污水處理廠無功補償和功率因數調節分析

鐘文娟

摘 要

污水處理廠普遍存在功率因數偏低的現象，會加大電能損耗，降低內部配電網的電能質量。基于此，本文從污水處理廠無功功率的內涵與影響要素入手，以某污水處理廠為例，借鑒其成功經驗，闡述無功補償、提升功率因數的措施，為其他污水處理廠提高電能質量提供幫助。

關鍵詞

污水處理廠;無功補償;功率因數

中圖分類號： X703;TM714.3 ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 31

Abstract

Low power factor generally exists in sewage treatment plants， which will increase the power loss and reduce the power quality of the internal distribution network. Based on this， this paper starts with the connotation and influencing factors of reactive power in sewage treatment plants， taking a sewage treatment plant as an example， drawing on its successful experience， describing measures for reactive power compensation and improving the power factor， and improving power quality for other sewage treatment plants provide help.

Key word

Sewage treatment plant; Reactive power compensation; The power factor

0 前言

在污水處理廠運行中，涉及鼓風機、攪拌機與水泵等感性負荷設備，導致異步電動機產生較多無功功率，使部分設備表現出輕載或不滿載運行狀況，降低功率因數，使其不滿足供電部門的標準規范。就此，污水處理廠需提高對無功功率的重視，通過有效的無功補償措施，調節功率因數，節能降耗。

1 污水處理廠無功補償分析

在配電系統中，如果容量過大，技術人員會配置無功補償裝置，用于提升設備的功率因數，減少配電網的損耗。在某污水處理廠中，檢測人員對變壓器進行短時間檢測，雖然檢測結果表明，變壓器在負載低于25%的工況下，功率因數大于0.9，總諧波畸變率低于5%，滿足國家標準。但結合現場勘查結果與檢測數據，分析該污水處理廠在無功補償方面仍存在不足。

1.1 存在諧波源與沖擊負荷

在該污水處理廠采用的生產設備中，變頻器會產生一定數量的非線性符合，導致諧波電流的出現。根據檢測人員的檢查結果，該污水處理廠的電流總諧波畸變率含量高，會影響配電系統的正常運行，降低電能質量，導致電力得不到有效應用，引發能耗現象，還會降低供電系統的供電可靠性、連續性與安全性。需要注意的是，在該污水處理廠的檢測中，技術人員是在負荷低于25%的工況下采集數據，未來該污水處理廠擴大生產，或者設備負荷增加時，諧波造成的影響更為顯著，需技術人員采取有效措施抑制諧波污染，保障供電穩定性。

1.2 無功補償設備不完善

通常來說，工業企業會將無功補償電容器組配置于線性負荷場所，如普通交流電動機等，用于補償無功功率，提高運行效率。但在實踐運行中，受有諧波與參數設置的影響，電容器組會引發諧波放大現象，對電容器及配電系統的正常運行造成影響，引發安全事故。以污水處理廠為例，該企業選用天正電氣公司的電容和電抗組合，設備投入使用的時間較短，但已經出現電容器損毀或電纜燒毀等電氣事故（如圖1所示），影響設備的安全運行。可見，在配電網存在諧波污染情況下，僅通過普通電容補償柜，實施無功補償，并不能有效補償無功功率，反而會出現諧波放大或諧振問題，加劇諧波污染。

同時，諧波污染也會導致電容器出現過電流現象，產生如下危害：（1）影響電動機的正常運行，縮短其使用壽命，甚至造成難以挽回的損壞;（2）加大配電系統銅損與鐵損的概率;（3）降低生產系統中測量儀表的準確性，影響生產質量與效率;（4）導致配電系統的電壓或電流出現正弦波形畸變現象，為無功補償裝置遺留安全隱患。

2 污水處理廠無功補償及功率因數調節策略

2.1 功率因數調節策略

就工業企業而言，其無功功率損耗的部分集中于異步電動機、變壓器及線路三個部分。其中，異步電動機的損耗約占70%;變壓器的損耗約占20%;線路的損耗約占10%。就此，該污水處理廠通過異步電動機和變壓器的參數調節，降低設備的感抗，提高自然功率因數，提高電網的運行效率，降低能耗，具體實施措施如下。

