張健

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電氣自動(dòng)化逐漸向著智能化以及多功能化的方向發(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用也是越來(lái)越廣泛，無(wú)功功率問(wèn)題也隨著電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的普及應(yīng)運(yùn)而生。無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)通過(guò)多種途徑實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)功功率的補(bǔ)償，有效地降低供電設(shè)備的線(xiàn)路損耗，并解決電氣自動(dòng)化系統(tǒng)非線(xiàn)性問(wèn)題，提高了我國(guó)供電系統(tǒng)的水平，推動(dòng)電氣自動(dòng)化的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：電氣自動(dòng)化 無(wú)功補(bǔ)償 功率因數(shù) 應(yīng)用意義

中圖分類(lèi)號(hào)：TP183 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）03（a）-0043-02

1 無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在電氣自動(dòng)化應(yīng)用中的實(shí)踐原理與有效途徑

隨著電氣自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)展，其在單相電力牽引系統(tǒng)中的應(yīng)用受到人們的高度重視，但是由于負(fù)荷較大，變化復(fù)雜以及非線(xiàn)性因素的影響，導(dǎo)致無(wú)功功率提升，使得電力系統(tǒng)中注入的諧波也隨之增加，對(duì)電氣自動(dòng)化運(yùn)行的安全性造成了一定的影響，同時(shí)也使得電氣資源的利用效率逐漸降低。通過(guò)引入無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)可有效解決這些問(wèn)題，保證系統(tǒng)高效率且安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1.1 實(shí)踐原理

在電氣自動(dòng)化系統(tǒng)中，電網(wǎng)輸出無(wú)功功率不會(huì)消耗大量的電能，而是將電能轉(zhuǎn)換為另一種形式的能源，這種能源是電氣設(shè)備保持運(yùn)行所必備的一種能源，同時(shí)在電網(wǎng)運(yùn)行中，其他能源和電能進(jìn)行周期性轉(zhuǎn)換也需要這種新型形式的能源作為功率支撐。

在電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，大部分負(fù)載為異步電動(dòng)機(jī)，包括這種異步電動(dòng)機(jī)在內(nèi)的很多電氣設(shè)備中的等效電路能夠看作是電阻與電感之間的串聯(lián)電路，其功率因數(shù)為false。

將電阻R和電感L進(jìn)行并聯(lián)，然后再接入電容，所得到的電路如圖1中（a）所示。該電路當(dāng)中的電流方程為false。具體的電路連接表示如圖1中（b）所示。電容在發(fā)生并聯(lián)之后，電壓U和電流I的相位差就會(huì)縮小，從而使得供電回路的功率因數(shù)有所提升。在這種情況下，供電電流I的相位往往會(huì)滯后于電壓U，人們將這種情況稱(chēng)為欠補(bǔ)償。

如果電容C存在較大的容量，導(dǎo)致供電電流I的相位超前于電壓C，這種情況就稱(chēng)為過(guò)補(bǔ)償，過(guò)補(bǔ)償?shù)南蛄繄D如圖1中（c）所示。通常在電力系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中不希望出現(xiàn)這種現(xiàn)象，主要在于過(guò)補(bǔ)償現(xiàn)象的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致變壓器二次電壓升高，通過(guò)容性無(wú)功功率在電力線(xiàn)上的傳輸，會(huì)導(dǎo)致電能的損耗增加，若供電線(xiàn)路的電壓因此升高，還會(huì)讓電容器本身的功率損耗增加，最終對(duì)電容器的壽命造成影響。

1.2 有效途徑

無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在電氣自動(dòng)化中的實(shí)踐途徑有以下幾種：

一是真空斷路器投切電容器。這種電容器不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且成本較低，是一種無(wú)功補(bǔ)償?shù)难b置。真空斷路器具有上萬(wàn)次的機(jī)械動(dòng)作壽命，在運(yùn)行過(guò)程中真空滅弧室觸頭無(wú)需維護(hù)，其內(nèi)部小開(kāi)距能耐受高電壓。在真空斷路器投切電路器時(shí)常會(huì)出現(xiàn)合閘涌流、重燃和非自持破壞性放電三類(lèi)問(wèn)題會(huì)損壞設(shè)備，對(duì)投切效果造成影響，由于電容器的開(kāi)關(guān)壽命有限，在具體的應(yīng)用中如果投切頻繁，會(huì)影響動(dòng)態(tài)補(bǔ)償效果。

二是由固定濾波器和可控飽和電抗器組成的無(wú)功補(bǔ)償裝置，能夠長(zhǎng)久投入固定濾波器，可通過(guò)調(diào)節(jié)磁飽和程度使回路中感性電流發(fā)生變化以實(shí)現(xiàn)其與并聯(lián)濾波器中多余的容性無(wú)功功率的平衡，其缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生諧波、損耗和較大噪聲。

