無功補償技術(shù)在電氣自動化中的應(yīng)用

陳泓亦

（吉林建筑大學(xué)城建學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，吉林 長春 130021）

0 引 言

無功補償是無功功率補償?shù)暮喎Q，是一種可以提高功率因數(shù)，降低變壓器與線路實際損耗的技術(shù)。通過合理應(yīng)用這項技術(shù)，能從根本上改善供電環(huán)境，保證供電質(zhì)量。

1 無功補償

1.1 原 理

從電網(wǎng)中輸出的功率主要包括兩部分。第一，有功功率。它是保持用電設(shè)備正常運行所需的電功率，即將電能轉(zhuǎn)換為其他形式能量的電功率，如聲能、熱能和機械能等。第二，無功功率。雖然它也消耗電能，但僅將電能轉(zhuǎn)換成另外一種形式的能，是電氣設(shè)備可以實現(xiàn)作功的基本條件。同時，該能在電網(wǎng)中可以和電能在一定周期內(nèi)進行轉(zhuǎn)換[1]。

1.2 意 義

第一，對無功功率進行補償，能增加有功功率對應(yīng)的比例常數(shù)。

第二，能減少發(fā)電設(shè)備及供電設(shè)備的容量，降低投資。比如，功率因數(shù)從0.8變?yōu)?.95時，安裝容量為1 kVar的電容器能降低近0.52 kW的容量；相反，如果容量增加0.52 kW，則從原有設(shè)備的角度來講，將極大提高容量。基于此，對新建工程和改建工程而言，需要充分考慮無功補償，盡可能減少容量，實現(xiàn)節(jié)省投資的目標。

第三，有效降低線損。

其中，ΔP為線損，cosΦ是完成補償以后得到的功率因數(shù)，cosθ是補償以前的功率因素。因為cosΦ＞cosθ，所以提高功率因數(shù)能降低線損率與容量，節(jié)省投資，提高有功功率的實際輸送比例，提升企業(yè)綜合效益。由于功率因數(shù)是考核經(jīng)濟效益的關(guān)鍵指標，因此重視并全面實現(xiàn)無功功率至關(guān)重要。

1.3 方 式

電網(wǎng)中，主要有三種無功補償方式：第一，集中補償，即在配電線路中安裝并聯(lián)電容器組；第二，分組補償，即在配變低壓側(cè)與用戶車間的配電屏中安裝并聯(lián)電容器；第三，就地補償，即在單臺電動機位置安裝并聯(lián)電容器。通過安裝無功補償設(shè)備，除了能降低功率消耗、保證功率因數(shù)外，還能挖掘設(shè)備輸送功率的能力。

確定無功補償容量時需充分考慮下列兩點：第一，輕負荷的條件下，應(yīng)防止過補償，如果倒送無功，會明顯增加功率損耗，經(jīng)濟性差；第二，隨著功率因數(shù)的不斷提高，補償具有的減少損耗能力將逐漸減小，因此提高功率因數(shù)時一般不能超過0.95。對就地補償而言，它的容量可以采用式（2）計算：

式（2）中，Q表示無功補償容量，單位為kVar；U表示額定電壓值，單位為V；I0表示空載電流值，單位為A。但是，就地補償存在一定缺點，無法取代低壓分組與高壓集中補償。如果按照安裝位置及接線方式，可將無功補償分成高壓集中、低壓分組和低壓就地三種。低壓就地補償?shù)拿娣e最大，補償效果最佳，但容量大于其他兩種，且電容器的實際利用率很低。高壓集中與低壓分組兩種方式的容量很小，利用率很高，能補償變壓器的無功損耗?？梢?，以上補償方式各有其對應(yīng)的使用范圍，需根據(jù)實際情況選擇。

2 電氣自動化中無功補償技術(shù)的應(yīng)用

2.1 變電站應(yīng)用無功補償技術(shù)

為保證電網(wǎng)無功達到平衡，需在變電站開展集中補償，常采用靜止補償器、并聯(lián)電容器和同步調(diào)相機三種補償裝置。其主要目的在于保持電網(wǎng)無功平衡，改善功率因數(shù)，保證終端變電所母線側(cè)電壓，補償變電站主變及輸電線路的無功損耗。補償裝置通常集中和母線相接，便于管理和維護，但對10 kV配網(wǎng)而言，無法起到應(yīng)有的降損作用[2]。

2.2 配電線路應(yīng)用無功補償技術(shù)

線路無功補償指采用電容器進行無功補償。線路中，補償點不能太多，控制方式需要盡量簡化處理，通常不進行分組投切，補償容量不能太大，以免造成過補償。對保護而言，應(yīng)盡量簡化，將避雷器及熔斷器等作為過壓及過流保護。采用線路補償?shù)姆绞?，可以為線路及公用變提供必要無功，不僅回收較快、成本低，而且管理與維護較為方便，尤其適用于負荷較重且功率因數(shù)低的較長線路。但是，線路補償存在適應(yīng)能力不足，重載條件下補償效果較差等缺點。

