电气自动化中的无功补偿技术的应用意义

张健

摘 要：随着科学技术的发展，电气自动化逐渐向着智能化以及多功能化的方向发展，自动化技术在不同领域中的应用也是越来越广泛，无功功率问题也随着电气自动化系统的普及应运而生。无功补偿技术通过多种途径实现对无功功率的补偿，有效地降低供电设备的线路损耗，并解决电气自动化系统非线性问题，提高了我国供电系统的水平，推动电气自动化的发展。

关键词：电气自动化 无功补偿 功率因数 应用意义

中图分类号：TP183 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）03（a）-0043-02

1 无功补偿技术在电气自动化应用中的实践原理与有效途径

随着电气自动化技术的应用范围逐渐扩展，其在单相电力牵引系统中的应用受到人们的高度重视，但是由于负荷较大，变化复杂以及非线性因素的影响，导致无功功率提升，使得电力系统中注入的谐波也随之增加，对电气自动化运行的安全性造成了一定的影响，同时也使得电气资源的利用效率逐渐降低。通过引入无功补偿技术可有效解决这些问题，保证系统高效率且安全稳定运行。

1.1 实践原理

在电气自动化系统中，电网输出无功功率不会消耗大量的电能，而是将电能转换为另一种形式的能源，这种能源是电气设备保持运行所必备的一种能源，同时在电网运行中，其他能源和电能进行周期性转换也需要这种新型形式的能源作为功率支撑。

在电力系统运行过程中，大部分负载为异步电动机，包括这种异步电动机在内的很多电气设备中的等效电路能够看作是电阻与电感之间的串联电路，其功率因数为false。

将电阻R和电感L进行并联，然后再接入电容，所得到的电路如图1中（a）所示。该电路当中的电流方程为false。具体的电路连接表示如图1中（b）所示。电容在发生并联之后，电压U和电流I的相位差就会缩小，从而使得供电回路的功率因数有所提升。在这种情况下，供电电流I的相位往往会滞后于电压U，人们将这种情况称为欠补偿。

如果电容C存在较大的容量，导致供电电流I的相位超前于电压C，这种情况就称为过补偿，过补偿的向量图如图1中（c）所示。通常在电力系统运行的过程中不希望出现这种现象，主要在于过补偿现象的出现会导致变压器二次电压升高，通过容性无功功率在电力线上的传输，会导致电能的损耗增加，若供电线路的电压因此升高，还会让电容器本身的功率损耗增加，最终对电容器的寿命造成影响。

1.2 有效途径

无功补偿技术在电气自动化中的实践途径有以下几种：

一是真空断路器投切电容器。这种电容器不仅结构简单，而且成本较低，是一种无功补偿的装置。真空断路器具有上万次的机械动作寿命，在运行过程中真空灭弧室触头无需维护，其内部小开距能耐受高电压。在真空断路器投切电路器时常会出现合闸涌流、重燃和非自持破坏性放电三类问题会损坏设备，对投切效果造成影响，由于电容器的开关寿命有限，在具体的应用中如果投切频繁，会影响动态补偿效果。

二是由固定滤波器和可控饱和电抗器组成的无功补偿装置，能够长久投入固定滤波器，可通过调节磁饱和程度使回路中感性电流发生变化以实现其与并联滤波器中多余的容性无功功率的平衡，其缺点是会产生谐波、损耗和较大噪声。

三是由固定滤波器和晶闸管调节电抗器组成的高速无功补偿装置，是目前所有无功补偿技术中的最佳组合，通过串联反并联晶闸管与电抗器，使其与并联滤波器中剩余的容性无功补偿电流达到平衡，以满足功率因数要求，虽然这类装置投入了固定滤波器，不需要较多数量的晶闸管但也会产生谐波。

四是调节速度较快且较为灵活的有源滤波器，这种滤波器使用的装置主要是电子电力装置，装置之间能够产生互相抵消的相位，还能够产生与负荷中谐波电流和负序电流相反的电流，可以满足电源对于电流的要求，同时能够满足电源对于总谐波的要求，但是这种装置与系统不会产生谐振，且价格昂贵。

五是由固定滤波器、电容器、电抗器构成的无功补偿装置，可实现调压、调容、滤波三位一体补偿，主要根据Q=2πfCU2改变电容器端电压来调节无功输出。

除此之外，还有由有源滤波器和无源滤波器组成的尚处于研究阶段的无功补偿装置，充分利用了无源补偿的大容量、有源补偿的可控性以及灵活性，通过有源滤波器产生相位与负荷中谐波电流相反的谐波电流互相抵消，以满足电源总谐波电流要求。

