試析無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在電氣自動(dòng)化中的應(yīng)用

摘 要：近年來(lái)，我國(guó)單相電力負(fù)荷變化對(duì)電氣自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備造成的影響越來(lái)越大，非線(xiàn)性因素的干擾也越來(lái)越強(qiáng)，大大增加了無(wú)功補(bǔ)償和諧波治理的難度。在一定程度上限制了電氣自動(dòng)化的發(fā)展，可通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)來(lái)解決諧波治理難的問(wèn)題?；诖?，本文結(jié)合理論實(shí)踐，對(duì)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在電氣自動(dòng)化中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)；電氣自動(dòng)化；真空斷路器；回路電流

中圖分類(lèi)號(hào)：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）36-0081-02

引 言

無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)明和應(yīng)用，推動(dòng)了電氣自動(dòng)化的持續(xù)發(fā)展，大量應(yīng)用實(shí)例表明，合理應(yīng)用無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)可有效解決系統(tǒng)中負(fù)序、諧波、無(wú)功功率等問(wèn)題，而且還能降低電力資源的無(wú)故損耗量，節(jié)能效果非常明顯。本文立足無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的原理，以無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式為切入點(diǎn)，分析了無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在電氣自動(dòng)化中的應(yīng)用，希望對(duì)我國(guó)電氣自動(dòng)化持續(xù)發(fā)展提供一定的參考。

1 無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)原理

無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用原理圖如圖1所示。

眾所周知，電力系統(tǒng)輸出的功率可分為兩部分：①有功功率，也是電氣設(shè)備持續(xù)運(yùn)行的主要?jiǎng)恿?lái)源，主要過(guò)程是電能轉(zhuǎn)換機(jī)械能、熱能等；②無(wú)功功率，并不會(huì)直接消耗電能，而是直接轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式的能，是電氣設(shè)備運(yùn)行的基礎(chǔ)條件之一，并且和電網(wǎng)中的電能進(jìn)行周期交換。比如：電磁元件是電氣設(shè)備的部件，自身會(huì)釋放出磁場(chǎng)，從而占用部分電能，電容器建立的電場(chǎng)也會(huì)占用電能。電感元件在通電時(shí)，電流處于時(shí)刻做功的狀態(tài)，此時(shí)，電流往往慢電壓90°，電容元件在通電的狀態(tài)下，電流也處于時(shí)刻做功的狀態(tài)，此時(shí)電流比電壓快90°。因此，由于在電力系統(tǒng)由電容元件和電感元件共同組成，在是實(shí)際運(yùn)行中，則電流和電壓互差180°。如果安裝電容元件，則電流會(huì)相互抵消，從而達(dá)到節(jié)約電能損耗的目的。

2 電氣自動(dòng)化中無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法

在同一個(gè)電力系統(tǒng)中，如果在線(xiàn)路既存在感性功率負(fù)荷，也存在容性功能負(fù)荷，就可以實(shí)現(xiàn)能量的相互轉(zhuǎn)換。主要原理電力系統(tǒng)需要組成一個(gè)回路才能正常運(yùn)行，如果在一個(gè)系統(tǒng)中同時(shí)存在兩種負(fù)荷，則無(wú)功功率就可以實(shí)現(xiàn)相互補(bǔ)償，也就實(shí)現(xiàn)了無(wú)功補(bǔ)償[1]。大量實(shí)例表明，在電力系統(tǒng)中合理加裝無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，既能有效提升功率因子，降低功率的無(wú)故損耗，還能提升電氣設(shè)備的輸出功率。比如：配電變壓器的功率因數(shù)如表1所示。

提升功率因數(shù)常用的方法在需要無(wú)功的用電設(shè)備上并聯(lián)上一個(gè)無(wú)功補(bǔ)償電容器，促使用電設(shè)備所需的無(wú)功功率由并聯(lián)電容器來(lái)提供，從而補(bǔ)償用電設(shè)備所需的功率因數(shù)，并聯(lián)電容器容量的計(jì)算公式為：

通過(guò)應(yīng)用此種電容補(bǔ)償裝置，就可以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)化無(wú)功功率補(bǔ)償，降低電力損耗，提升電氣自動(dòng)化運(yùn)行效率。此外，通過(guò)上述裝置，還能有效解決電力系統(tǒng)中供電不穩(wěn)定的問(wèn)題，可有效改善供電質(zhì)量，提升各項(xiàng)電力設(shè)備運(yùn)行的可靠性和使用壽命。

3 無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在電氣自動(dòng)化中的應(yīng)用

3.1 選擇合理的無(wú)功補(bǔ)償裝置

晶閘管是電力系統(tǒng)中比較常用的無(wú)功補(bǔ)償裝置，而且其應(yīng)用性能比較穩(wěn)定，被廣泛應(yīng)用在電氣自動(dòng)化無(wú)功功率補(bǔ)償中，發(fā)展至今，各項(xiàng)技術(shù)愈發(fā)成熟，已經(jīng)基本上取代了傳統(tǒng)耗能大，補(bǔ)償效率低的轉(zhuǎn)自。最常用的無(wú)功補(bǔ)償裝置為T(mén)SC，由電容器、雙向?qū)ňчl管和限流電抗器組成。TSC裝置可有效控制人為誤操作引起浪涌電流問(wèn)題，避免燒壞電力設(shè)備。其運(yùn)行原理圖如圖3所示。

