電氣自動化中無功補償技術的應用分析

朱 根

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司能源動力廠，山東 濟南 271104）

電力供電系統作為各種自動化電氣設備的能源供應裝置，為工業生產企業的自動化生產提供了源源不斷的動力能源。但是，受到電力供電系統功率因數的影響，系統在提供電力能源的同時，極易出現供電變壓器與輸送線路損耗，進而影響電網的供電質量，導致自動化電氣設備無法正常運轉。而無功補償技術的出現，能夠提高電網的功率因數，有效改善供電環境，并且在保持穩定供電電壓的前提下，能夠節省大量的電力能源。

1 無功補償技術基本原理

無功補償又稱之為無功功率補償，是電力供電系統當中調節和改善供電環境，提升電網功率因數的重要裝置。近年來，由于我國工業生產過程中使用的自動化電氣設備越來越多，導致設備功率消耗量巨大，無形當中就增加了企業的經濟負擔。而無功補償技術的出現恰恰解決了這一難題，尤其在電氣自動化生產過程中的應用，使得電網供電質量得到可靠保障，進而電網的電力能源損耗量也顯著降低，因此，無功補償裝置始終在電力供電系統中扮演著不可或缺的角色。

圖1 無功補償裝置的工作原理

無功補償技術的基本原理是將感性功率負荷裝置與容性功率負荷裝置并聯在一起，使二者同處于一個電路當中，當容性負荷本身進入到能量釋放狀態時，釋放出的能量可以被感性負荷裝置及時回收，而感性負荷裝置釋放能量的同時，容性負荷同時扮演著吸收能量的角色，因此，二者之間的能量可以相互交換，在這種情況之下，感性負荷對無功功率的需求均可以由容性負荷輸出的無功功率進行補償[1]。在電路系統當中，如果電路本身表現為感性，將吸收無功功率，此時，電流滯后于電壓，當電路表現為容性時，電路將釋放出無功功率，電流將超前于電壓，所以說，電網系統往往包含感性與容性兩種無功功率。無功補償裝置的工作原理如圖1 所示。

2 無功補償技術在電氣自動化中的應用優勢

2.1 滿足電氣設備對無功功率的需求

自動化電氣設備在正常運轉時，將同時產生無功功率，這與電氣設備的實際工作電壓以及設備的額定電壓存在必然聯系。當額定電壓與實際電壓數值趨于相等時，此時，電氣設備的實際工作電壓數值與無功功率數值相同。如果電力系統無法提供電氣設備所需的工作電壓，設備將中止運轉，整個系統將處于癱瘓狀態。而無功補償技術能夠及時補給電力系統所需的無功功率，在這種情況之下，自動化電氣系統才能在電力能源的驅動下正常運轉。

2.2 節能降耗，節省成本

自動化電氣設備運行時，將產生有功功率與無功功率，有功功率能夠及時轉換運轉過程中所消耗的電能，將其轉化成為熱能與機械能，而無功功率則可以將系統運轉過程中消耗的電能轉化成為其它的可利用能源。在這種情況下，電網中的電力能源可以實現循環利用。隨著工業生產對電氣設備需求量的不斷增長，電力能源消耗量持續增加，這就加大了企業的生產投入成本，而應用無功補償技術能夠大幅減少電力能源損耗，使單位時間內的用電量大幅降低，進而為企業節省大量的生產成本，促進經濟效益的快速提升[2]。

2.3 響應時間短

以SVG 無功補償技術為例，該技術主要采用無功電流源型實時補償的方式，因此，無功功率補償的響應時間僅為10ms，而且補償效果較高，補償精度較高。另外，SVG 無功補償技術可以對電力系統中的感性負載與容性負載同時進行補償，經過現場測試試驗發現，補償后的功率因數能夠達到0.98 以上。與普通的無功補償裝置相比，這種新型的無功補償技術效率顯著提升。

2.4 減少發、供電設備的設計容量

電力系統在運行過程中，如果發、供電設備的設計容量過大，就會增加生產成本，進而給企業的經濟效益造成嚴重影響，而應用無功補償技術以后，電力系統中的發、供電設備的設計容量明顯降低，這就就大大減少了生產性投資，進行間接為企業創造更多的經濟效益。比如當電力系統的功率因數從cosΦ=0.8 增加到cosΦ=0.95 時，裝1Kvar 電容器可以節省設備容量0.52KW；同時，增加0.52KW 對原有的自動化電氣設備而言，相當于增大了發、供電設備容量。因此，當應用無功補償技術以后，可以減少設計容量，減少投資，促進企業健康可持續發展。

3 無功補償技術在電氣自動化中的具體應用

3.1 在配電線路中的應用

配電線路作為電網中的重要分支線路，主要承擔著分配電能的任務，如果將無功補償技術應用于配電線路當中，首先需要計算出各分支線路的無功損耗值，然后根據計算結果選擇最為經濟合理的補償方式，使電力系統在運轉過程中損耗的功率能夠得到有效補償。在計算無功損耗值時，技術人員應對空載時的無功損耗予以確定，以避免出現各分支線路功率補償不足的情況。

