變電設(shè)計(jì)中的無功補(bǔ)償作用及其研究與分析

李平

摘? 要：社會(huì)發(fā)展速度不斷加快，中國的經(jīng)濟(jì)呈現(xiàn)出突飛猛進(jìn)的發(fā)展勢態(tài)，電力資源的需求量越來越多，電力行業(yè)迎來了新的發(fā)展機(jī)遇。電力系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，包括電壓的變換以及電流的變換都是在變電站實(shí)現(xiàn)的，變電站還發(fā)揮電能配置的功能，可見其對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。在變電設(shè)計(jì)中，發(fā)揮無功補(bǔ)償?shù)淖饔茫梢蕴岣吖╇娰|(zhì)量，提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。本論文著重于研究變電設(shè)計(jì)中的無功補(bǔ)償作用。

關(guān)鍵詞：變電設(shè)計(jì);無功補(bǔ)償;作用

一、無功補(bǔ)償所發(fā)揮的重要作用

電網(wǎng)輸出的功率中直接消耗電能的是有功功率，就是轉(zhuǎn)化電能為其他的能源，諸如較為常見的是熱能、機(jī)械能，還會(huì)轉(zhuǎn)化為化學(xué)能以及聲能等等，這些能可以做功，發(fā)揮其應(yīng)有的價(jià)值[1]。 無功功率基本不消耗電能，主要是電感、電容等儲(chǔ)能元件從電網(wǎng)中吸收一部分能量用以建立、維持電場和磁場，這部分能量在儲(chǔ)能元件與電網(wǎng)中來回交換，周期性的將能量進(jìn)行存儲(chǔ)和釋放，每周期的平均功率為零。電能在交換過程一直存在于電網(wǎng)并未被消耗不計(jì)鐵芯和介質(zhì)的損耗，因此這部分用來建立和維持電磁場的功率稱為無功功率。

無功功率并不是無用功率，凡有電磁線圈的電器設(shè)備，如電動(dòng)機(jī)、含變壓器的電源等，這些電器設(shè)備若要正常運(yùn)行，需要無功電能先在線圈中產(chǎn)生磁場，電機(jī)的轉(zhuǎn)子才能轉(zhuǎn)動(dòng)，變壓器才能正常輸出電壓。沒有無功功率，上述電器設(shè)備則不能工作。通常從發(fā)電機(jī)和高壓線路供給的無功功率，滿足不了負(fù)荷的需求，需要在電網(wǎng)中要設(shè)置一些無功補(bǔ)償裝置來補(bǔ)充無功功率。同一個(gè)線路上安裝裝置，如果分別是容性功率負(fù)荷裝置和感性功率負(fù)荷裝置，采用并聯(lián)的方式，就要發(fā)揮無功補(bǔ)償?shù)哪芰哭D(zhuǎn)換作用，無功功率輸出，也會(huì)進(jìn)行相互之間的能量補(bǔ)償[2]。變電設(shè)計(jì)中通過安裝無功補(bǔ)償裝置，變壓器運(yùn)行中所輸出的無功功率就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娸敵?。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用無功功率，雖然不需要能量，但是在傳輸無功功率的時(shí)候會(huì)有大量損耗，在這種情況下如果電力系統(tǒng)將功率向用戶傳輸，就會(huì)影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，對企業(yè)的發(fā)展非常不利，此時(shí)就要采用分級補(bǔ)償?shù)姆绞?，達(dá)到就地平衡的效果，避免產(chǎn)生大量的無功補(bǔ)償損耗，提高用戶的供電質(zhì)量。

二、變電設(shè)計(jì)中的無功補(bǔ)償技術(shù)

（一）調(diào)相機(jī)對無功補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用

調(diào)相機(jī)在無功補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用中，可以向電網(wǎng)提供可連續(xù)調(diào)節(jié)的感性或容性無功，維持電網(wǎng)電壓。調(diào)相機(jī)是一種特殊運(yùn)行狀態(tài)下的同步電機(jī)，雖運(yùn)行于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，但不帶機(jī)械負(fù)載，其功率因素為0，只向電力系統(tǒng)提供或吸收無功功率。當(dāng)其處于過勵(lì)磁狀態(tài)時(shí)，調(diào)相機(jī)輸出感性無功功率補(bǔ)償于電網(wǎng);當(dāng)處于欠勵(lì)磁狀態(tài)時(shí)，調(diào)相機(jī)從電網(wǎng)吸收感性無功功率。變電設(shè)計(jì)中，調(diào)相機(jī)作為一種最早采用的無功補(bǔ)償設(shè)備，具有跟蹤速度快、補(bǔ)償范圍廣、故障率低、單機(jī)容量大等優(yōu)點(diǎn)。但是，調(diào)相機(jī)也存在不能適應(yīng)三相不平衡運(yùn)行、增加系統(tǒng)短路電流、運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜、有功功率損耗大、噪聲大等缺點(diǎn)。目前調(diào)相機(jī)已很少使用。