三是由固定濾波器和晶閘管調(diào)節(jié)電抗器組成的高速無(wú)功補(bǔ)償裝置，是目前所有無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)中的最佳組合，通過(guò)串聯(lián)反并聯(lián)晶閘管與電抗器，使其與并聯(lián)濾波器中剩余的容性無(wú)功補(bǔ)償電流達(dá)到平衡，以滿(mǎn)足功率因數(shù)要求，雖然這類(lèi)裝置投入了固定濾波器，不需要較多數(shù)量的晶閘管但也會(huì)產(chǎn)生諧波。

四是調(diào)節(jié)速度較快且較為靈活的有源濾波器，這種濾波器使用的裝置主要是電子電力裝置，裝置之間能夠產(chǎn)生互相抵消的相位，還能夠產(chǎn)生與負(fù)荷中諧波電流和負(fù)序電流相反的電流，可以滿(mǎn)足電源對(duì)于電流的要求，同時(shí)能夠滿(mǎn)足電源對(duì)于總諧波的要求，但是這種裝置與系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生諧振，且價(jià)格昂貴。

五是由固定濾波器、電容器、電抗器構(gòu)成的無(wú)功補(bǔ)償裝置，可實(shí)現(xiàn)調(diào)壓、調(diào)容、濾波三位一體補(bǔ)償，主要根據(jù)Q=2πfCU2改變電容器端電壓來(lái)調(diào)節(jié)無(wú)功輸出。

除此之外，還有由有源濾波器和無(wú)源濾波器組成的尚處于研究階段的無(wú)功補(bǔ)償裝置，充分利用了無(wú)源補(bǔ)償?shù)拇笕萘?、有源補(bǔ)償?shù)目煽匦砸约办`活性，通過(guò)有源濾波器產(chǎn)生相位與負(fù)荷中諧波電流相反的諧波電流互相抵消，以滿(mǎn)足電源總諧波電流要求。

2 無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在電氣自動(dòng)化中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)以及應(yīng)用意義分析

2.1 無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析

隨著現(xiàn)階段無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，其在電氣自動(dòng)化中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)也越來(lái)突出，主要表現(xiàn)為其具有較高的可靠性、較快的反應(yīng)速度、較好的擴(kuò)容性和經(jīng)濟(jì)性。

最新的無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)多采用全模塊設(shè)計(jì)，可控電流源，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)電流、不會(huì)產(chǎn)生諧波電壓放大，滿(mǎn)足IGBT功率模塊N-1運(yùn)行方式，一個(gè)模塊出現(xiàn)故障的情況下，不會(huì)影響到整體運(yùn)行，具有較高的可靠性。此外，還可以通過(guò)控制柜對(duì)電壓的運(yùn)行進(jìn)行控制，能夠?qū)崿F(xiàn)電力的調(diào)節(jié)，從小容量到大容量的過(guò)渡只需要較短的時(shí)間，能夠真正的實(shí)現(xiàn)柔性補(bǔ)償?shù)男Ч?投運(yùn)后安裝、調(diào)試工作量小，免維護(hù)且無(wú)須專(zhuān)人職守。

較常用的低電壓無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)采用低電壓可控硅控制，正常運(yùn)行時(shí)無(wú)需承受高電壓、大電流、采用自然冷卻即可，投運(yùn)后可實(shí)現(xiàn)免維護(hù)，由于其輸出電流小、開(kāi)關(guān)頻率低，因此運(yùn)行損耗低。而動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，產(chǎn)生較高的經(jīng)濟(jì)效益和補(bǔ)償效果?？煽仉娏髟矗粫?huì)產(chǎn)生過(guò)電流和諧波電壓放大。