2 无功补偿技术在电气自动化中的应用优势以及应用意义分析

2.1 无功补偿技术的应用优势分析

随着现阶段无功补偿技术的发展和进步，其在电气自动化中的应用优势也越来突出，主要表现为其具有较高的可靠性、较快的反应速度、较好的扩容性和经济性。

最新的无功补偿技术多采用全模块设计，可控电流源，不会产生过电流、不会产生谐波电压放大，满足IGBT功率模块N-1运行方式，一个模块出现故障的情况下，不会影响到整体运行，具有较高的可靠性。此外，还可以通过控制柜对电压的运行进行控制，能够实现电力的调节，从小容量到大容量的过渡只需要较短的时间，能够真正的实现柔性补偿的效果。 投运后安装、调试工作量小，免维护且无须专人职守。

较常用的低电压无功补偿技术采用低电压可控硅控制，正常运行时无需承受高电压、大电流、采用自然冷却即可，投运后可实现免维护，由于其输出电流小、开关频率低，因此运行损耗低。而动态无功补偿，产生较高的经济效益和补偿效果。可控电流源，不会产生过电流和谐波电压放大。

新型无功补偿装置通常采用综合保护策略，可以提高装置的可靠性。保护策略主要包括三级，分别是器件级保护、系统级保护以及装置级保护三种，其中，器件级保护的动作时限在器件出现过流或者是过压的情况时就会及时实施保护，而装置级保护在装置出现过载或者是电流电压较高时，就会实施保护，系统级保护装置可以避免系统出现失压高压或者是冷却现象，在出现这些现状时能够实施保护。无功补偿装置除了实现分级保护外，控制单元还能够为保护单元提供后续力量，监控单元还能够为后备单元提供储备力量。这样一来，一定程度上可以提升综合保护的能力，增强综合保護的稳定性。新型无功补偿装置响应速度快，可以实时跟踪冲击型负荷的波动，进行快速跟踪补偿，所有的负荷无功都由装置提供，系统提供的无功为跟踪系统无功变化，较快的响应速度完全达到快速补偿波动负荷的目的。

装置本体（含启动柜、功率柜、控制柜）户内安装，通过模块化设计，增加功率柜即可实现扩容，可根据实际工况的不通，配置相同的功率柜，在投运的后，也可根据实际的系统无功变化，扩充补偿无功容量。

2.2 应用意义

2.2.1 实际作用

无功补偿技术在电气自动化系统中的作用尤为突出，主要表现为可以提升供电系统以及负载的功率，能够降低设备的容量，减少设备损耗的功率，使得电网的电压更加稳定，对于供电质量的提升也有很大的帮助。特别是在输电线路较长的情况下，在合适的地点设置无功补偿装置，可以增强输电系统的稳定性，增强输电能力。在电气化铁道以及其三相负载不平衡时，采用无功补偿的方式能够平衡三相的无功负载。

2.2.2 物理意义

3505200-60960电气自动化中应用无功补偿技术的物理作用是能够描述能量交换幅度，不会消耗较大的功率。图2为单相阻感负载图，电阻主要消耗的是有功功率，电感能够将其吸收的能量储存起来，然后在电源能源不充足的情况下向电源释放能量，减少了能量的消耗。一般情况下，无功功率的大小则表示的是负载电感与电源之间实现能量交换的幅度。电源向负载提供这种功率是阻感负载内在的需要，同时也对电源的输出带来影响。

图3是带有阻感负载的三相电路，为了和图2对照，假设u、R、L的参数均和图2相同，且为对称三相电路。无功功率的大小表示电源和负载电感之间能量交换的幅度，无功能量在电源和负载之间来回流动，说明各相的无功功率分量（uir）的瞬时值之和在任一时刻都为零。也可认为无功能量是通过阻感负载在三相之间流动的。

2.2.3 经济效益

通过无功补偿技术的应用，一方面可以提升电气自动化系统的水平，增强系统运行的稳定性；另一方面还可以增强整个供电系统的质量，提高系统工作的效率，对于电能消耗的降低具有很大的作用，降低内部配置和线路的损耗和设备损坏，确保电气自动化中电器设备的安全运行。无功补偿技术在电气自动化中应用不仅可以确保能够持续稳定供电，同时也能降低用户的费用。

参考文献

[1] 章军.无功补偿技术在电气自动化中的应用分析[J].电工文摘，2013（4）：36-37.

[2] 葛峰伟.浅析无功补偿技術在电气自动化中的应用[J].电源技术应用，2013（5）：140.