馬清坡 張永武 馬衣峰
淺談徐州市袁橋東站泵站無功補(bǔ)償?shù)母脑?/p>
馬清坡 張永武 馬衣峰
在電力系統(tǒng)中,隨著變壓器和交流電動(dòng)機(jī)等電感性負(fù)載的廣泛使用,電力系統(tǒng)的供配電設(shè)備中經(jīng)常流動(dòng)著大量的感性無功電流。這些無功電流占用大量的供配電設(shè)備容量,同時(shí)增加了線路輸送電流,因而增加了饋電線路損耗,使電力設(shè)備得不到充分利用。作為解決問題的辦法之一,就是采用無功功率補(bǔ)償裝置,使無功功率就地得到補(bǔ)償,盡量減少或不占用供配電設(shè)備容量,提高設(shè)備的利用效率。最常見的辦法就是采用電容器組提供電容性電流對(duì)電感性電流給予補(bǔ)償,以提高功率因數(shù)。在高壓系統(tǒng)中,目前使用比較多的補(bǔ)償還是傳統(tǒng)的固定式電容補(bǔ)償裝置,集中的自動(dòng)補(bǔ)償裝置使用還很不普遍。由于傳統(tǒng)的補(bǔ)償方式存在安全性能差、補(bǔ)償精度低和勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題,普遍希望有一種更加安全可靠、補(bǔ)償精度和自動(dòng)化水平更高的補(bǔ)償裝置供設(shè)計(jì)選用。
袁橋泵站東站(以下簡(jiǎn)稱袁橋東站)于2000年建成,總設(shè)計(jì)流量為20m3/s,總裝機(jī)容量為2400kW。共安裝6臺(tái)水泵機(jī)組,水泵為1000HD-9的混流泵,設(shè)計(jì)流量為3.33m3/s,揚(yáng)程7.5m。配套電機(jī)型號(hào)為YLB560-12,功率為400kW,功率因數(shù)為0.719,額定電壓為10kV,額定電流為34.5A,絕緣等級(jí)為F。袁橋東站位于奎河和故黃河之間,其作用為當(dāng)市區(qū)降暴雨時(shí),奎河自排能力不足或袁橋西站開機(jī)強(qiáng)排作用仍不明顯時(shí),開機(jī)運(yùn)行,將奎河水通過出水箱涵排至故黃河中。
由于袁橋東站的設(shè)計(jì)過程中主要考慮了在防汛抗旱中的強(qiáng)排作用,在強(qiáng)排過程中要求6臺(tái)機(jī)組同時(shí)開啟,在最短的時(shí)間內(nèi)降低奎河水位,以確保市區(qū)內(nèi)不出現(xiàn)積水現(xiàn)象,所以袁橋東站的電容補(bǔ)償方式為母線集中補(bǔ)償?shù)姆绞健H欢S著近年來公眾對(duì)市區(qū)水環(huán)境的要求不斷提高,又承擔(dān)了為故黃河補(bǔ)水,以改善故黃河水質(zhì)的任務(wù)。在補(bǔ)水的過程中,一般流量很小(約在3~5m3/s),所以袁橋東站只能是1~2臺(tái)機(jī)組交替間歇運(yùn)行。由于采用了集中補(bǔ)償,所以電容在補(bǔ)水的過程中無法投入運(yùn)行,導(dǎo)致功率因數(shù)達(dá)不到供電部門的要求,增加了運(yùn)行的費(fèi)用。
要想解決上述問題,得到理想的補(bǔ)償效果,首先要確定合理的補(bǔ)償實(shí)施方案、準(zhǔn)確計(jì)算需要補(bǔ)償?shù)娜萘俊D壳俺R姷难a(bǔ)償方法有傳統(tǒng)的固定式電容器組人工插拔熔斷器控制補(bǔ)償容量法、單臺(tái)設(shè)備隨機(jī)就地電容補(bǔ)償法和集中電容器自動(dòng)補(bǔ)償法。其中傳統(tǒng)補(bǔ)償方法簡(jiǎn)單,但補(bǔ)償精度低,勞動(dòng)強(qiáng)度大,危險(xiǎn)性大,受人為因素影響太多。故不能選擇。
