袁鋒

（中鐵四局集團(tuán)電氣化工程有限公司 安徽蚌埠 233030）

無(wú)功電容補(bǔ)償及諧波抑制技術(shù)探討

袁鋒

（中鐵四局集團(tuán)電氣化工程有限公司 安徽蚌埠 233030）

無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)是電力系統(tǒng)節(jié)能降耗管理中經(jīng)常使用的技術(shù)，對(duì)于抵御外界干擾、提高電能質(zhì)量、提升電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率具有重要意義。由于我國(guó)在這方面的研究起步較晚，因此該項(xiàng)技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中還存在很多問(wèn)題，如何更好的實(shí)現(xiàn)無(wú)功電容補(bǔ)償，有效抑制諧波，是電力系統(tǒng)技術(shù)研究者必須要思考的問(wèn)題。本文主要研究了無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑怼⒎椒ㄒ约白詣?dòng)控制裝置，分析了諧波的危害以及諧波抑制技術(shù)。

無(wú)功功率；補(bǔ)償；諧波抑制；技術(shù)

前言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域?qū)﹄娔艿男枨笤絹?lái)越大，對(duì)供電質(zhì)量的要求也越來(lái)越高，而能源危機(jī)也日漸加劇。為了緩解這種矛盾，政府在可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的基礎(chǔ)上提出了轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，鼓勵(lì)各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。為響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，在滿足社會(huì)用電需求的前提下盡量做到能源節(jié)約，有必要對(duì)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行深入研究。實(shí)踐證明該項(xiàng)技術(shù)可以提高電能質(zhì)量，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

1 無(wú)功電容補(bǔ)償研究

1.1 無(wú)功補(bǔ)償原理簡(jiǎn)述

無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的理論依據(jù)是無(wú)功功率，無(wú)功功率是一個(gè)抽象概念，一般在電路電場(chǎng)中發(fā)揮交換作用，將電能轉(zhuǎn)換為其他形式的能量。例如，如果一個(gè)電器設(shè)備中存在電磁線圈，就會(huì)在周?chē)纬纱艌?chǎng)，該磁場(chǎng)會(huì)消耗掉一部分無(wú)功功率。在一個(gè)并聯(lián)電路中，一條線路安裝容性功率負(fù)荷，另一條線路安裝感性功率負(fù)荷，這兩種負(fù)荷就會(huì)實(shí)現(xiàn)能量交換，其中一條線路運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的功率就可以通過(guò)另一條線路來(lái)補(bǔ)償，這就是無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的原理。值得注意的是，電容雖然具備抵抗諧波能力，但是這種能力是有限的，如果諧波過(guò)大，電容容抗就會(huì)受到影響，系統(tǒng)電流很有可能會(huì)長(zhǎng)時(shí)間偏大，縮短電容使用壽命。因此在補(bǔ)償無(wú)功的過(guò)程中，如果檢測(cè)到周?chē)嬖谳^大諧波，就要想辦法對(duì)諧波進(jìn)行抑制[1]。

1.2 無(wú)功電容補(bǔ)償?shù)姆椒ㄑ芯?/p>

目前經(jīng)常采用的無(wú)功補(bǔ)償方法有三種：

（1）低壓個(gè)別補(bǔ)償，電容器與用電設(shè)備之間并接，斷路器同時(shí)為二者服務(wù)。如果設(shè)備的容量較大，且需要長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，比較典型的就是大型異步電動(dòng)機(jī)，就適合選擇這種補(bǔ)償方式。低壓個(gè)別補(bǔ)償?shù)膬?yōu)勢(shì)有很多：①補(bǔ)償過(guò)程與設(shè)備的運(yùn)行同步，一旦設(shè)備停運(yùn)，補(bǔ)償也馬上停止，因此不必?fù)?dān)心無(wú)功倒送問(wèn)題；②安裝、管理和維護(hù)都比較簡(jiǎn)便，不需要很大的投資，故障率也不高。

