無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在電氣自動(dòng)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(zhǎng)春 130021）

0 引 言

無(wú)功補(bǔ)償是無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)暮?jiǎn)稱，是一種可以提高功率因數(shù)，降低變壓器與線路實(shí)際損耗的技術(shù)。通過(guò)合理應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)，能從根本上改善供電環(huán)境，保證供電質(zhì)量。

1 無(wú)功補(bǔ)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(yùn)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(jī)械能等。第二，無(wú)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(shí)現(xiàn)作功的基本條件。同時(shí)，該能在電網(wǎng)中可以和電能在一定周期內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)換[1]。

1.2 意 義

第一，對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，能增加有功功率對(duì)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(shí)，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(lái)講，將極大提高容量。基于此，對(duì)新建工程和改建工程而言，需要充分考慮無(wú)功補(bǔ)償，盡可能減少容量，實(shí)現(xiàn)節(jié)省投資的目標(biāo)。

第三，有效降低線損。

其中，ΔP為線損，cosΦ是完成補(bǔ)償以后得到的功率因數(shù)，cosθ是補(bǔ)償以前的功率因素。因?yàn)閏osΦ＞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(shí)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(jì)效益的關(guān)鍵指標(biāo)，因此重視并全面實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率至關(guān)重要。

1.3 方 式

電網(wǎng)中，主要有三種無(wú)功補(bǔ)償方式：第一，集中補(bǔ)償，即在配電線路中安裝并聯(lián)電容器組；第二，分組補(bǔ)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(bǔ)償，即在單臺(tái)電動(dòng)機(jī)位置安裝并聯(lián)電容器。通過(guò)安裝無(wú)功補(bǔ)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(wú)功補(bǔ)償容量時(shí)需充分考慮下列兩點(diǎn)：第一，輕負(fù)荷的條件下，應(yīng)防止過(guò)補(bǔ)償，如果倒送無(wú)功，會(huì)明顯增加功率損耗，經(jīng)濟(jì)性差；第二，隨著功率因數(shù)的不斷提高，補(bǔ)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(shí)一般不能超過(guò)0.95。對(duì)就地補(bǔ)償而言，它的容量可以采用式（2）計(jì)算：

式（2）中，Q表示無(wú)功補(bǔ)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(bǔ)償存在一定缺點(diǎn)，無(wú)法取代低壓分組與高壓集中補(bǔ)償。如果按照安裝位置及接線方式，可將無(wú)功補(bǔ)償分成高壓集中、低壓分組和低壓就地三種。低壓就地補(bǔ)償?shù)拿娣e最大，補(bǔ)償效果最佳，但容量大于其他兩種，且電容器的實(shí)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(bǔ)償變壓器的無(wú)功損耗。可見，以上補(bǔ)償方式各有其對(duì)應(yīng)的使用范圍，需根據(jù)實(shí)際情況選擇。

2 電氣自動(dòng)化中無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用

2.1 變電站應(yīng)用無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)

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

2.2 配電線路應(yīng)用無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)

線路無(wú)功補(bǔ)償指采用電容器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。線路中，補(bǔ)償點(diǎn)不能太多，控制方式需要盡量簡(jiǎn)化處理，通常不進(jìn)行分組投切，補(bǔ)償容量不能太大，以免造成過(guò)補(bǔ)償。對(duì)保護(hù)而言，應(yīng)盡量簡(jiǎn)化，將避雷器及熔斷器等作為過(guò)壓及過(guò)流保護(hù)。采用線路補(bǔ)償?shù)姆绞剑梢詾榫€路及公用變提供必要無(wú)功，不僅回收較快、成本低，而且管理與維護(hù)較為方便，尤其適用于負(fù)荷較重且功率因數(shù)低的較長(zhǎng)線路。但是，線路補(bǔ)償存在適應(yīng)能力不足，重載條件下補(bǔ)償效果較差等缺點(diǎn)。

城市及農(nóng)網(wǎng)供電系統(tǒng)中，因?yàn)橛脩粢詥蜗嘭?fù)荷為主，且負(fù)荷大小與用電時(shí)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(méi)有規(guī)律性可循，很難事先預(yù)知，導(dǎo)致系統(tǒng)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)處于不平衡狀態(tài)。針對(duì)不平衡電流，從電力部門角度來(lái)講，除了合理分配負(fù)荷外，基本沒(méi)有其他有效的解決方式。不平衡電流會(huì)明顯增加銅損和變壓器鐵損，降低出力，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)威脅到變壓器實(shí)際運(yùn)行的安全性，導(dǎo)致三相電壓無(wú)法保持平衡。