城市及農(nóng)網(wǎng)供電系統(tǒng)中，因為用戶以單相負荷為主，且負荷大小與用電時間有所不同，所以電網(wǎng)中必然存在不平衡電流。這種不平衡還沒有規(guī)律性可循，很難事先預(yù)知，導(dǎo)致系統(tǒng)在很長一段時間內(nèi)處于不平衡狀態(tài)。針對不平衡電流，從電力部門角度來講，除了合理分配負荷外，基本沒有其他有效的解決方式。不平衡電流會明顯增加銅損和變壓器鐵損，降低出力，嚴重時還會威脅到變壓器實際運行的安全性，導(dǎo)致三相電壓無法保持平衡。

采用無功補償?shù)姆绞?，能解決上述問題。除了能對線路進行無功補償，還能對有效調(diào)整有功電流，將三相功率因數(shù)補償至1，進而使三相電流保持平衡。從實踐效果來看，正確使用無功補償后，能將功率因數(shù)至少補償?shù)?.95，并確保不平衡電流小于額定電流的1/10[3]。

2.3 電氣自動化應(yīng)用無功補償技術(shù)

2.3.1 隨機補償應(yīng)用

隨機補償實際上是并接電動機和低壓電容器組，控制裝置及保護裝置和電動機一同投切?？h級配電網(wǎng)中，絕大部分無功功率都來源于電動機。因此，對電動機進行有效無功補償，能使無功實現(xiàn)就地平衡，在減少損耗的基礎(chǔ)上提高出力。該補償方式的主要優(yōu)點為用電設(shè)備正常運行過程中，無功補償正常投入；設(shè)備停運后，無功補償退出，能更大限度降低投資、減小占地、簡化安裝、方便配置和降低事故發(fā)生率。隨機補償在電動機補償中尤其適用，主要補償勵磁無功，有效限制配網(wǎng)的無功峰荷。對年運行時長超過1 000 h的電動機而言，建議采用這種補償方式，更加經(jīng)濟有效。

2.3.2 隨器補償應(yīng)用

隨器補償是把低壓電容器在低壓熔斷器的基礎(chǔ)上與配變實現(xiàn)二次側(cè)相接，對配變空載進行無功補償。當配變處于輕載或者空載狀態(tài)時，無功負荷為空載勵磁無功。該補償方式的主要優(yōu)勢為接線簡單，便于維護和管理，可以有效補償配變空載無功，限制無功基荷，確保無功能夠?qū)崿F(xiàn)就地平衡，保證配電實際利用率，減小網(wǎng)損，使功率因素達到要求，從根本上改善電壓質(zhì)量，是當前最常用、最有效的補償手段。但是，這種補償方式存在投資相對較大，運維工作量大的缺點。

2.3.3 跟蹤補償應(yīng)用

跟蹤補償將投切裝置作為主要的控制與保護裝置，將低壓電容器組補償在用戶配變低壓側(cè)。該補償方式的作用如同隨器補償，常用在不小于100 kVA的配變用戶中。這種補償方式能跟蹤無功負荷發(fā)生的變化，運行方式十分靈活，具有良好的補償效果。但是，其費用往往較高，并且所需投切裝置的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，一旦有元件發(fā)生故障和損壞，會導(dǎo)致電容器無法順利投切。因此，跟蹤補償主要用于容量與負荷相對較大的配變。

2.3.4 無功分散補償應(yīng)用

配網(wǎng)中，無功分散補償以配變?yōu)橹饕a償對象，需要將補償裝置安裝于配變低壓引線部位。但是，因為電容器的容量相對較小，所以無法考慮合閘涌流和過電壓等造成的影響，難以配置有效的保護裝置。很多情況中，低壓電容器都設(shè)置在配變低壓出線桿橫擔，若電容器相對較大，還要在出線桿上額外安裝小支架，以此固定低壓電容器。根據(jù)補償線路實際情況和相關(guān)數(shù)據(jù)，確定電容器具體規(guī)格與數(shù)量，選擇適宜的輔助材料，從而得出最終預(yù)算，使低壓電容器順利安裝，并充分發(fā)揮應(yīng)有的作用和效果。

2.3.5 電容器和固定濾波器相結(jié)合

調(diào)控變壓器低壓端母線電壓，將其和低壓母線電抗器相連，實現(xiàn)無功功率轉(zhuǎn)換。調(diào)整過程中，借助晶閘管進行切斷，防止電氣使用壽命受到影響。電力系統(tǒng)運行中，還可采用先進設(shè)備保持無功功率的穩(wěn)定性，并發(fā)揮過濾諧波的作用。電容器和固定濾波器之間的結(jié)合形式如圖1所示。

圖1 電容器和固定濾波器之間的結(jié)合形式

3 結(jié) 論

綜上所述，無功補償在電力系統(tǒng)具有重要作用和意義。根據(jù)電力系統(tǒng)實際情況選擇合適的補償方式與裝置，能有效降低電網(wǎng)損耗，大幅提高電網(wǎng)供電質(zhì)量。若選擇的補償方式與裝置不合理，則會造成電壓波動和諧波增大等實際問題。