（2）低壓集中補(bǔ)償，就是將低壓電容器與變壓器低壓母線直接相連，當(dāng)無(wú)功負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，電容器就會(huì)進(jìn)行自動(dòng)投切發(fā)揮作用。低壓集中補(bǔ)償是目前應(yīng)用最為廣泛的無(wú)功補(bǔ)償方式，一方面因?yàn)榻泳€方式非常簡(jiǎn)單，維護(hù)方便；另一方面是因?yàn)槠淇梢杂行Ы档蛽p耗，提升配變利用率。這種補(bǔ)償方式最大的特點(diǎn)就是投切過(guò)程是整組進(jìn)行的，因此沒(méi)有辦法進(jìn)行平滑的調(diào)節(jié)。

（3）高壓集中補(bǔ)償，就是將高壓電容器與高壓母線直接相連，高壓母線上的電壓在6～10kV之間。如果用戶與變配電所之間的距離較遠(yuǎn)，同時(shí)用戶的電壓負(fù)荷較高時(shí)，就可以選擇這種方式。當(dāng)負(fù)荷大小發(fā)生變化時(shí)，引起高壓母線電壓波動(dòng)超出正常范圍，電容補(bǔ)償裝置就會(huì)根據(jù)保護(hù)設(shè)置自動(dòng)投切，提高功率因數(shù)，保證供電質(zhì)量，取得良好的補(bǔ)償效益[2]。

1.3 無(wú)功補(bǔ)償自動(dòng)控制裝置研究

無(wú)功補(bǔ)償自動(dòng)控制裝置的組成比較復(fù)雜，包括單機(jī)片、時(shí)鐘芯片以及顯示器等，每一種硬件裝置都有自身的作用。在對(duì)無(wú)功補(bǔ)償進(jìn)行控制的過(guò)程中，有一個(gè)非常關(guān)鍵的步驟就是對(duì)電路的相位差進(jìn)行檢測(cè)，得出功率因數(shù)，因?yàn)樘岣吖β室驍?shù)是進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹匾繕?biāo)。對(duì)功率因數(shù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)有兩種方法：①對(duì)同一相的電流和電壓進(jìn)行測(cè)量，得到電位差；②其中一相測(cè)量線電壓，另一相則測(cè)量線電流，得到電位差。無(wú)論采用哪種方法，都使用如圖1所示的電路。電流互感器所輸出的電流表現(xiàn)出正弦交流的特征，大小在0～5mA之間，電流流經(jīng)電阻后，輸出電壓，其中電阻大小為1kΩ，電壓大小為0～5V之間，最終，電壓和電流會(huì)同時(shí)流到比較器中，最終以對(duì)稱(chēng)方波的形式輸出，周期為20ms。

圖1 相位差檢測(cè)電路圖

2 諧波抑制技術(shù)研究

2.1 諧波的危害

諧波產(chǎn)生的根本原因就是非線性負(fù)載，當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時(shí)，如果其與電壓沒(méi)有表現(xiàn)出線性關(guān)系，就會(huì)產(chǎn)生非正弦電流，諧波就是在這種情況下產(chǎn)生的。諧波有很大的危害性，具體體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）諧波會(huì)導(dǎo)致線路產(chǎn)生額外損耗。出于臨近效應(yīng)和集膚效應(yīng)，供電線路中的感性電阻會(huì)發(fā)生變化，頻率越高，電阻就越大，產(chǎn)生不必要的電能浪費(fèi)。如果線路中不存在諧波，中性線中流過(guò)的電流非常小，這是中性線比一般導(dǎo)線更細(xì)的原因，但是一旦線路中出現(xiàn)較大的諧波，就會(huì)流入到中性線中，出現(xiàn)過(guò)熱問(wèn)題，縮短中性線的使用壽命，嚴(yán)重者中性線會(huì)被直接損壞。

（2）系統(tǒng)中出現(xiàn)諧波時(shí)，很多電器設(shè)備的運(yùn)行都會(huì)受到影響，例如，發(fā)電機(jī)中的旋轉(zhuǎn)電機(jī)會(huì)在諧波的影響下產(chǎn)生附加功率：①產(chǎn)生過(guò)熱現(xiàn)象，影響使用壽命；②產(chǎn)生噪聲，對(duì)工作環(huán)境造成影響。