單臺(tái)設(shè)備就地補(bǔ)償法就是針對(duì)單臺(tái)設(shè)備在當(dāng)?shù)剡M(jìn)行補(bǔ)償,其優(yōu)點(diǎn)是從設(shè)備需求點(diǎn)補(bǔ)償,深入到需求補(bǔ)償?shù)谝晃恢茫a(bǔ)償范圍大。其缺點(diǎn)是確定補(bǔ)償容量困難。既不能過補(bǔ)償,又必須保證電路不得發(fā)生LC諧振和避免發(fā)生自激現(xiàn)象。因在計(jì)算無功電流時(shí),無功電流主要成分是由電機(jī)勵(lì)磁電流I0,滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的無功電流增量ID1、欠載運(yùn)行時(shí)的無功電流增量ID2等組成的。因?yàn)殡S著電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的變化,上述各參數(shù)都在不停地變化,動(dòng)態(tài)變量變化因素太多,很難確定準(zhǔn)確的無功補(bǔ)償需求量。不同的生產(chǎn)設(shè)備在選配電動(dòng)機(jī)時(shí)的啟動(dòng)容量裕度各不相同,所以,在設(shè)備運(yùn)行中其電動(dòng)機(jī)的飽和程度各不相同,其欠載運(yùn)行的無功電流增量ID2各不相同;其次,電動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作狀態(tài)隨時(shí)變化,如水泵電機(jī)隨著進(jìn)水水位、出水水位的變化電動(dòng)機(jī)負(fù)載率隨時(shí)都在變化,無法確定準(zhǔn)確的工況。而單臺(tái)設(shè)備就地補(bǔ)償法在補(bǔ)償容量確定后,是以固定不變的補(bǔ)償容量,去平衡隨時(shí)浮動(dòng)變化的動(dòng)態(tài)工況,就很難得到滿意的高精度補(bǔ)償效果。此外,在單臺(tái)補(bǔ)償?shù)碾娙萜餮b置中,補(bǔ)償電容器是與主機(jī)一對(duì)一固定配套安裝的,隨著主機(jī)的運(yùn)行而補(bǔ)償電容器同時(shí)投入運(yùn)行,當(dāng)主機(jī)停止運(yùn)行時(shí)補(bǔ)償電容也一齊被切除,各機(jī)組之間的電容器相互獨(dú)立不能互補(bǔ),電容器得不到充分利用,增加了設(shè)備投資。由于補(bǔ)償電容器隨著主機(jī)的運(yùn)行而一齊投入運(yùn)行,則主機(jī)的啟動(dòng)電流與電容器合閘涌流是同時(shí)處于最大值,兩個(gè)電流最大值相加增大沖擊電流效應(yīng)。
采用成組設(shè)備集中自動(dòng)補(bǔ)償法,則補(bǔ)償容量可根據(jù)當(dāng)時(shí)整體運(yùn)行工況需要,自動(dòng)投入所需容量,可以達(dá)到比較高的補(bǔ)償精度。隨著補(bǔ)償設(shè)備的步長(zhǎng)越短則補(bǔ)償精度越高,如果步長(zhǎng)為無級(jí)變化則功率因數(shù)從理論上講可以精確到1,這將為高精度準(zhǔn)確補(bǔ)償打下基礎(chǔ)。而且不論任何一臺(tái)電機(jī)工作時(shí),補(bǔ)償電容器均可根據(jù)線路總體需要投入運(yùn)行,使每組補(bǔ)償電容器得到充分利用。是可以有效采用的解決方案。
自動(dòng)補(bǔ)償分為兩種形式:(1)靜態(tài)自動(dòng)補(bǔ)償裝置。此裝置有自動(dòng)補(bǔ)償控制器、交流接觸器、電流互感器、空氣開關(guān)以及電容器組成。能夠隨著用戶功率因數(shù)的高低自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償,缺點(diǎn)是投切電容時(shí)會(huì)產(chǎn)生涌流,這就對(duì)斷路器等設(shè)備要求較高。但此裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低,因此經(jīng)常被采用。(2)晶閘管無功動(dòng)態(tài)自動(dòng)補(bǔ)償裝置。此設(shè)備是采用無觸點(diǎn)大功率可控硅,由微電腦的綜合測(cè)試裝置實(shí)時(shí)檢查電力系統(tǒng)的無功功率和功率因數(shù),控制并聯(lián)電容器電流過零投入、等電位切除的裝置。并很好的解決了傳統(tǒng)產(chǎn)品機(jī)械觸點(diǎn)投切電容器燒毀主觸頭的不足,能夠有效地實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的跟蹤補(bǔ)償無功功率,無電流沖擊,無操作過電壓以及測(cè)量、控制的智能化、遠(yuǎn)程化。此裝置運(yùn)行可靠、安全、故障少,但是價(jià)格高。