（1）優化異步電動機容量的選擇，確保異步電動機始終保持趨近于滿載的運行狀態。在該污水處理廠中，異步電動機在保持空載運行工況時，功率因數cosφ的數值在0.2-0.3之間;在保持滿載運行工況時，其功率因數cosφ的數值在0.7-0.9之間。就此，技術人員將污水廠中平均負荷低于40%的異步電動機，進行更換處理，替換為小容量的異步電動機，確保異步電動機可在低負荷下保持滿載運行，提高功率因數。

（2）優化污水處理廠的生產工藝流程，創新用電設備的運行方式，避免設備出現空載運行，提升功率運輸。例如，針對耗能較大的設備，技術人員對其進行就地補償優化，為鼓風機提供就地補償電力電容器，將功率因數提升到0.95。

（3）定期開展異步電動機的運維檢修工作，保障異步電動機各器件的質量，避免異步電動機的零件間隙過大，加大運行負荷。

（4）針對污水處理廠的部分特定工藝條件，如引入大容量低轉速的水泵等，技術人員引入同步電動機補償措施，通過同步電動機的引入，使設備的過勵磁超前運行成為可能，用于補償系統的感性無功功率，提高功率因數[1]。

2.2 無功補償措施

第一，抑制諧波。為避免諧波引發安全問題，采取多項措施抑制諧波，保障電網運行安全。（1）在變頻器電源中配置電抗器，用于控制變頻器的開關次數，實現其安全可靠運行;（2）在電網系統中配置無源或有源濾波器，并將電抗器與電容器串聯，吸收諧波電流，提升配電網的供電質量，保障電壓參數的規范。在電抗器與電容器串聯操作中，技術人員將原本的無功補償柜為基礎，將電容器更換為抑制諧波性無功補償電容器，提高諧波電流抑制效率，保障企業運行安全。

第二，明確電抗器電抗率。在采取電抗器與電容器串聯方案后，技術人員需結合污水處理廠配電網的現場諧波源，明確電抗器的電抗率。根據技術人員檢測的數據，污水處理廠車間配電系統中產生的高次諧波主要為五次諧波，還含有7次諧波與3次諧波，后兩者出現的概率偏低。在諧波抑制中，5次以上的諧波需采取6%及以上電抗率的電抗器，由于3次波會在6%電抗率的電抗器中出現放大現象，引發諧振。所以技術人員將電抗器的電抗率設定為7%。

第三，明確電容器補償容量。在以往的工作中，污水處理廠的電容器容量由變壓器容量決定，取為變壓器容量的30%。但在電抗器與電容器串聯后，為避免無功補償容量不足或浪費，技術人員重新計算無功需量，將泵的目標功率因數設定為0.95，按照標準公式計算無功功率，最終選擇八組30kvar 450V的無功補償裝置，并配置抑制諧波電抗器，實現無功補償柜的有效改造[2]。

采取上述改造方案后，5次波下降顯著，其他諧波也有所降低，且補償電容器不再出現過電流現象。另外，技術人員需結合其他變壓器的運行工況，分析其是否存在諧波污染，并采取相應的諧波抑制措施，提升污水處理廠的電能質量，促進其可持續發展。

3 結論

綜上所述，污水處理廠需提高對無功功率及功率因數的重視，采取有效措施提升功率因數，強化運營效益。借鑒該污水處理廠的成功經驗，通過諧波抑制，改造無功補償裝置，保障配網的安全運行;通過自然因數提高措施，降低配網的能耗，提高設備運行效益。

參考文獻

[1]張悅.試論污水處理廠電氣控制與變配電設備管理[J].中小企業管理與科技（下旬刊），2019（10）：14-15.

[2]馬建彬，韓海寧，邱俊華，郝華.有源電力濾波器在污水處理廠中的應用[J].天津冶金，2016（05）：44-46.