无功补偿技术在电气自动化中的应用

2019-04-17陈泓亦

通信电源技术 2019年3期

关键词：投切功率因数电容器

陈泓亦

（吉林建筑大学城建学院电气信息工程学院，吉林长春 130021）

0 引言

无功补偿是无功功率补偿的简称，是一种可以提高功率因数，降低变压器与线路实际损耗的技术。通过合理应用这项技术，能从根本上改善供电环境，保证供电质量。

1 无功补偿

1.1 原理

从电网中输出的功率主要包括两部分。第一，有功功率。它是保持用电设备正常运行所需的电功率，即将电能转换为其他形式能量的电功率，如声能、热能和机械能等。第二，无功功率。虽然它也消耗电能，但仅将电能转换成另外一种形式的能，是电气设备可以实现作功的基本条件。同时，该能在电网中可以和电能在一定周期内进行转换[1]。

1.2 意义

第一，对无功功率进行补偿，能增加有功功率对应的比例常数。

第二，能减少发电设备及供电设备的容量，降低投资。比如，功率因数从0.8变为0.95时，安装容量为1 kVar的电容器能降低近0.52 kW的容量；相反，如果容量增加0.52 kW，则从原有设备的角度来讲，将极大提高容量。基于此，对新建工程和改建工程而言，需要充分考虑无功补偿，尽可能减少容量，实现节省投资的目标。

第三，有效降低线损。

其中，ΔP为线损，cosΦ是完成补偿以后得到的功率因数，cosθ是补偿以前的功率因素。因为cosΦ＞cosθ，所以提高功率因数能降低线损率与容量，节省投资，提高有功功率的实际输送比例，提升企业综合效益。由于功率因数是考核经济效益的关键指标，因此重视并全面实现无功功率至关重要。

1.3 方式

电网中，主要有三种无功补偿方式：第一，集中补偿，即在配电线路中安装并联电容器组；第二，分组补偿，即在配变低压侧与用户车间的配电屏中安装并联电容器；第三，就地补偿，即在单台电动机位置安装并联电容器。通过安装无功补偿设备，除了能降低功率消耗、保证功率因数外，还能挖掘设备输送功率的能力。

确定无功补偿容量时需充分考虑下列两点：第一，轻负荷的条件下，应防止过补偿，如果倒送无功，会明显增加功率损耗，经济性差；第二，随着功率因数的不断提高，补偿具有的减少损耗能力将逐渐减小，因此提高功率因数时一般不能超过0.95。对就地补偿而言，它的容量可以采用式（2）计算：

式（2）中，Q表示无功补偿容量，单位为kVar；U表示额定电压值，单位为V；I0表示空载电流值，单位为A。但是，就地补偿存在一定缺点，无法取代低压分组与高压集中补偿。如果按照安装位置及接线方式，可将无功补偿分成高压集中、低压分组和低压就地三种。低压就地补偿的面积最大，补偿效果最佳，但容量大于其他两种，且电容器的实际利用率很低。高压集中与低压分组两种方式的容量很小，利用率很高，能补偿变压器的无功损耗。可见，以上补偿方式各有其对应的使用范围，需根据实际情况选择。

2 电气自动化中无功补偿技术的应用

2.1 变电站应用无功补偿技术

为保证电网无功达到平衡，需在变电站开展集中补偿，常采用静止补偿器、并联电容器和同步调相机三种补偿装置。其主要目的在于保持电网无功平衡，改善功率因数，保证终端变电所母线侧电压，补偿变电站主变及输电线路的无功损耗。补偿装置通常集中和母线相接，便于管理和维护，但对10 kV配网而言，无法起到应有的降损作用[2]。

2.2 配电线路应用无功补偿技术

线路无功补偿指采用电容器进行无功补偿。线路中，补偿点不能太多，控制方式需要尽量简化处理，通常不进行分组投切，补偿容量不能太大，以免造成过补偿。对保护而言，应尽量简化，将避雷器及熔断器等作为过压及过流保护。采用线路补偿的方式，可以为线路及公用变提供必要无功，不仅回收较快、成本低，而且管理与维护较为方便，尤其适用于负荷较重且功率因数低的较长线路。但是，线路补偿存在适应能力不足，重载条件下补偿效果较差等缺点。