配電線路中的無功補償主要包括三種方式，即低壓個別補償、低壓集中補償以及高壓集中補償。其中，低壓個別補償與電氣設備開啟與關閉同步進行，因此，這種補償方式很少出現無功倒送現象。低壓集中補償具有較好的經濟性，而且便于維修和維護，其功率補償機理主要是依靠于對電容器的投切進行無功補償。高壓集中補償投資小，易于維護，但是，適用范圍具有局限性特點，目前，這種無功補償方式多用于6KV ～10KV 的配電線路中母線無功功率的補償，因此，更適合在一些大型工業生產企業中推廣和應用。

3.2 在晶閘管調節電抗器中的應用

在自動化電氣設備運轉過程中，系統將產生大量的諧波，這些諧波不僅能夠降低變壓器、斷路器的容量，同時，也能夠加快電氣設備的老化速度，縮短設備使用壽命，尤其是系統內部的晶閘管控制電抗器，產生的諧波量相對較大，為了減少諧波的產生量，工業生產企業將無功補償技術與晶閘管控制電抗器技術融合到一起，并收到了理想的應用效果。比如以某冶金企業煉鋼生產車間為例，為了減少諧波的危害，技術人員在晶閘管理控制電抗器當中安裝了無功補償裝置，并對安裝前后35KV 母線、電爐以及精煉爐三處位置的電壓、電流、功率因數變化情況進行比對，比對數據如表1 所示。通過該裝置安裝前后的數據比對可以看出，安裝無功補償裝置后，系統的功率因數顯著提升，母線電壓也得到大幅提升，而兩臺電爐與精煉爐的功率因數也出現小幅度增長態勢，進而在保證正常生產作業流程的情況下，有效降低了單位時間內的電力能源損耗量[3]。

表1 安裝無功補償裝置前后系統參量變化情況

3.3 在有源與無源濾波器中的應用

過去，在補償電氣設備固定濾波器的無功功率時，常常運用電力電容器等無源器件構成無源濾波器，該裝置與需要補償無功功率的非線性負載呈現出并聯關系，這種傳統的補償方式無法滿足電力系統正常運轉所需要的無功功率。因此，近年來，出現了一種新型的有源電力濾波器，這種新型裝置能夠隨時跟蹤補償各次諧波，自動產生電力系統正常運轉所需的無功功率，而且不會出現無諧波放大的危險，使自動化電氣設備能夠高效運轉，同時，減少大量的能量損耗。有源濾波器的工作原理主要是借助于大功率的電力器件，構成電力系統所需的電源，該電源可以隨時向系統提供無功電流，使電氣設備運轉過程中產生的諧波與反相諧波相抵消，進而延長電氣設備的使用壽命。

3.4 在磁飽和式可控電抗器中的應用

隨著工業生產規模的不斷擴大，生產過程中應用的大型設備數量急劇增長，比如對于鋼鐵企業來說，大型軋鋼機、大型電弧爐、大型電焊機等電氣設備的使用頻率越來越高。而這些設備在運轉過程中常常產生沖擊性負荷，而給電網的電壓造成嚴重影響，進而直接威脅電氣設備的安全穩定運行。為了增強電網運行的安全性，提高供電效率，減少能源消耗，多數鋼鐵生產企業相繼把無功補償技術應用于磁飽和式可控電抗器當中。

磁飽和可控電抗器主要由電容器組、可控電抗器、可控硅閥和控制柜組成，在該裝置運轉過程中，如果產生的控制電流越大，輸出的感性電流也越大。而應用無功補償技術通過調整晶閘管的觸發導通角，對系統滯后的無功功率進行連續控制，使供給系統的無功功率始終保持在常數狀態，這就遏制了電壓的波動與閃變，進而大量吸收與沖擊負荷同時產生的高次諧波。由此可見，無功補償技術在磁飽和可控電抗器的應用不但解決了電壓波動問題，同時，也有效降低了電力能源消耗。

3.5 在電力用戶補償中的應用

為了滿足電力用戶對電力能源的需求，技術人員將無功補償技術引入電氣自動化系統當中，該技術的實際應用，不僅節約了電能，使電力用戶的正常能源消耗得到滿足，而且也給電力用戶節省了大量的費用。需要注意的是，在選擇無功補償方式時，應當結合電力用戶的用電范圍合理進行選擇，也可以結合自動化電氣設備的特點與電能集中使用的時間區間予以確定。比如以安裝電容器的方式為為例，這種方法主要是將電容器安裝在自動化電氣設備當中，并采取分組安裝的形式，使無功補償裝置能夠發揮最大化價值，保證電氣設備的正常運轉。

4 結語

無功補償技術在電氣自動化中的應用開辟了工業生產的嶄新格局，尤其在電氣設備正常運行時，無功補償技術能夠有效提升系統的功率因數，在這種情況下，無功補償裝置能夠及時供給系統運轉時所需的無功功率，進而降低電力能源損失，提高電網運行質量，保障電力系統安全穩定運行。因此，電氣自動化技術與無功補償技術的深度融合不僅是工業生產自動化水平提升的堅實保障，同時，也推進了工業生產企業自動化、智能化、信息化發展進程。