大型城市排澇泵站電機就地無功補償的容量選擇

文/于洪帥

1 概述

電網上的用電設備，需要適量無功功率才能運行，無功是維持電網正常工作的必不可少的因素，對電網的安全運行起到至關重要的作用。電網中的電力負荷如電動機、變壓器等，大部分屬于感性負荷，在運行過程中這些設備需要適量無功功率。在電網中安裝并聯電容器等無功補償設備以后，可以提供感性負載所消耗的無功功率，減少電網電源向感性負荷提供、由線路輸送的無功功率。由于減少了無功功率在電網中的流動，可以降低線路和變壓器因輸送無功功率造成的電能損耗。

無功功率補償裝置在電力系統中所承擔的作用是提高電網的功率因數，降低供電變壓器及輸送線路的損耗、提高供電效率和改善供電質量等。無功補償的傳統方式為直接在母線或線路上并聯電力電容器，通過合理的選擇電容器的容量，這種方式可以滿足電力系統對于補償后功率因數的要求，電氣設備數量較少，接線簡單明了，應用廣泛。

在市政工程的大型城市排澇泵站中，主要用電設備是雨水泵的電機。根據樣本和現場經驗數據，大型城市排澇泵站電機電壓為10kV，單臺電機功率在400kW～2000kW之間，功率因數一般在0.65～0.85之間，電機數量保持在3～10臺之間。在大型城市排澇泵站工程中，如果采用高壓母線上并聯電力電容器的方法，存在著控制不靈活、檢修不方便等缺點，因而在實際工程中，多采用在水泵電機現場進行就地補償。

就地補償具體實施方式是將高壓電容器組與電動機并聯在高壓配電柜的出線側，通過控制、保護裝置與電機同時投切。隨機補償適用于補償電動機的無功消耗，以補償磁無功為主，此種方式可有效減小開關、電纜回路的電流，適當減輕開關和電纜的負擔。就地補償的優點是用電設備運行時，無功補償投入，用電設備停運時，補償設備也退出，不需要頻繁調整補償容量。具有投資少、占空間小、安裝容易、配置方便靈活、維護簡單、事故率低等特點。

2 就地無功補償容量選擇

就地無功補償容量有多種計算方式，本文主要介紹目標功率因數法和空載電流法兩種。下面對這兩種方法分別進行介紹：

2.1 目標功率因數法

目標功率因數法是最常見的無功補償容量計算方法，其計算原理是計算目標功率因數對應的無功容量與當前電機實際功率因數對應的無功容量進行差值計算，得到就地無功補償的計算容量。

公式如下：

其中：

Q--------需要無功補償容量，即無功補償裝置輸出無功量，kVar；

P1---------電動機的輸入功率，kW；

cos -----電動機補償前的功率因數；

cos 1----電動機補償后目標功率因數；

其中，P1電動機的輸入功率通過下式計算：

式中：

PN----電動機額定輸出功率，kW

β-----電動機負載率

η-----電動機效率

2.2 空載電流法

在無功就地補償中，由于在末端無功補償裝置與中壓電機末端進行并聯，如果無功補償容量和電機容量不匹配，在斷開電源時，電機端電壓不立即下降為0，有時反而異常升高，然后隨著轉速下降。這種現象稱為電動機的自勵磁現象，其原因是因為電源斷開后，已經充電的電容器對電動機放電，此電流給異步電動機勵磁，使異步電動機變為異步發電機運行。

在實際工程中，計算無功補償容量的設計階段，通常中標設備廠家未確定，因而得不到準確的電機空載電流參數，此時查閱廠家電機樣本值可得到類似工程項目的空載電流值Ιo作為計算參考依據，待后期得到準確數據后再進行核驗。

按照空載電流法進行計算，得到電機空載運行時無功補償的需要容量：

式中：Q----需要無功補償容量，kVar；

Uc-----額定電壓，kV；

Ιo-----電動機空載電流，A；

Kf----補償裕量系數，取0.9；

2.3 安裝容量與輸出容量換算

通過上面2.1目標功率因數法和2.2空載電流法，可以得到無功補償容量值。實際工程中，一般采用目標功率因數法計算，之后采用空載電流法進行復核，以確保無功補償裝置效果良好并避免自勵磁現象。

采用這兩種方法計算出來的無功補償容量為系統所需要無功補償容量，即該值為無功補償裝置的輸出值。而無功補償裝置，由于運行電壓、串聯電抗值等因素的存在，其安裝容量和輸出容量是有區別的。無功補償設備廠家一般是按照安裝容量來標示，故應根據無功補償的輸出值來計算無功補償的安裝容量。

式中：

Ug----電容器裝置運行電壓值，kV；

Un----系統額定電壓值，kV；

K-----電容器裝置電抗率；

設電容器的實際需要無功補償容量為Q，設計容量為Qc，則有

式中：

Qc----電容器裝置設計無功補償容量，kVar；

Uc----電容器裝置設計電壓值，kV；

Un----系統額定電壓值，kV；

公式（5）計算得到的設計容量Qc就是無功補償裝置的安裝容量。

2.4 計算實例

例：以武漢某大型城市排澇泵站為例，已知水泵電機額定電壓10kV，功率630kW，額定負載時，電機效率為0.955，功率因數為0.82，額定電流為48.2A，空載電流為17.4A，試對無功補償容量進行選型。

第一步：采用目標功率因數法，先確定補償后的功率因數，此處取0.95。并根據公式（2）計算得到電機的輸入功率。

第二步：采用目標功率因數法，計算需要無功補償容量。

第三步：采用空載電流法公式（4），計算得到自勵磁時對應的無功補償容量值。

第四步：判斷無功補償容量值是否會產生自勵磁。由于目標功率因數法計算得到的無功補償輸出容量為243.4kVar＜271.2kVar；故避開了電機的自勵磁點，滿足要求。

第五步：計算無功補償裝置的安裝容量。

查閱廠家相應樣本，與計算結果相近的安裝容量值為280kVar，故取無功補償裝置安裝容量為280kVar。從工程現場運行情況來看，該值較為合理，效果較好，額定負載運行時，無功補償裝置投入后功率因數達到了0.95，達到了設計要求。

3 結語

無功功率補償裝置在電力系統中起到十分重要的作用，它提高電網的功率因數，降低供電變壓器及輸送線路的損耗、提高供電效率，無功功率補償裝置在電力配電系統中處在一個不可或缺的重要位置。本文結合市政建設中的大型城市排澇泵站中無功就地補償裝置的選型計算，對就地安裝無功容量的計算方法進行了梳理，希望對其他電氣同仁和類似工程產生幫助。