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【摘 要】科学技术的进步，使得各种各样的电气设备不断投入使用，而这些设备中存在着许多电容性荷载和电感性荷载，在运行过程中会产生相应的无功功率，其对于供用电会产生一定的不良影响，如降低有功功率输出、降低电能质量、影响设备容量的充分发挥等。因此，做好无功补偿工作是非常重要的。本文对无功补偿的重要作用进行了分析，并以某钢铁厂为例，对其110kV变电站二期工程的无功补偿效果的提升策略进行了研究和讨论，希望能够促进企业电能质量和经济效益的提高。
【关键词】钢铁厂变电站 无功补偿 补偿效果 措施
工业化进程的加快，带动了科学技术的发展，也使得社会生产生活对于电力的需求越来越大，电能质量的好坏直接关系着社会的进步和经济的发展。而从目前来看，由于电容性荷载和电感性荷载的存在，使得电力系统中存在着流动于电容元件和电感元件之间的无功功率，影响供电质量。因此，对于变电站而言，必须将解决无功补偿问题，改善电能质量作为工作中的一项重要内容。
1 无功补偿的重要作用
在电力系统中，输出的功率包括了直接消耗电能，并将其转化为其他能量形式然后利用其作功的有功功率，以及不消耗电能，仅仅将电能转换为另外一种形式，能够在电网中与电能进行周期性转换的无功功率。而无功补偿，主要是将具备容性功率负荷的设备与感性功率负荷在同一个电路中实现并联，使得能量可以在两种不同负荷间相互转换，以容性负荷输出的无功功率对感性负荷所需的无功功率进行补偿[1]。无功补偿的意义和作用主要体现在以下几个方面：
（1）改善功率因数：提升供用电系统以及负载的功率因数，降低设备的容量，从而有效减少功率的损耗。
（2）改善电压调节：在电力系统中，负载自身对于无功功率需求的变化，会引起供电电压的变化，如果从电源端对这种变化进行调节，可能会导致各种各样的问题。而通过无功补偿，可以对电压进行有效调节，将其维持在一个相对稳定的范围内，保证供电质量。
（3）调节负载平衡：电力系统在正常运行中，有时会出现三相不对称运行的情况，引发负序、零序分量，进而导致附件损耗，引起变压器饱和等问题。在这种情况下，通过相应的无功补偿，能够将不平衡负载变为平衡负载，确保电力系统的稳定运行。
2 钢铁厂电网运行中存在的原因
在钢铁厂生产中，轧机是一个非常关键的设备，其功率因数通常都比较低，在0.6-0.7之间，具有速度快、工作周期短的特点，因此其对于电网的负荷属于冲击性负荷，存在着较大的无功波动。不仅如此，一些大功率的轧机在运行过程中，会导致电网电压出现剧烈的波动，一些照明灯、显示器等会出现闪烁的现象，容易引发工作人员的视觉疲劳，产生烦躁情绪，影响工作质量。同时，还可能会对一些精密设备造成影响，甚至引发严重的质量事故。不仅如此，轧机在工作状态下，会产生一些高次谐波，引发电网电压畸变，进而导致生产设备出现振动、发热等现象，在增大损耗的同时，也会缩短设备自身的使用寿命。针对这些问题，相关技术人员需要在变电所内，增设相应的电容器组，同时在电容器回路中进行电抗器的串联，在提高功率因数的同时，对谐波电流进行抑制，从而减少线损，提高企业的电能质量[3]。
3 提高变电站无功补偿效果的措施
3.1概况
某钢铁厂在对110kV变电所一期工程进行设计和建设的过程中，考虑自身的实际生产需求，设置了一台容量为50000kVA的主变，同时在10kV母线上设置容量为5010kvar的电容器，将母线的功率因数由原本的0.72提高到了0.98，同时以串联的方式，加入了12%电抗百分率的空心电抗器，实现对一些典型高次谐波的抑制。电容器组的出现开关采用普通真空断路器，型号为ZN28-12。并联电容器装置的接线图见图1。
图1 并联电容器装置的接线图
3.2存在问题
