無功補(bǔ)償技術(shù)在電氣自動化中的應(yīng)用

金福斌

[摘 要]隨著我國電氣自動化技術(shù)的飛速發(fā)展，并在諸多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用、 發(fā)揮重要作用，電氣設(shè)備中的非線性因素、單相電力牽引復(fù)合變化等日趨復(fù)雜，而隨著無功功率的不斷加大，在電力系統(tǒng)中的諧波、負(fù)率等有所增加，該問題越來越不容忽視。為了進(jìn)一步解決國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)過程中存在的電力資源消耗問題，以電氣自動化技術(shù)的負(fù)荷特點(diǎn)、系統(tǒng)特點(diǎn)等角度來看，通過應(yīng)用無功補(bǔ)償策略，尋找綜合補(bǔ)償方法，可確保我國能力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。本文闡述了無功補(bǔ)償技術(shù)在電氣自動化發(fā)展中的存在意義和電氣自動化中應(yīng)用無功補(bǔ)償技術(shù)的現(xiàn)狀，介紹了一些在無功在電氣自動化中合理采用無功補(bǔ)償技術(shù)的策略。

[關(guān)鍵詞]無功補(bǔ)償技術(shù)；電氣自動化；應(yīng)用分析

中圖分類號：TM714.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2018）11-0397-02

1.無功補(bǔ)償概述

有關(guān)無功補(bǔ)償技術(shù)的探究，應(yīng)優(yōu)先了解無功功率問題。所謂無功功率，實(shí)際上是一個較為抽象的概念，一般應(yīng)用在電路電場和磁場中的交換作用，并可在電氣設(shè)備中應(yīng)用，形成可維持磁場的有效功率。實(shí)際上，無功功率并不對外做功，而是轉(zhuǎn)變?yōu)榱硗庖环N能量形式。一般情況下，如果電氣設(shè)備中具有電磁線圈，并且涉及到磁場的作用，就會消耗部分無功功率。從表面意思來理解，無功功率并不是片面的沒有用處的功率，以變壓器運(yùn)行為例，在工作中應(yīng)用無功功率，在一次線圈中形成磁場，并且通過二次線圈的感應(yīng)產(chǎn)生電壓，促進(jìn)變壓器的“變壓”作用。

有關(guān)無功補(bǔ)償技術(shù)的工作原理，將容性功率負(fù)荷裝置和感性功率負(fù)荷裝置在同一組電路中并聯(lián)，則可實(shí)現(xiàn)兩種負(fù)荷之間的能量交換。在這種情況下，感性負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)需要的無功功率就可以通過容性負(fù)荷輸出的無功功率實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償作用。在這一過程中，就是將原本通過電網(wǎng)或者變壓器產(chǎn)生的無功功率，改變?yōu)橥ㄟ^交流電力電容器提供。

2.電氣自動化發(fā)展中應(yīng)用無功補(bǔ)償技術(shù)的意義

在我國科技與經(jīng)濟(jì)同時得到了很大的進(jìn)步，電氣自動化領(lǐng)域也發(fā)生著日新月異的變化，在變電站，高鐵牽引系統(tǒng)中都應(yīng)用了電氣自動化技術(shù)。然而高速電氣自動化技術(shù)的應(yīng)用中存在著關(guān)于單相電力牽引的負(fù)荷復(fù)雜變化的問題，這些問題不僅會會導(dǎo)致無功功率的提升，還會增加注入電力系統(tǒng)的諧波和負(fù)序。這樣一來，影響了電氣自動化系統(tǒng)的資源利用率、降低了電力系統(tǒng)的安全性和系統(tǒng)的總體效益。根據(jù)，現(xiàn)有的電氣自動化系統(tǒng)研究，我們可以知道，其中較為明顯的主要有三個問題，諧波、負(fù)序和無功。雖然目前，國外已經(jīng)有了不少對這些問題的研究結(jié)果，但是，對于我國這個人口大國來說，電氣自動化在供電所應(yīng)用的壓力非常大，其中非線性因素帶來的不可控問題更為嚴(yán)重了。近年來，出現(xiàn)的一些較為嚴(yán)重的大型電機(jī)廠組事故等，給企業(yè)和社會帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，通過引入無功補(bǔ)償技術(shù)，能夠達(dá)到解決電氣自動化系統(tǒng)非線性等問題。