（二）電容器對無功補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用

電容器在系統(tǒng)中并聯(lián)，容性負(fù)載有所提高，之后系統(tǒng)吸收容性功率和輸出容性功率，使得無功功率滿足線路的需求以及感性負(fù)荷的需求，由此獲得良好的無功補(bǔ)償效果。在考慮電容器裝置進(jìn)行無功補(bǔ)償時(shí)，無論是裝置的購進(jìn)、安裝和運(yùn)行，資金的投入都是一次性的，成本比較低。在變電設(shè)計(jì)中，無功補(bǔ)償裝置一般優(yōu)先考慮并聯(lián)電容器組，且一般裝設(shè)于變壓器的低壓側(cè)，當(dāng)條件允許時(shí)，裝設(shè)于變壓器的主要負(fù)荷側(cè)。補(bǔ)償容量不宜超過主變壓器容量的30%，當(dāng)投切一組電容器時(shí)，所引起接入母線電壓的變動(dòng)值應(yīng)不超過母線額定電壓的2.5%。由于并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置投入電網(wǎng)后，可能會(huì)發(fā)生電網(wǎng)諧波放大現(xiàn)象。對此需引起重視，目前較常用的應(yīng)對措施是在電容器支路中串聯(lián)電抗器，從而減小系統(tǒng)諧波電壓。

（三）電抗器對無功補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用

變電設(shè)計(jì)中，電抗器是重要的裝置，電力系統(tǒng)運(yùn)行的過程中工會(huì)產(chǎn)生多余的容性無功功率，要對其予以平衡，就需要將感性無功功率增加。當(dāng)電力系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)候，如果輸電線路運(yùn)行中出現(xiàn)降低感性無功功率的問題，是因?yàn)閷?dǎo)線中的電容性所發(fā)揮的作用是：讓輸電線路運(yùn)行中所產(chǎn)生的容性充電功率比感性無功功率高，為了確保系統(tǒng)電壓保持平衡，系統(tǒng)就要處于無功平衡狀態(tài)，才可以保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。通常選擇并聯(lián)電抗器安裝于母線進(jìn)行無功補(bǔ)償，當(dāng)使用于10～110kV母線時(shí)，并聯(lián)電抗器的主要技術(shù)性能與并聯(lián)電容器相似，但應(yīng)注意并聯(lián)電抗器總損耗值不宜大于其額定容量的0.5%。

（四）無功補(bǔ)償器對無功補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用

無功補(bǔ)償器一般稱作靜止無功補(bǔ)償裝置，主要用于輸電系統(tǒng)的波阻補(bǔ)償，也可以用于負(fù)載無功補(bǔ)償。無功補(bǔ)償器有不同的種類，包括晶閘管控制電抗器和固定電容器、晶閘管投切電抗器以及晶閘管投切電容器，每種補(bǔ)償器都有其優(yōu)勢，也存在不足。比如，晶閘管投切電抗器發(fā)揮無功補(bǔ)償?shù)淖饔?，是通過對晶閘管觸發(fā)角進(jìn)行控制，改變原有的接入系統(tǒng)等效電路，調(diào)節(jié)無功功率輸出。無功補(bǔ)償器處于運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)候，晶閘管如果經(jīng)過觸發(fā)之后被導(dǎo)通，此時(shí)并聯(lián)電抗器投入電網(wǎng)進(jìn)行感性無功功率補(bǔ)償，但新并網(wǎng)的電抗器不僅受電力系統(tǒng)的諧波影響，電抗器自身也會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，需要配套采用濾波器組進(jìn)行濾波。變電設(shè)計(jì)中無功補(bǔ)償器適用于660V以下的低壓配電端和6～66kV中高壓輸電網(wǎng)絡(luò)。

（五）靜止無功發(fā)生器對無功補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用

靜止無功發(fā)生器是現(xiàn)代科技發(fā)展環(huán)境中應(yīng)運(yùn)而生的，又被稱為“靜止同步補(bǔ)償器”，這種裝置所使用的是自換相變流技術(shù)。靜止無功發(fā)生器作為第三代無功補(bǔ)償裝置，其所應(yīng)用的器件是全控制的，能夠有效地控制交流電壓相位、幅值以及電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償。靜止無功發(fā)生器通過改變輸出電壓幅值和相位來控制與其連接的電抗器的電流，即控制該電流的相位超前電網(wǎng)電壓相位 90°，或者滯后電網(wǎng)電壓相位 90°，從而可以獲得輸出無功功率或者吸收無功功率的效果。在變電設(shè)計(jì)中，由于靜止無功發(fā)生器的造價(jià)成本較高，一般在遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)或者在大規(guī)模風(fēng)電場、光伏電站接入系統(tǒng)，或者需采用動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備抑制電壓閃變時(shí)，才考慮選用靜止無功發(fā)生器。

結(jié)束語：

通過上面的研究可以明確，電力變電設(shè)計(jì)中，無功補(bǔ)償所發(fā)揮的作用是需要高度重視的。對無功補(bǔ)償技術(shù)深入研究，使得電力系統(tǒng)的硬件性能有所保障，日常的電能供應(yīng)更為可靠，由此提高電力行業(yè)的服務(wù)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 羅茂， 趙煒， 申軍. 變電站無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)優(yōu)化方法研究[J]. 冶金管理， 2019（15）：25-26.

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