城市及农网供电系统中，因为用户以单相负荷为主，且负荷大小与用电时间有所不同，所以电网中必然存在不平衡电流。这种不平衡还没有规律性可循，很难事先预知，导致系统在很长一段时间内处于不平衡状态。针对不平衡电流，从电力部门角度来讲，除了合理分配负荷外，基本没有其他有效的解决方式。不平衡电流会明显增加铜损和变压器铁损，降低出力，严重时还会威胁到变压器实际运行的安全性，导致三相电压无法保持平衡。

采用无功补偿的方式，能解决上述问题。除了能对线路进行无功补偿，还能对有效调整有功电流，将三相功率因数补偿至1，进而使三相电流保持平衡。从实践效果来看，正确使用无功补偿后，能将功率因数至少补偿到0.95，并确保不平衡电流小于额定电流的1/10[3]。

2.3 电气自动化应用无功补偿技术

2.3.1 随机补偿应用

随机补偿实际上是并接电动机和低压电容器组，控制装置及保护装置和电动机一同投切。县级配电网中，绝大部分无功功率都来源于电动机。因此，对电动机进行有效无功补偿，能使无功实现就地平衡，在减少损耗的基础上提高出力。该补偿方式的主要优点为用电设备正常运行过程中，无功补偿正常投入；设备停运后，无功补偿退出，能更大限度降低投资、减小占地、简化安装、方便配置和降低事故发生率。随机补偿在电动机补偿中尤其适用，主要补偿励磁无功，有效限制配网的无功峰荷。对年运行时长超过1 000 h的电动机而言，建议采用这种补偿方式，更加经济有效。

2.3.2 随器补偿应用

随器补偿是把低压电容器在低压熔断器的基础上与配变实现二次侧相接，对配变空载进行无功补偿。当配变处于轻载或者空载状态时，无功负荷为空载励磁无功。该补偿方式的主要优势为接线简单，便于维护和管理，可以有效补偿配变空载无功，限制无功基荷，确保无功能够实现就地平衡，保证配电实际利用率，减小网损，使功率因素达到要求，从根本上改善电压质量，是当前最常用、最有效的补偿手段。但是，这种补偿方式存在投资相对较大，运维工作量大的缺点。

2.3.3 跟踪补偿应用

跟踪补偿将投切装置作为主要的控制与保护装置，将低压电容器组补偿在用户配变低压侧。该补偿方式的作用如同随器补偿，常用在不小于100 kVA的配变用户中。这种补偿方式能跟踪无功负荷发生的变化，运行方式十分灵活，具有良好的补偿效果。但是，其费用往往较高，并且所需投切装置的结构较为复杂，一旦有元件发生故障和损坏，会导致电容器无法顺利投切。因此，跟踪补偿主要用于容量与负荷相对较大的配变。

2.3.4 无功分散补偿应用

配网中，无功分散补偿以配变为主要补偿对象，需要将补偿装置安装于配变低压引线部位。但是，因为电容器的容量相对较小，所以无法考虑合闸涌流和过电压等造成的影响，难以配置有效的保护装置。很多情况中，低压电容器都设置在配变低压出线杆横担，若电容器相对较大，还要在出线杆上额外安装小支架，以此固定低压电容器。根据补偿线路实际情况和相关数据，确定电容器具体规格与数量，选择适宜的辅助材料，从而得出最终预算，使低压电容器顺利安装，并充分发挥应有的作用和效果。

2.3.5 电容器和固定滤波器相结合

调控变压器低压端母线电压，将其和低压母线电抗器相连，实现无功功率转换。调整过程中，借助晶闸管进行切断，防止电气使用寿命受到影响。电力系统运行中，还可采用先进设备保持无功功率的稳定性，并发挥过滤谐波的作用。电容器和固定滤波器之间的结合形式如图1所示。