3.電氣自動化中應(yīng)用無功補(bǔ)償?shù)默F(xiàn)狀

近些年，我國對電氣自動化中的無功補(bǔ)償技術(shù)做了很多深入的研究，為了構(gòu)成有效的濾波通路、濾除諧波、降低負(fù)荷，提高電氣的功率因數(shù)，其中很多無功補(bǔ)償技術(shù)的引用目的都是在基波下牽引負(fù)荷的感性無功功率。這些無功補(bǔ)償技術(shù)主要有以下種：

3.1 真空斷路投切電容器

此設(shè)備簡單且投資小，但是在合閘的時候會產(chǎn)生過高的電壓，容易導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生損壞，而且對于這個設(shè)備，不能有過于頻繁的投切，因?yàn)樗艿介_關(guān)壽命的限制。

3.2 可控飽和電抗器

這個設(shè)備是通過對電抗器飽和程度的調(diào)節(jié)來改變整個回路的電流，主要讓并聯(lián)濾波器中的多余容性無功功率被感性電流抵消從而達(dá)到平衡點(diǎn)。此設(shè)備的特點(diǎn)是可以再電氣自動化系統(tǒng)中長期投入，但是，它會產(chǎn)生諧波，噪聲較大，對設(shè)備來說也會產(chǎn)生一定的損耗。

3.3 有源濾波器

此設(shè)備是的使用目的是讓電力電子裝置負(fù)產(chǎn)生與負(fù)序電流和諧波電流相反的電流，使得其滿足電源的要求，互相抵消。這種方案的有著調(diào)節(jié)速度快、補(bǔ)償靈活、不會和系統(tǒng)產(chǎn)生諧振現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)，但是其設(shè)備的價格比較昂貴。

3.4 固定濾波器、電容器和電抗器的調(diào)壓

這個設(shè)備通過連接低壓母線上的電抗器或者濾波器、調(diào)節(jié)降壓變壓器的低壓側(cè)母線電壓來調(diào)節(jié)，以達(dá)到改變無功出力的目的。這個過程的實(shí)現(xiàn)是通過加裝晶閘管分接和通斷開關(guān)來調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)提供穩(wěn)定的無功功率并實(shí)現(xiàn)濾波作用的。

3.5 有源濾波器和無源濾波器

這個設(shè)備是以有源濾波器產(chǎn)生的電流和負(fù)荷中諧波電流進(jìn)行中和，相互抵消，最終達(dá)到滿足電源要求。其特點(diǎn)是充分利用了有源補(bǔ)償和無源補(bǔ)償?shù)目煽匦院挽`活性。雖然，無功補(bǔ)償技術(shù)在我國已經(jīng)得到了比較廣泛的應(yīng)用，但是電氣自動化設(shè)備中的問道使得我們隊無功補(bǔ)償技術(shù)的研究必須有更深的研究。

4 優(yōu)化無功補(bǔ)償?shù)娜萘恳约鞍惭b位置

優(yōu)化無功補(bǔ)償?shù)娜萘恐饕頌樵谶_(dá)到年運(yùn)行費(fèi)用值最小、電網(wǎng)的損壞值最小、每年總的支出費(fèi)用值最小的前提下找出最佳的容量補(bǔ)償算法；通過對負(fù)荷周圍以及沿線分布情況的考慮，找出最佳的補(bǔ)償位置以及補(bǔ)償容量的算法。這些算法有一個共同點(diǎn)，就是在得出所求量值的數(shù)學(xué)表達(dá)方程式之后，都會用函數(shù)求極值的算法來算出補(bǔ)償?shù)奈恢谩⒀a(bǔ)償容量的數(shù)學(xué)方程式。函數(shù)計算的方式在數(shù)學(xué)的發(fā)展史中是一種比較古典的算法，因此，用這種方式來計算最優(yōu)補(bǔ)償位置和容量的方法經(jīng)常被稱為經(jīng)典優(yōu)化法。

4.1 利用計算機(jī)對配電網(wǎng)的補(bǔ)償電容器進(jìn)行監(jiān)控

控制補(bǔ)償電容器最基本方式是電流控制以及時控方式，利用計算機(jī)可以根SCADA系統(tǒng)采集到的實(shí)際出口時間、電流以及其他有效數(shù)據(jù)，從而控制投切的時間。采用這種方式不僅科學(xué)性強(qiáng)、精確度高；而且它調(diào)節(jié)方式也比較靈活、可靠，同時還可以對其電容器的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)視。

