浅谈无功补偿设计与装置

李连尉 程宣玮 李汉孟

摘 要：无功补偿装置因其自身优点被越来越多的变电站工程项目应用。本文将对无功补偿设计进行研究，并重点从无功补偿电容器和无功补偿发生器两方面对无功补偿装置进行论述。

关键词：无功补偿;电容器;谐波

无功补偿装置能够有效提升变电站的功率因数，并消除谐波，革新旧有的调节方式。这使其成为提升供电质量的优质选择，在越来越多的变电站建设工程中被推广应用。

1 无功补偿设计

无功补偿应采用分区和分层补偿的方法进行有效平衡，防止无功电力出现越级传输和长途输送的问题;其中，分区为分地区，分层为按电压等级分层。依照中华人民共和国能源部1989年发布的《电力系统电压和无功电力技术到则》，应依照以下原则进行无功补偿和电压调节：集中补偿和分散补偿相结合;用户补偿和电力补偿相结合;总体平衡和局部平衡相结合;电压调节和降低损耗相结合，以降损为主。其中的集中补偿和分散补偿相结合原则以分散补偿为主，集中补偿是集中将大容量的补偿电容器安装设置在变电所;分散补偿在配电电压器、用户电力设备和配电线路较为分散的负荷取区域进行无功补偿。集中补偿通过集中补偿主变压器的损耗，降低其输电线路上的无功电力，减少供电网络的无功。

无功补偿设计具体需遵循以下两个原则：以220kV變电站的无功补偿设计为例。

其一，无功补偿设计应秉承着最大容性无功量原则，针对变电站初始负荷极限值所产生的功率进行细致分析，由此保证变电站获得无功补偿。通常情况下，经过无功补偿后，变电站输电线路将呈现较为显著的经济性特征。根据相关数据可知：当输电线路的电能输送距离低于100km时，功率因素可确定为0.92，而在达到200km时，功率因素可选取096，这样才能实现无功补偿的合理化设计。

其二，轻载容性无功补偿，在这种原则的驱使下，变电站负荷属于轻载负荷，此时理应明确变电站处于轻载负荷状态下所形成的功率因数，之后再根据有功功率计算出变电站实际运行最低负荷，若无法通过计算得到准确结果，可将20%极限负荷值当成最低负荷值，最终可结合变电站负荷得出轻载容性无功设计容量。

其中在计算变电站负荷时，为了得到可靠的无功补偿设计容量，还应保证变电站负荷数据的真实性。一般在无功补偿设计环节，可根据下述标准对其设计容量加以预估：针对500kV变电站，其设计容量应为10%或20%主变容量，而220kV变电站应取10%到25%范围内的主变容量，由此可知晓无功补偿设计容量，也能为后续无功补偿装置正常运行提供重要参考依据。

2 无功补偿装置

2.1 无功补偿电容器

当前，我国无功补偿电容器的应用广泛。补偿无功功率的传统方法为设置无功补偿电容器。并联无功电容补偿器的优势明显，其维护简便，结构简单，成本低廉。当连接电容C时，经过电感L的电流为IL，经过电阻R的电流为IR，电源产生的电流为I1，此时功率因数为cosφ1，其相位角为φ1。若并联电容器C同负载或电源设备相连（并联），则负载或电源设备的无功功率或将全部来自并联电容器，其负载由并联电容器消耗的感性无功功率补偿[1]。当接入电容C后，由于电感电流IL同电容电流IC的方向相反，电源提供的电流从I1变为I2，相角由φ1变为φ2，其功率因数从cosφ1提升为cosφ2。由于并联电容器成本低廉、安装简便、原理简单，目前大多数变电站都使用10kV、35kV和66kV等级的并联电容器。并联电容器只能供给固定容量的无功，其装置体积与无功补偿容量正相关。并联电容器作为无功补偿装置，借助断路器将电容器与电网相连，在当前配电网络中得到了最为广泛的应用。电容器产生的感性电流落后电网电压的数值与容性电流超过电网电压的数值相同，同时电网中的负荷为感性，感性电流同容性电流相互抵消，实现无功补偿。为防止浪涌电流时的电容输入，在反应器的一段设置容量一定的电容器以减弱开关过电电流和开关电压的影响。无功补偿电容器容易受到电网和电网谐波的影响，其原因可能是电感的谐振放大谐波产生过电电压。

2.2 无功静止发生器

将SVC动态高压无功补偿装置接入系统中，通过补偿电抗器的电流影响补偿电抗器产生感性无功的大小，电容器产生固定的容性无功QC，容性无功和感性相抵消，只要实现QN=QV-QC+QTCR=0，能够实现电压波动、电网功率因数为常数。关键在于准确把控晶闸管的出发，确保得到补偿电流。收集电压无功电流价值，设置恒定无功功率值，无功功率的综合值，触发角的数值，计算晶流过晶闸管的电流值。采用STEINMETS理论阶段性调整不对称负载，实现三相电网平衡。