TSC系統(tǒng)由若干組電容所組成，三相系統(tǒng)則由三個(gè)電容器構(gòu)成。每一個(gè)電容組包含有若干個(gè)電容，每個(gè)電容的具體數(shù)值和每組電容的個(gè)數(shù)根據(jù)補(bǔ)償容量和補(bǔ)償精度來(lái)確定。TSC中每一個(gè)電容器，均由兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管相連，他們主要是起到無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)的作用。例如，當(dāng)Ua相電流發(fā)生突變時(shí)，電流傳感器和電壓傳感器將收到的信號(hào)，傳到控制系統(tǒng)中?？刂齐娐肥盏叫畔⒑?，將會(huì)發(fā)出觸發(fā)控制信號(hào)，使得與Ua相相連兩個(gè)反并聯(lián)晶閘管中其中一個(gè)觸發(fā)導(dǎo)通，所在支路的電容將投入補(bǔ)償運(yùn)行。

在20世紀(jì)80年代中期，發(fā)明了一種并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償裝置，裝置依托于變換器，和電壓源比較類(lèi)似，主要原理是通過(guò)電壓相位和賦值來(lái)達(dá)到合理控制無(wú)功功率大小的目的。此種無(wú)功補(bǔ)償裝置被稱(chēng)之為STATCOM裝置，STATCOM控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4中，上位機(jī)的主要功能，在人為操作下發(fā)出控制指令，根據(jù)實(shí)際電力系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際情況，進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，以便為用戶(hù)提供更加高質(zhì)量的供電服務(wù)。應(yīng)用實(shí)例表明，此種無(wú)功補(bǔ)償裝置的響應(yīng)速度是TSC響應(yīng)速度的3～5倍，在15～20ms之間。STATCOM裝置的輸出功率運(yùn)行電壓和電流的乘積，當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生故障時(shí)，電壓會(huì)快速下降，通過(guò)合理控制電流，就可以維持系統(tǒng)無(wú)功功率處于平衡狀態(tài)。雖然具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，但控制方法相對(duì)比較復(fù)雜，需要大量GTO晶閘管、IGBT等控制件的支持才能正常運(yùn)行[3]。

3.2 合理應(yīng)用真空斷路器

電氣自動(dòng)化系統(tǒng)在運(yùn)行中，科學(xué)合理的應(yīng)用無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)設(shè)計(jì)真空斷路器，既能有效降低投資成本，而且結(jié)果比較簡(jiǎn)單便于操作，比如：把固定濾波器和晶閘管電抗器聯(lián)合應(yīng)用，建立起一種全新的無(wú)功補(bǔ)償裝置，可在保證電氣自動(dòng)化系統(tǒng)高效運(yùn)行的基礎(chǔ)上，確保無(wú)功補(bǔ)償電流時(shí)刻處于平衡狀態(tài)，從而滿(mǎn)足電氣自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)較大功率因素的需求，在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行的同時(shí)，降低能耗。

3.3 用電客戶(hù)的無(wú)功補(bǔ)償

在進(jìn)行用電客戶(hù)無(wú)功補(bǔ)償時(shí)，常用的方法有兩種：①通過(guò)并聯(lián)電容器的方法，提升功率因數(shù)，確保電氣自動(dòng)化系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，各項(xiàng)參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)都能達(dá)到國(guó)家規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的需求，從而最大限度上提升對(duì)用戶(hù)無(wú)功補(bǔ)償?shù)男剩瑥亩档碗娔艿臒o(wú)故損耗，緩解我國(guó)電力緊張局面。②在用戶(hù)配電網(wǎng)中合理應(yīng)用無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)，以降低無(wú)功消耗，減輕用戶(hù)用電的經(jīng)濟(jì)壓力。

4 應(yīng)用前景分析

就我國(guó)目前電氣自動(dòng)化的發(fā)展現(xiàn)狀而言，常用的無(wú)功補(bǔ)償裝置有兩種：①TSC無(wú)功補(bǔ)償裝置；②STATCOM無(wú)功補(bǔ)償裝置。相比而言，TSC應(yīng)用效果更加經(jīng)濟(jì)，在電氣自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用也比較普遍。而STATCOM無(wú)功補(bǔ)償裝置則還處于研究階段，只是應(yīng)用在某些比較中重要而且貴重電氣自動(dòng)化無(wú)功補(bǔ)償中。雖然STATCOM無(wú)功補(bǔ)償裝置的研究和應(yīng)用還處于起步階段，但就目前研究成果和研究進(jìn)度而言，在未來(lái)10～15年內(nèi)必然會(huì)取得重大突破，并廣泛應(yīng)用電氣自動(dòng)化系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償中，我國(guó)電氣自動(dòng)化水平也將會(huì)得到大幅度提升。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文結(jié)合理論實(shí)踐，分析了無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在電氣自動(dòng)化中的應(yīng)用，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）在電氣自動(dòng)化中科學(xué)合理無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)，既能提升系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，還能節(jié)約電能的無(wú)故損耗，為電氣自動(dòng)化設(shè)備持續(xù)穩(wěn)定性運(yùn)行奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（2）不同的無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在應(yīng)用效果、成本等方面存在較大差距，在選擇無(wú)功補(bǔ)償裝置和運(yùn)行技術(shù)時(shí)，要根據(jù)電氣自動(dòng)化實(shí)際情況，選擇與之相適的無(wú)功補(bǔ)償裝置，才能在保證經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，提升運(yùn)行效率。

（3）隨著電氣自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用的深度和廣度不斷增加，需要積極創(chuàng)新無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)，才能更好的發(fā)揮出應(yīng)有的價(jià)值和作用。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2018-11-13

作者簡(jiǎn)介：高治峰（1980-），男，漢族，陜西神木人，助理工程師，本科，主要從事電氣檢修方面的工作。