電氣自動化中的無功補償技術的應用意義

張健

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

關鍵詞：電氣自動化 無功補償 功率因數 應用意義

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

1 無功補償技術在電氣自動化應用中的實踐原理與有效途徑

隨著電氣自動化技術的應用范圍逐漸擴展，其在單相電力牽引系統中的應用受到人們的高度重視，但是由于負荷較大，變化復雜以及非線性因素的影響，導致無功功率提升，使得電力系統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可有效解決這些問題，保證系統高效率且安全穩定運行。

1.1 實踐原理

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

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

將電阻R和電感L進行并聯，然后再接入電容，所得到的電路如圖1中（a）所示。該電路當中的電流方程為false。具體的電路連接表示如圖1中（b）所示。電容在發生并聯之后，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，過補償的向量圖如圖1中（c）所示。通常在電力系統運行的過程中不希望出現這種現象，主要在于過補償現象的出現會導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。這種電容器不僅結構簡單，而且成本較低，是一種無功補償的裝置。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合閘涌流、重燃和非自持破壞性放電三類問題會損壞設備，對投切效果造成影響，由于電容器的開關壽命有限，在具體的應用中如果投切頻繁，會影響動態補償效果。

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，可通過調節磁飽和程度使回路中感性電流發生變化以實現其與并聯濾波器中多余的容性無功功率的平衡，其缺點是會產生諧波、損耗和較大噪聲。

三是由固定濾波器和晶閘管調節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中的最佳組合，通過串聯反并聯晶閘管與電抗器，使其與并聯濾波器中剩余的容性無功補償電流達到平衡，以滿足功率因數要求，雖然這類裝置投入了固定濾波器，不需要較多數量的晶閘管但也會產生諧波。

四是調節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，裝置之間能夠產生互相抵消的相位，還能夠產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不會產生諧振，且價格昂貴。

五是由固定濾波器、電容器、電抗器構成的無功補償裝置，可實現調壓、調容、濾波三位一體補償，主要根據Q=2πfCU2改變電容器端電壓來調節無功輸出。

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的大容量、有源補償的可控性以及靈活性，通過有源濾波器產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 無功補償技術在電氣自動化中的應用優勢以及應用意義分析

2.1 無功補償技術的應用優勢分析

隨著現階段無功補償技術的發展和進步，其在電氣自動化中的應用優勢也越來突出，主要表現為其具有較高的可靠性、較快的反應速度、較好的擴容性和經濟性。

最新的無功補償技術多采用全模塊設計，可控電流源，不會產生過電流、不會產生諧波電壓放大，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，能夠實現電力的調節，從小容量到大容量的過渡只需要較短的時間，能夠真正的實現柔性補償的效果。 投運后安裝、調試工作量小，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，投運后可實現免維護，由于其輸出電流小、開關頻率低，因此運行損耗低。而動態無功補償，產生較高的經濟效益和補償效果。可控電流源，不會產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過載或者是電流電壓較高時，就會實施保護，系統級保護裝置可以避免系統出現失壓高壓或者是冷卻現象，在出現這些現狀時能夠實施保護。無功補償裝置除了實現分級保護外，控制單元還能夠為保護單元提供后續力量，監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，增強綜合保護的穩定性。新型無功補償裝置響應速度快，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，系統提供的無功為跟蹤系統無功變化，較快的響應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）戶內安裝，通過模塊化設計，增加功率柜即可實現擴容，可根據實際工況的不通，配置相同的功率柜，在投運的后，也可根據實際的系統無功變化，擴充補償無功容量。

2.2 應用意義

2.2.1 實際作用

無功補償技術在電氣自動化系統中的作用尤為突出，主要表現為可以提升供電系統以及負載的功率，能夠降低設備的容量，減少設備損耗的功率，使得電網的電壓更加穩定，對于供電質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，在合適的地點設置無功補償裝置，可以增強輸電系統的穩定性，增強輸電能力。在電氣化鐵道以及其三相負載不平衡時，采用無功補償的方式能夠平衡三相的無功負載。

2.2.2 物理意義

3505200-60960電氣自動化中應用無功補償技術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，電感能夠將其吸收的能量儲存起來，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能量交換的幅度。電源向負載提供這種功率是阻感負載內在的需要，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u、R、L的參數均和圖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 經濟效益

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

參考文獻

[1] 章軍.無功補償技術在電氣自動化中的應用分析[J].電工文摘，2013（4）：36-37.

[2] 葛峰偉.淺析無功補償技術在電氣自動化中的應用[J].電源技術應用，2013（5）：140.