新型無(wú)功補(bǔ)償裝置通常采用綜合保護(hù)策略，可以提高裝置的可靠性。保護(hù)策略主要包括三級(jí)，分別是器件級(jí)保護(hù)、系統(tǒng)級(jí)保護(hù)以及裝置級(jí)保護(hù)三種，其中，器件級(jí)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限在器件出現(xiàn)過(guò)流或者是過(guò)壓的情況時(shí)就會(huì)及時(shí)實(shí)施保護(hù)，而裝置級(jí)保護(hù)在裝置出現(xiàn)過(guò)載或者是電流電壓較高時(shí)，就會(huì)實(shí)施保護(hù)，系統(tǒng)級(jí)保護(hù)裝置可以避免系統(tǒng)出現(xiàn)失壓高壓或者是冷卻現(xiàn)象，在出現(xiàn)這些現(xiàn)狀時(shí)能夠?qū)嵤┍Ｗo(hù)。無(wú)功補(bǔ)償裝置除了實(shí)現(xiàn)分級(jí)保護(hù)外，控制單元還能夠?yàn)楸Ｗo(hù)單元提供后續(xù)力量，監(jiān)控單元還能夠?yàn)楹髠鋯卧峁﹥?chǔ)備力量。這樣一來(lái)，一定程度上可以提升綜合保護(hù)的能力，增強(qiáng)綜合保護(hù)的穩(wěn)定性。新型無(wú)功補(bǔ)償裝置響應(yīng)速度快，可以實(shí)時(shí)跟蹤沖擊型負(fù)荷的波動(dòng)，進(jìn)行快速跟蹤補(bǔ)償，所有的負(fù)荷無(wú)功都由裝置提供，系統(tǒng)提供的無(wú)功為跟蹤系統(tǒng)無(wú)功變化，較快的響應(yīng)速度完全達(dá)到快速補(bǔ)償波動(dòng)負(fù)荷的目的。

裝置本體（含啟動(dòng)柜、功率柜、控制柜）戶(hù)內(nèi)安裝，通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)，增加功率柜即可實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容，可根據(jù)實(shí)際工況的不通，配置相同的功率柜，在投運(yùn)的后，也可根據(jù)實(shí)際的系統(tǒng)無(wú)功變化，擴(kuò)充補(bǔ)償無(wú)功容量。

2.2 應(yīng)用意義

2.2.1 實(shí)際作用

無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在電氣自動(dòng)化系統(tǒng)中的作用尤為突出，主要表現(xiàn)為可以提升供電系統(tǒng)以及負(fù)載的功率，能夠降低設(shè)備的容量，減少設(shè)備損耗的功率，使得電網(wǎng)的電壓更加穩(wěn)定，對(duì)于供電質(zhì)量的提升也有很大的幫助。特別是在輸電線(xiàn)路較長(zhǎng)的情況下，在合適的地點(diǎn)設(shè)置無(wú)功補(bǔ)償裝置，可以增強(qiáng)輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增強(qiáng)輸電能力。在電氣化鐵道以及其三相負(fù)載不平衡時(shí)，采用無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆绞侥軌蚱胶馊嗟臒o(wú)功負(fù)載。

2.2.2 物理意義

3505200-60960電氣自動(dòng)化中應(yīng)用無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的物理作用是能夠描述能量交換幅度，不會(huì)消耗較大的功率。圖2為單相阻感負(fù)載圖，電阻主要消耗的是有功功率，電感能夠?qū)⑵湮盏哪芰績(jī)?chǔ)存起來(lái)，然后在電源能源不充足的情況下向電源釋放能量，減少了能量的消耗。一般情況下，無(wú)功功率的大小則表示的是負(fù)載電感與電源之間實(shí)現(xiàn)能量交換的幅度。電源向負(fù)載提供這種功率是阻感負(fù)載內(nèi)在的需要，同時(shí)也對(duì)電源的輸出帶來(lái)影響。

圖3是帶有阻感負(fù)載的三相電路，為了和圖2對(duì)照，假設(shè)u、R、L的參數(shù)均和圖2相同，且為對(duì)稱(chēng)三相電路。無(wú)功功率的大小表示電源和負(fù)載電感之間能量交換的幅度，無(wú)功能量在電源和負(fù)載之間來(lái)回流動(dòng)，說(shuō)明各相的無(wú)功功率分量（uir）的瞬時(shí)值之和在任一時(shí)刻都為零。也可認(rèn)為無(wú)功能量是通過(guò)阻感負(fù)載在三相之間流動(dòng)的。

2.2.3 經(jīng)濟(jì)效益

通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用，一方面可以提升電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的水平，增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性；另一方面還可以增強(qiáng)整個(gè)供電系統(tǒng)的質(zhì)量，提高系統(tǒng)工作的效率，對(duì)于電能消耗的降低具有很大的作用，降低內(nèi)部配置和線(xiàn)路的損耗和設(shè)備損壞，確保電氣自動(dòng)化中電器設(shè)備的安全運(yùn)行。無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在電氣自動(dòng)化中應(yīng)用不僅可以確保能夠持續(xù)穩(wěn)定供電，同時(shí)也能降低用戶(hù)的費(fèi)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 章軍.無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在電氣自動(dòng)化中的應(yīng)用分析[J].電工文摘，2013（4）：36-37.

[2] 葛峰偉.淺析無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在電氣自動(dòng)化中的應(yīng)用[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2013（5）：140.