采用無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆绞剑芙鉀Q上述問(wèn)題。除了能對(duì)線路進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，還能對(duì)有效調(diào)整有功電流，將三相功率因數(shù)補(bǔ)償至1，進(jìn)而使三相電流保持平衡。從實(shí)踐效果來(lái)看，正確使用無(wú)功補(bǔ)償后，能將功率因數(shù)至少補(bǔ)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(dòng)化應(yīng)用無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)

2.3.1 隨機(jī)補(bǔ)償應(yīng)用

隨機(jī)補(bǔ)償實(shí)際上是并接電動(dòng)機(jī)和低壓電容器組，控制裝置及保護(hù)裝置和電動(dòng)機(jī)一同投切。縣級(jí)配電網(wǎng)中，絕大部分無(wú)功功率都來(lái)源于電動(dòng)機(jī)。因此，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行有效無(wú)功補(bǔ)償，能使無(wú)功實(shí)現(xiàn)就地平衡，在減少損耗的基礎(chǔ)上提高出力。該補(bǔ)償方式的主要優(yōu)點(diǎn)為用電設(shè)備正常運(yùn)行過(guò)程中，無(wú)功補(bǔ)償正常投入；設(shè)備停運(yùn)后，無(wú)功補(bǔ)償退出，能更大限度降低投資、減小占地、簡(jiǎn)化安裝、方便配置和降低事故發(fā)生率。隨機(jī)補(bǔ)償在電動(dòng)機(jī)補(bǔ)償中尤其適用，主要補(bǔ)償勵(lì)磁無(wú)功，有效限制配網(wǎng)的無(wú)功峰荷。對(duì)年運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)超過(guò)1 000 h的電動(dòng)機(jī)而言，建議采用這種補(bǔ)償方式，更加經(jīng)濟(jì)有效。

2.3.2 隨器補(bǔ)償應(yīng)用

隨器補(bǔ)償是把低壓電容器在低壓熔斷器的基礎(chǔ)上與配變實(shí)現(xiàn)二次側(cè)相接，對(duì)配變空載進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。當(dāng)配變處于輕載或者空載狀態(tài)時(shí)，無(wú)功負(fù)荷為空載勵(lì)磁無(wú)功。該補(bǔ)償方式的主要優(yōu)勢(shì)為接線簡(jiǎn)單，便于維護(hù)和管理，可以有效補(bǔ)償配變空載無(wú)功，限制無(wú)功基荷，確保無(wú)功能夠?qū)崿F(xiàn)就地平衡，保證配電實(shí)際利用率，減小網(wǎng)損，使功率因素達(dá)到要求，從根本上改善電壓質(zhì)量，是當(dāng)前最常用、最有效的補(bǔ)償手段。但是，這種補(bǔ)償方式存在投資相對(duì)較大，運(yùn)維工作量大的缺點(diǎn)。

2.3.3 跟蹤補(bǔ)償應(yīng)用

跟蹤補(bǔ)償將投切裝置作為主要的控制與保護(hù)裝置，將低壓電容器組補(bǔ)償在用戶配變低壓側(cè)。該補(bǔ)償方式的作用如同隨器補(bǔ)償，常用在不小于100 kVA的配變用戶中。這種補(bǔ)償方式能跟蹤無(wú)功負(fù)荷發(fā)生的變化，運(yùn)行方式十分靈活，具有良好的補(bǔ)償效果。但是，其費(fèi)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(huì)導(dǎo)致電容器無(wú)法順利投切。因此，跟蹤補(bǔ)償主要用于容量與負(fù)荷相對(duì)較大的配變。

2.3.4 無(wú)功分散補(bǔ)償應(yīng)用

配網(wǎng)中，無(wú)功分散補(bǔ)償以配變?yōu)橹饕a(bǔ)償對(duì)象，需要將補(bǔ)償裝置安裝于配變低壓引線部位。但是，因?yàn)殡娙萜鞯娜萘肯鄬?duì)較小，所以無(wú)法考慮合閘涌流和過(guò)電壓等造成的影響，難以配置有效的保護(hù)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(dān)，若電容器相對(duì)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(bǔ)償線路實(shí)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(shí)現(xiàn)無(wú)功功率轉(zhuǎn)換。調(diào)整過(guò)程中，借助晶閘管進(jìn)行切斷，防止電氣使用壽命受到影響。電力系統(tǒng)運(yùn)行中，還可采用先進(jìn)設(shè)備保持無(wú)功功率的穩(wěn)定性，并發(fā)揮過(guò)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(wú)功補(bǔ)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(shí)際情況選擇合適的補(bǔ)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(bǔ)償方式與裝置不合理，則會(huì)造成電壓波動(dòng)和諧波增大等實(shí)際問(wèn)題。