某碼頭供電系統10kV段功率因數偏低原因分析及對策

劉為迅

（中交天津港灣工程設計院有限公司，山東 青島 266071）

1 基本情況

該碼頭主要為煤炭裝卸碼頭，主要用電設備為皮帶機及輔助生產設施，其變電所供電系統原設計情況如下：高壓側設置了兩段10kV 母線，運行方式為單母線分段運行，互為備用。高壓主要用電設備為8 臺皮帶輸送機，總負荷3430kW，每段負荷1715kW，單段補償300kVar；低壓負荷主要為輔助電機類，計算負荷418kW，變壓器容量630kVA,低壓無功補償175kVar。

2 問題情況

碼頭試運行一個月以來，整個電氣系統運行穩定，但發現變電所10kV 段電能計量功率因數低，無功功率負荷較大。試運行期間內，10kV a 段母線有功電量為111417kW·h，無功電量為98654kVarh，功率因數僅為0.75，處罰7.5%；10kV b 段母線有功電量為183135kW·h，無功電量為249635kVarh，功率因數僅為0.59。處罰27%。

3 原因分析

3.1 對原設計參數分析[1-2]

根據各個設備銘牌參數，采用需要系數法進行有功、無功功率核算，核算情況見表1。

表1 無功補償核算表

由表1核算可知，若設備均正常運行，理論上10kV電源進線處功率因數應不低于0.93，完全滿足要求。

3.2 對供配電系統設備進行現場檢測

1）檢查就地電能表顯示的有功電量、無功電量值，與供電電源處10kV 綜保裝置統計值比對，數據吻合；現場實測電能表的電壓電流相角差無誤。

2）檢查10kV a、b 段所帶無功補償裝置，發現a、b 段補償裝置手動自動、手動方式下均運行正常。

3）檢測低壓段無功補償，發現低壓無功補償裝置運行正常，補償后功率因數為0.93。

由現場檢測推斷，供配電系統本身無問題，原因可能在于用電設備本身。

3.3 對變電所10kV 高壓側用電設備進行檢測

空載啟動各皮帶機進行檢測，首先檢測功率因數更低的b 段母線：僅#2 和#3 皮帶電機開啟空載運行時（此時b 段無其他負荷）。觀察無功補償裝置投入前后電能表記錄的無功功率變化，補償前二次有功功率0.014kW、無功功率0.026kvar、功率因數0.48，補償后二次有功功率0.014 kW、無功功率0.007kvar、功率因數提高至0.89，即無功補償裝置補償值（300kvar）不足以將整段負荷的功率因數提高至0.9。當b 段上的皮帶電機空載全開時，補償后無功功率降至0.56；以同樣的方式檢測a 段：全部空載后功率因數降至0.65。因此，皮帶電機空載運行明顯惡化功率因數。

在碼頭試運行時對皮帶機回路其進行輕負載運行（1000t/h）和額定負載（1500t/h）運行檢測，測得的皮帶電機帶載運行數據統計如下。

表2 a 皮帶電機帶載運行數據

表3 b 皮帶電機帶載運行數據

3.4 結論

1）皮帶電機空載或低貨物荷載時，自身功率因數很低，無功補償后仍較低。

2）隨著皮帶機貨物荷載的提高，皮帶電機自身功率因數提高，補償后總功率因數提高。

3）隨著皮帶機貨物荷載的進一步提高，直到接近額定荷載時，a 段10kV 母線無功補償容量足以將總功率因數改善至0.9 以上，但b 段10kV 母線無功功率補償仍有較大缺口。

4）在皮帶空載或輕載條件下，無功補償裝置容量嚴重不足；在皮帶負荷升高至一定水平時，情況有所改善。

5）皮帶電機1a 和1b、2a 和2b、3a 和3b、4a 和4b 的額定功率、額定電流、額定功率因數等參數完全一致，但兩者的制造廠家不同、空載電流、空載有功功率、空載無功功率、空載功率因數等差距很大。表明b 路皮帶電機制造工藝不良，漏磁通大，主磁路磁導小、建立主磁場所需的無功電流大，致無功消耗更多，同等條件下相比對應的a 路皮帶電機無功消耗增大約50%。

4 對策及其分析[3]

4.1 方案分析

對策根據上述原因分析，為改善現有功率因數偏低的狀況，可考慮一下兩種方案：

第一種方案是提高裝卸效率，從而提高皮帶機的運行荷載，減少皮帶機空載或輕載的運行時間，從而改善現在功率因數偏低的情況。方法是提高門機操作人員的熟練程度，提高整個輸送系統的維護程度，根據氣象情況合理安排船舶靠泊時間。

第二種方案是從設備方面解決，根據現有運行情況，最大補償容量按照各皮帶機空載運行時所需無功補償容量，計算數據見表4。

表4 最大無功容量計算

注：補償度在0.95～1.0時，功率因數調整電費獎勵比率均為0.75%，同時為防止無功過補償（過補的功率同樣以絕對值的方式積分累計入電表無功電量，因此使用方要求，將無功補償目標值調整為0.95。

根據上述計算和現有情況，補償方案如下：將原設置于b 段10kV 母線的無功補償裝置（300kVar）變更移至a 段10kV 母線，與原設置于a 段10kV 母線的無功補償裝置（300kvar）共同構成a 段10kV母線的高壓無功補償容量，共計補償容量600kvar；b 段10kV 母線的所需無功補償容量為750kvar，因此考慮新增設容量為750kvar 無功補償裝置一套，采用300kVar+450kVar分兩組投切的方式。

4.2 效果分析

第一種方案經濟效益最好，在提高了碼頭的裝卸運輸效率同時又提高了功率因數，達到雙贏的局面，但是缺點是需要時間較長，在一段時間內功率因數偏低的情況無法得到有效改善，而且易收到氣象、人員調度原因影響。

第二種方案所需時間短，雖然需要一次性投資購置相關設備，但是可通過后期電費獎勵來抵除投資費用，其經濟效益分析如下：經咨詢相關設備廠家，設備購置費用及安裝約為110 萬。設備安裝完畢之后，功率因數最高可提高至0.95，功率因數調整電費月增減率為7.5%。以試運行一月的數據為例，經濟效益分析見表5。

表5

表5中電價為當地價格。根據當地電業部門要求，電費計算公式：電費金額=基本電費+電度電費+功率因數調整電費，功率因數調整電費=（基本電費+電度電費）×功率因數調整電費月增減率。

由表5可見，按第二種方案改造后，以試運行階段的電量為參照，每月可節省電費82476 元，14個月即可抵消改造費用。因此，最終方案確定為立刻實施第二方案，同時逐步推進第一方案。

5 結論

目前該碼頭10kV 供配電系統的無功補償已改造完畢并投入使用，經實際驗證，功率因數基本上保持在0.95 左右，完全滿足電業部門及使用方的需要。同時也可為同類工程提供了一個借鑒，即在電容補償相關計算的時候，不僅需要根據設備銘牌參數來進行計算，同時還用將設備將來的運行情況一并考慮。

[1] 王前虹,韓志樹,趙建玉.兩種無功功率補償的計算方法[J].山東建材學院學報,2000(1):74-75.

[2] 王鑫國.10kV 配電網無功功率平衡及優化補償[J].農村電氣化,2001(3) :24-25.

[3] 趙慧艷.無功功率補償技術及補償方案的確定[J].工礦自動化,2005(6):95-96.