在一期工程中，由于一次性投切的容量偏大，在电容器投运后，会产生过补偿的问题，电压的升高使得保护装置容易出现误动的情况。而如果退出电容器组，电力系统的功率因数将无法达到电力部门的相关要求。同时，在生产过程中，负荷的变化较大，需要对电容器组进行频繁投切，导致了人力、物力资源的严重浪费。
3.3无功补偿效果提升策略
在不断的发展过程中，钢铁厂的生产规模迅速扩大，相应的用电量也大大增加，对此，企业管理人员决定对110kV变电所进行二期工程的增容改建，增加了两台50000kVA容量的主变，在10kV母线上也增加了两组容量为10020kvar的电容器组。
在对二期工程进行规划设计时，技术人员对一期工程中存在的问题进行了全面细致的分析，最终将电容器组分成了容量为2004kvar的5组，以串联的方式连接了电抗百分率为12%的空心电抗器。为了保证无功补偿效率，额外设置了一台电压无功综合控制器，能够对母线电压以及无功需求进行分析，对负荷的变化情况进行跟踪，根据具体情况确定需要投切的电容器的组数，实现对于电容容量的合理调控，确保无功平衡，改善功率因数。
具体来讲，在二期工程中，等容分组是非常关键的环节，主要是将容量一定的电容器Q平均分为n组，每一组的容量就是电容器的调整容量变化梯度，大小均为Q/n。在实际应用中，分组越多，容量变化梯度越小，则补偿精度也就越高[5]。而且，在进行等容分组电容器的投切操作时，是连续无间断的，因此对于电网产生的冲击较小，基本上不会引发电压的剧烈波动。另外，电容器可以实现循环投切，确保了开关与电容器的合理利用，减少了故障发生的机率，在减轻工作量的同时，也能够延长设备的使用寿命。
对于一期工程中存在的出线开关由于频繁投切而损坏的问题，在二期工程设计，技术人员对投切电容负荷开关的特点进行了分析和总结：
（1）涌流问题：在电容器投入的瞬间，会产生频率在250-4000Hz的涌流，其大小受系统电源阻抗以及电容器容量的影响，而即使是单独一组电容器的合闸涌流，也达到了额定电流的5-15倍。当多组电容逐级投入时，合闸涌流会持续追加，达到电容器额定电流的25-250倍，而即使设置相应的串联电抗器，合闸涌流仍然超过额定电流数倍以上。
（2）过压问题：电容器属于一种储能元件，当其在电网中并联运行时，会随着交流电的周期变化进行充放电。而在分闸的瞬间，电容器存储了一定的能量，同时两端都保持了交流电的瞬时电压，如果分闸操作恰好处于交流电正负半周的峰值，则分闸后电容器所保持的电势与电网交流电峰值会共同在开关触头的间隙上叠加，在不考虑其他因素的情况下，开关触头间隙的电压将会达到额定电压的2-3倍。一般来讲，电容器都会串联相应的电抗器，分闸瞬间会带有比较复杂的振荡，因此叠加在开关触头间隙上的电压可能更大。而如果开关触头间隙小，真空度低，绝缘耐压不足，则可能会发生重击穿的问题，引发恶性循环。
（3）频动：在自动补偿装置中，高压开关每天可能需要分合数次乃至十数次，动作相当频繁。
由上述分析可知，在对投切电容开关进行选择时，首先必须确保触头具备较大的压力，能够承受合闸涌流的冲击，以避免触头烧损；其次，应该保证触头间隙适中，足以承受分闸时产生的过电压，避免重燃问题；然后，应该选择适合频繁动作的高压开关，一期工程中的ZN28-12型真空断路器更换为ZN12-12型电容器投切占用的真空开关，对存在的问题进行有效解决，提高无功补偿的效果。
4 结语
在二期工程建设完成后，该钢铁厂在运行过程中，电能质量得到了有效保证，二期工程采用的并联补偿装置等容分组设计取得了预期的补偿效果，保证了企业生产的正常进行，取得了非常显著的经济效益。
参考文献：
[1]刘刚.220kV变电站无功补偿容量配置分析[J].电气应用，2013，（15）：22-25，65.
[2]李丹.特高压变电站无功补偿研究[J].武汉大学学报（工学版），2011，44（4）：503-507.
[3]舒杨，彭欣，吴燕.提高钢铁厂变电站无功补偿效果的方法[J].云南水力发电，2011，27（5）：109-111.
[4]吴蓉.变电站无功补偿策略研究[D].浙江大学，2011.