将电抗器和两个反并联的晶闸管串联形成TCR。若晶闸管的控制角α处于90°至180°时，晶闸管的受控导通。以基础网络电压不变为基础，加强相应控制，则角度将变少，以此减弱无功功率设备的感性。以上每条变化曲线表示TCR在特定角度下的伏安特性。SVC（静止无功补偿）装置主要分为三种，晶闸管投切电容器型、晶闸管相控电抗器和晶闸管相控电抗器和晶闸管投切电容器混合型。晶闸管投切电容器型依照负载感性变化。在系统的实际运行过程中，各电容器连接相应的阻尼反应堆，减弱晶闸管电流的影响，防止出现共振和系统阻抗的现象。电容器组可控硅的优势在于电容器数值为零电流和谐波电流，因此不会产生谐波。由于TSC在运转过程中不会产生谐波且损耗较少，其在电力系统的应用较为广泛。TCR的晶闸管触发角波动范围为90°到180°[2]。若扩大触发角，则TCR的等效纳变大，进而减少其基波分量;同时，电抗器电路由额定值向零值进行变动。因此借助触发角的变动更改TCR吸收的无功分量，以达到无功补偿的效果。SVC由TCR与固定电容器（FC）并联而成，其运转可靠性强，能够调节无功功率，具备成熟的分相控制技术，应用范围广，成本低廉。这种类型的静止无功补偿装置的应用最为广泛，各地配电网络总是采用这种形式。混合型的基本原理为，向对应的电容器组供电，并提供少量补偿，进而使系统电压达到预期水平。但是，此类型反应速度慢，感知条件会产生谐波缺陷。

2.3 无功补偿控制器

目前，许多电力系统在实际运行期间都会产生无功功率，由此造成功率因数下降，不利于提供高质量供电服务。对此，为了实现无功补偿，应在设计无功补偿装置时应用无功补偿控制器，通过有效把控电容器切入情况达到最优化无功补偿效果。

具体包括以下是四个部分：

第一，采集信号，在信号采集阶段，应先行通过互感器进行信号转化，使其成为高速供电信号，这样才能在无功补偿控制器的支持下实现良好的无功补偿。其中在每个信号输入通道中都设有16为信号寄存装置，并按照100000次/s的转换率保证采集信号传递足够及时。

第二，同步采样，当采集信号经过滤波处理后将产生同步方波，此时可对其进行时间间隔的调整，以此掌握电力信号的采集规律，并且实现同步采样，以免形成频谱，引发无功补偿无效现象。

第三，驱动器件，在无功补偿控制器中所采用的驱动器件是指线性光耦，通过该驱动器件可在触发电平情况下实现电能的顺利输送，这种方法能够帮助电力企业节约一定投入成本，且操作简单。

第四，通信技术，无功补偿控制器作为无功补偿装置设计过程中的重要部分，它还应当应用通信技术实现数据实时传输。以RS-485端口为例，在通信技术实际应用期间可保证1219m范围内的电力数据得到有效传递，故而值得在无功补偿控制器中积极应用。

2.4 智能空心电抗器

空心电抗器的应用较为普遍，但就目前实际情况来看，空气电抗器散热性仍有待加强。为了保证无功补偿装置免受电源监测不到位的侵扰，可在原有空心电抗器基础上提高智能化水平，促使电力系统在运行期间获得良好的继电保护。其中应针对空心电抗器实施直流电供应，这样可随时观测到电源数据变化情况。从空心电抗器中可知晓：该装置存在多个电磁体，可通过电磁体的电磁感应对空心电抗器性能加以优化，这样才能促使无功补偿装置在空心电抗器协助下发挥出真正的无功补偿效用。

具体方法如下：

（1）消除电磁干扰。一般情况下，可将铁芯变换成“X”形状，但由于空心电抗器中并没有铁芯，故而可采用调整铁磁材料摆位的方式，保证空心电抗器能够获得稳定的电源供应，由此促使无功补偿装置具有较强的抗干扰性。

（2）安装智能温控系统，空心电抗器要想在無功补偿装置设计期间展现出真正的价值，还应依据智能温控系统针对空心电抗器产生的温度变化值予以监控，一旦超温将立即发出预警，以免烧毁器件，影响无功补偿装置的正常使用效果。

2.5 自动补偿系统

在无功补偿装置设计期间应借助自动补偿系统增强该装置实用性，以免影响供电质量。其中应从软件与硬件设施两部分着手：

其一，其中软件设施可通过安装主控程序对三相电压信号予以控制，并且还应设有人机交互界面，保证电力信号的顺利转换。同时，还应设置信号识别模块，进而增加信号传递的精准度。此外，还应在无功补偿装置中放置自带定时功能的芯片，可对自动补偿系统的运行性能起到强化作用，实现无功补偿装置的自动化控制。

其二，在硬件设施部分，设计者可选用与自动补偿系统对应的控制器，并通过编程操控的方式保证无功补偿装置在信号采集等多个模块精准控制电力信号。当电容较大时，可通过分时通断法对直流电流进行合理转换，促使电网运行期间能够及时消除谐波，实现无功补偿。只有无功功率得到有效处理，才能促进电网运行的高质量发展，为人们带来优质用电体验。

3 结语

综上所述，无功补偿设计和无功补偿装置包含的无功补偿电容器和无功静止发生器能够有效提升变电站的功率因数，并消除谐波，更改原有的调节方式。通过对无功补偿设计与装置的研究能够更好地促进配电网络的发展。

参考文献：

[1]毛海龙.SVC自动无功补偿系统装置的设计[J].机械管理开发，2020，35，01：54-55+93.

[2]高三策.SVG无功补偿装置的设计与实现[D].东北农业大学，2019.