4.2 系統(tǒng)硬件的配置

在硬件配置的過程中，中央控制系統(tǒng)最好是選用新型計算機(jī)，把SCADA主機(jī)與無線通訊監(jiān)控系統(tǒng)連接在一起，便于監(jiān)控安裝在配電網(wǎng)補(bǔ)償點(diǎn)上的投切裝置。每個補(bǔ)償點(diǎn)上要安裝一臺無線接收器，將其與自鎖式的繼電器連在一起，用作補(bǔ)償電容器的開關(guān)，另外還要配有計數(shù)器。

4.3 系統(tǒng)軟件的配置

設(shè)置好控制電容器系統(tǒng)的軟件，它主要是用于調(diào)整以SCADA系統(tǒng)以及設(shè)定其周期性數(shù)據(jù)，使其轉(zhuǎn)入暫存區(qū)。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫根據(jù)饋出線、配電網(wǎng)以及變電所中電容器的排序依次設(shè)定。數(shù)據(jù)庫中的各組補(bǔ)償電容器不僅有冬季和夏季的負(fù)荷電流、時間相對應(yīng)的投切關(guān)系表。而且還有各補(bǔ)償點(diǎn)負(fù)荷電流的范圍限制值。

5 電氣自動化中合理應(yīng)用無功補(bǔ)償?shù)牟呗?/p>

5.1 深入分析無功補(bǔ)償在電氣自動化中應(yīng)用無的基本方式和方向

在供電系統(tǒng)中，一個非常重要的評價標(biāo)準(zhǔn)是電能質(zhì)量，而電壓是電能質(zhì)量的最核心的影響因素。常見的很多關(guān)于電氣自動化系統(tǒng)出現(xiàn)無功狀況，多是受到阻抗問題和功率因素問題的影響，從而導(dǎo)致電網(wǎng)受到無功效果的。我國的電氣化鐵路對無功補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用主要方式是AT供電方式，用的是SCOTT變壓器，用晶閘管電子開關(guān)來控制電容的投切。這個策略在我國鐵路的現(xiàn)狀上看來，能夠很大程度上的降低較長輻射路線上存在的負(fù)序問題。

5.2 電氣自動化系統(tǒng)中應(yīng)用無功補(bǔ)償?shù)墓残詥栴}

無功補(bǔ)償技術(shù)不僅降低了資源浪費(fèi)的可能性，也提高了電氣自動化系統(tǒng)的安全性。從這兩個方面考慮，其全面的提升了應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效用，降低了事故處理預(yù)算。目前國內(nèi)的無功補(bǔ)償技術(shù)較多的應(yīng)用在多變電站等方面，來自發(fā)電廠的無功電流流入變電站，經(jīng)過線路傳向低壓線路的時候形成了無功電流的遠(yuǎn)距離傳輸。在這種情況下，我們可以分區(qū)對變電站進(jìn)行無功補(bǔ)償，一般的220KV變電站有較多的武功調(diào)節(jié)功能，其調(diào)節(jié)的容量根據(jù)地區(qū)的不同而有所不同，負(fù)荷功率因素在最高峰時可以達(dá)到0.98左右。因此，變電站的無功補(bǔ)償應(yīng)用需要針對每一個分區(qū)的不同的實(shí)際情況來確定，要根據(jù)實(shí)際情況來對變壓器合理的進(jìn)行調(diào)整和補(bǔ)償，還需要有具體細(xì)化的應(yīng)用方案來提升無功補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用效果。

5.3 采用并聯(lián)混合有緣濾波器等先進(jìn)技術(shù)和管理方式

目前國內(nèi)較為先進(jìn)的混合式解決方案主要是并聯(lián)混合式有緣濾波的無功補(bǔ)償方案，此方案能夠解決由電力牽引負(fù)荷的不可控制的變化帶來的電力濾波器補(bǔ)償量過大的問題。這個方案同時也是對大型電氣自動化系統(tǒng)的補(bǔ)償技術(shù)的協(xié)調(diào)調(diào)整方案，其主要通過LC和APF的混合。對諧波進(jìn)行注入式的無功補(bǔ)償。這種方案的成本相對比較低，效益與投資性價比高，適用于低壓電網(wǎng)。