根據(jù)袁橋東站的實(shí)際運(yùn)行情況和現(xiàn)有設(shè)備的狀況,經(jīng)綜合考慮決定采用靜態(tài)自動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆桨浮lo態(tài)自動(dòng)補(bǔ)償原理如圖1。

圖1 電容自動(dòng)補(bǔ)償原理圖
自動(dòng)補(bǔ)償控制器取10kV母線電壓信號(hào)和電流信號(hào)無功電容補(bǔ)償?shù)哪M輸入信號(hào),并計(jì)算無功需求量、功率因數(shù)。通過控制器的邏輯判斷、程序運(yùn)算來確定電壓的調(diào)整并通過控制回路來控制電容器組的投切,確保電壓和功率因數(shù)在設(shè)定范圍之內(nèi),實(shí)現(xiàn)就地?zé)o功平衡和母線電壓穩(wěn)定。為這種靜態(tài)補(bǔ)償?shù)姆绞椒乐挂蚝祥l涌流和操作過電壓造成對(duì)電容器、斷路器以及對(duì)電網(wǎng)的損害,通過在電容器回路串聯(lián)電抗器、并聯(lián)放電線圈來抑制合閘涌流,防止產(chǎn)生操作過電壓。
根據(jù)計(jì)算袁橋東站的無功補(bǔ)償需要1050kVAr,所以采用等容量分為五組,每組200kVAr,均采用為星形接線,真空斷路器五臺(tái),并與對(duì)應(yīng)的操作機(jī)構(gòu)一體式安裝。安裝自動(dòng)補(bǔ)償控制器一套如圖2,用于檢測(cè)無功運(yùn)行狀況并實(shí)現(xiàn)對(duì)電容器組投切的自動(dòng)控制。

圖2 電容自動(dòng)補(bǔ)償二次側(cè)展開圖
此電路可以手動(dòng)、自動(dòng)控制,圖中QF為上一級(jí)斷路器的輔助接點(diǎn),成為控制電源的閉鎖,1CT—5CT,1CQ—5CQ為控制器內(nèi)部信號(hào),1S1—5S1為行程開關(guān)觸點(diǎn),防止電容器帶電檢修。自動(dòng)投入、切除過程:轉(zhuǎn)換開關(guān)打到自動(dòng)擋,轉(zhuǎn)換開關(guān)觸點(diǎn)3、4接通。當(dāng)控制器檢測(cè)到無功功率、功率因數(shù)等達(dá)到或超過整定的值后,發(fā)出信號(hào)閉合1CT,通過KC6的動(dòng)斷觸點(diǎn)使KC1線圈帶電,KC1動(dòng)合觸點(diǎn)閉合,接通KM1線圈,使真空斷路器1合閘,投入第一組電容。若此時(shí)控制器檢測(cè)到功率因數(shù)還未達(dá)到要求,繼續(xù)閉合2CT,投入第二組電容,直至功率因數(shù)達(dá)到要求為止。當(dāng)功率因數(shù)超前時(shí),控制器閉合1CQ接通KC6,使1CT—KC6—KC1回路中的KC6的動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開,KS1失電使KM1跳閘,切除電容。以此類推,直至功率因數(shù)達(dá)到要求為止。手動(dòng)操作過程:轉(zhuǎn)換開關(guān)觸點(diǎn)5、6接通,按下SB1開關(guān),KS1線圈得電KS1觸點(diǎn)閉合,接通KM1,投入第一組電容器,以此類推按SB2投入第二組電容器。切除時(shí)按SB6切除第一組,同樣SB7切除第二組。
綜上所述,袁橋東站經(jīng)過改造,克服了母線集中補(bǔ)償?shù)木窒扌裕行У亟档土诵×髁窟\(yùn)行時(shí)的運(yùn)行成本,取得了較好的效果。目前廣泛使用的補(bǔ)償方式,大多數(shù)都是有級(jí)補(bǔ)償,為了達(dá)到更精確補(bǔ)償效果,最理想的補(bǔ)償方式是實(shí)現(xiàn)微機(jī)調(diào)控的無級(jí)自動(dòng)補(bǔ)償方式,可以根據(jù)需要使補(bǔ)償后的功率因數(shù)達(dá)到最理想的精度,但是由于其技術(shù)含量高,投資費(fèi)用也相對(duì)高,要求較高的管理維護(hù)水平■
(作者單位:徐州市水利局221018沛縣水建總公司221700豐縣水利局221600)