（3）電容器有可能會(huì)在諧波的作用下產(chǎn)生諧振，正常情況下，電力系統(tǒng)中的感抗（XL＝2πfL）要明顯大于電容器的容抗（Xc＝1/2πfC），因此不會(huì)出現(xiàn)諧振問(wèn)題。出現(xiàn)諧波以后，系統(tǒng)中的容抗抗值會(huì)在短時(shí)間內(nèi)成倍增加，電容器感抗則會(huì)在短時(shí)間內(nèi)成倍降低，諧振問(wèn)題由此產(chǎn)生。在諧振的作用下，諧波電流會(huì)被放大，電容器很有可能被損壞。

（4）諧波有可能對(duì)會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的判斷產(chǎn)生干擾，產(chǎn)生誤動(dòng)作，影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。另外，其還會(huì)對(duì)附近區(qū)域的通信網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生干擾，降低通信質(zhì)量，影響附近住戶的正常生活[3]。

2.2 諧波的檢測(cè)及抑制

2.2.1 基本原理

諧波檢測(cè)的主要目的就是看電力系統(tǒng)中哪些位置容易出現(xiàn)諧波，有什么樣的變化規(guī)律，并將這些信息作為依據(jù)制定諧波抑制方案，一方面是對(duì)電容器進(jìn)行保護(hù)，另一方面是對(duì)供電質(zhì)量進(jìn)行控制，防止無(wú)功補(bǔ)償過(guò)程中由于過(guò)電壓導(dǎo)致電容投切不合理，影響補(bǔ)償效果。例如，如果系統(tǒng)中的諧波電流不大，可以發(fā)揮濾波器的作用，將這些諧波電流直接消除。如果諧波電流較大，已經(jīng)超過(guò)了規(guī)定值，需要將電容器暫時(shí)切除，等到諧波電流降低至允許值以下時(shí)再將電容器投入。電力系統(tǒng)中，需要并聯(lián)一個(gè)高頻濾波電容器，其主要發(fā)揮兩個(gè)作用：①進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，降低損耗；②直接對(duì)諧波進(jìn)行抑制。

2.2.2 高壓交流濾波技術(shù)

高壓濾波單元的接線方式如圖2所示，諧波抑制原理如下：系統(tǒng)送電過(guò)程中，如果產(chǎn)生過(guò)電壓，R1和C1就會(huì)將其吸收。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，工頻過(guò)電壓峰值為50Hz，工頻電流流過(guò)前兩個(gè)電感線圈，向C-3W1充電時(shí)，表現(xiàn)出低阻抗的特征，這樣電抗器兩端壓降就會(huì)明顯降低，避免不必要的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。此時(shí)線路中如果出現(xiàn)諧波，電感線圈之間就會(huì)表現(xiàn)出高阻抗的特征，電容器中的電流就會(huì)被抑制，無(wú)法按照計(jì)劃增加。如果諧波過(guò)大，導(dǎo)致諧波電壓超過(guò)了正常值，真空接觸器的觸頭就會(huì)被斷開(kāi)，電容器暫時(shí)被隔離，不參與運(yùn)行。而電阻和電抗器之間是并聯(lián)關(guān)系，二者并聯(lián)后再和電容串聯(lián)，然后繼續(xù)運(yùn)行。這樣不僅可以有效抑制濾波，同時(shí)可以達(dá)到理想的無(wú)功補(bǔ)償效果。

圖2 高壓濾波單元示意圖

3 總結(jié)

隨著能源危機(jī)的加劇和社會(huì)用電需求的增加，無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的推廣應(yīng)用已經(jīng)成為一種必然。而當(dāng)前電力系統(tǒng)中應(yīng)用到很多電力電子元件，導(dǎo)致系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波，影響電力設(shè)備以及電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。本文主要針對(duì)以上問(wèn)題開(kāi)展研究，提出了無(wú)功電容補(bǔ)償方法以及諧波檢測(cè)和抑制技術(shù)。

[1]彭勁杰，樊曉平.新型連續(xù)無(wú)功補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)與仿真[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2013，10（15）01：86～90+101.

[2]王明全.帶諧波抑制的無(wú)功補(bǔ)償理論分析及設(shè)計(jì)應(yīng)用[J].建筑電氣，2013，14（16）04：20～26.

[3]何軍.電力電子技術(shù)與諧波抑制、無(wú)功功率補(bǔ)償技術(shù)研究綜述[J].電子技術(shù)與軟件工程，2016，5（8）01：243.

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