在電網(wǎng)的電力線路分散安裝電容器組就是為了實(shí)現(xiàn)無功分散補(bǔ)償。無功分散補(bǔ)償為了有效解決農(nóng)村電網(wǎng)中普遍存在的無功補(bǔ)償問題，部分地區(qū)先后進(jìn)行了對配電變壓器進(jìn)行無功分散補(bǔ)償?shù)脑圏c(diǎn)嘗試。經(jīng)過近幾年的實(shí)際運(yùn)行，表明了這種分散補(bǔ)償具有安裝和維護(hù)比較方便、所需投資較小，運(yùn)營安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，尤其在提高農(nóng)網(wǎng)力率方面，效果十分明顯。這種分散補(bǔ)償與在變電站和高壓線路上采用集中補(bǔ)償?shù)姆绞较啾?，更接近于?fù)荷末端。

要實(shí)施無功分散補(bǔ)償，要分以下幾步進(jìn)行：

首先，確定補(bǔ)償方案。配電變壓器作為配網(wǎng)無功分散補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償對象，安裝在配電變壓器低壓引線處。鑒于其電容器容量比較小小，不必考慮合閘涌流、過電壓所產(chǎn)生的影響，也不需要配置保護(hù)裝置，和配電變壓器一起投，撤，經(jīng)由變壓器低壓繞組進(jìn)行放電；相應(yīng)的無功補(bǔ)償數(shù)值的計算。針對配電變壓器的小型分散補(bǔ)償電容器的配備，主要參考數(shù)值是變壓器空載時無功功率Q0，盡可能使電容器容量QC≈Q0；用戶補(bǔ)償由電動機(jī)等設(shè)備產(chǎn)生的無功。

其次，安裝。一般情況下，在配電變壓器低壓出線桿的橫擔(dān)位置安裝低壓電容器，但如果電容器比較大，也可以在低壓出線桿上另外安裝一個小支架來固定低壓電容器。低壓電容器安裝完成后，將配電變壓器低壓引線和電容器出線頭連接。在搜集被補(bǔ)償線路的相關(guān)數(shù)據(jù)資料的基礎(chǔ)上，確定電容器的數(shù)量、規(guī)格以及相關(guān)的輔助材料的數(shù)量及型號，作并作出最終預(yù)算，確保低壓電容器的安裝實(shí)現(xiàn)。

6 實(shí)際運(yùn)行中無功補(bǔ)償裝置的維護(hù)

6.1 現(xiàn)階段我國所使用的低壓無功補(bǔ)償裝置，一般都為智能化裝置，在無人值守的情況下，只需要將其設(shè)定好，就能夠自動運(yùn)行。在對無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行維護(hù)時，只需要定期檢查無功補(bǔ)償?shù)母黜椫笜?biāo)，對于裝置中出現(xiàn)的故障問題，應(yīng)該及時解決，對已經(jīng)破損的元器件進(jìn)行及時更換。

6.2 低壓無功補(bǔ)償裝置一般都采用自愈式低壓并聯(lián)電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償，但這種裝置可能會受到電網(wǎng)諧波或者其他因素的影響，這就有可能導(dǎo)致電容器中的內(nèi)部介質(zhì)不斷自愈，從而導(dǎo)致電容量快速下降，或者電容器的損耗增加，從而導(dǎo)致電容器的破損。有些用戶由于長期沒有對裝置進(jìn)行檢查或者維護(hù)，這就導(dǎo)致已經(jīng)破損嚴(yán)重的電容器仍然運(yùn)行，從而使產(chǎn)生的損耗高于正常值。因此在對無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行維護(hù)時，應(yīng)該及時發(fā)現(xiàn)裝置中的異常情況，有條件的企業(yè)可以定期做好監(jiān)測耗損的工作。

總而言之，由于電氣自動化設(shè)備中的單相電力牽引力負(fù)荷的復(fù)雜變化以及其非線性因素增強(qiáng)，使得無功補(bǔ)償技術(shù)的研究成為必要?；谥C波注入式并聯(lián)混合有源濾波器的無功補(bǔ)償技術(shù)的可行性很強(qiáng)，其設(shè)計充分實(shí)現(xiàn)了有源補(bǔ)償可控性和靈活性、充分利用了無源補(bǔ)償大容量的特點(diǎn)。在電氣自動化中應(yīng)用無功補(bǔ)償技術(shù)，能夠使得電氣自動化系統(tǒng)得到更好的優(yōu)化。

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