技術的應用在改善電氣系統運行效率、延長電力設備使用壽命以及幫助電力用戶節約電費等方面均發揮了重要作用。在電氣工程及其自動化中應用無功補償技術時，應圍繞電氣系統的運行情況和無功補償需要，制訂合理的補償方案并確定無功補償設備的最佳容量和最佳數量，以較低的投資取得理想的補償效果，確保電氣工程的可靠和穩定運行。

參考文獻

[1]沈韋俊，謝偉，侯金彪.淺談變壓器試驗過程應用高壓無功補償技術改造[J].中國設備工程，2023（S1）：3-4.

[2]毛彥偉，陳曉宇，吳佩瑩.考慮無功補償的中/高壓配電網雙層協調控制方法[J].自動化技術與應用，2022（1）：51-52.

[3]陳振業，林利明，雷嘉敏.智能無功補償技術在電力自動化中的應用[J].電力設備管理，2023（11）：123-125.

[4]梁雪.地鐵供電系統的電能質量擾動識別方法及無功補償策略研究[D].西安：西安理工大學，2024.

[5]于金偉.柔性交流輸電無功補償裝置CHB-STATCOM控制策略研究[D].石家莊：河北科技大學，2024.