大型排灌站高壓電機就地無功補償技術探討

劉凱

（中交第二航務工程勘察設計院有限公司，武漢430061）

1 引言

大型排灌站中主要用電設備為水泵電機，大型排灌站具有機組臺數不多、單機容量較大、功率因數較低等特點，排灌站通常屬于季節性負荷，機組同時運行臺數不固定。若采用集中補償方式，在非汛期機組運行臺數較少而總補償容量較大時可能會引起過補償。大型異步電機功率因數通常較低，若不補償功率因數，則不能滿足供電部門對用戶功率因數的基本要求，而功率因數太低線路損耗會較大線路壓降也較大。

2 項目背景

本文以安徽省馬鞍山市華嚴湖排澇泵站為例，對高壓異步電機就地無功補償技術進行探討。華嚴湖站配有10 kV高壓異步電機5臺，功率560 kW/臺。泵站主要功能為城區汛期排澇，用電負荷為季節性負荷，泵站開機臺數受來水量影響較大。泵站10 kV高壓電機功率因數出廠值為0.73，功率因數沒有達到電網合理運行要求，需進行無功補償。

3 電氣主接線

單機就地補償即將無功補償裝置與單臺水泵電機并聯，一對一進地行補償。補償裝置主要元器件包括投切開關、避雷設備、電容專用熔斷器、電容器、電抗器和放電線圈等。對于10 kV無功補償裝置，利用真空接觸器、真空斷路器作為補償裝置投切開關。

圖1 單機就地補償裝置接線圖

4 無功補償容量的計算

無功補償容量既要滿足供電部門的最低功率因數限制要求，同時也要避免過補償。電機過補償會使電機運行電壓超出額定，對電機絕緣和電容器絕緣都不利[1]。根據規范要求，對于采用就地補償的異步電動機，補償電容器額定電流要低于電動機勵磁電流的0.9倍。

1）根據滿足供電部門要求計算最小補償容量

式中，Qc為無功補償容量，kvar；P1為電動機的輸入功率，kW；tanφ1為補償前功率因數正切值；tanφ2為按要求補償后電動機功率因數正切值，一般按cosφ2不小于0.9取值。

在設計過程中，一些設計人員往往直接將電機的額定功率當作P1代入公式，同時電機的基本參數中也只給出了額定功率和效率，需要根據電機出廠效率值，計算出電機的輸入功率。電機的輸入功率是電機額定功率和效率的比值，額定功率要小于輸入功率，對于低效率、大功率電機輸入功率和額定功率相差較大，相對應的計算得到的補償容量也相差較遠。

2）按空載電流計算最大補償容量

式中，Qc為無功補償容量，kvar；Ue為電動機的額定電壓，kV；I0為電動機空載電流，A。

電機空載電流是電機設備出廠參數，在設計初期，電機設備還沒有制造完成，無法獲得設備的準確空載電流，可根據0.2~0.4倍電動機額定電流估算空載電流，最終根據空載電流出廠值復核無功補償容量[2]。

5 設備選型要點

5.1 電容器的選型

電容器是改善電力質量的核心元器件，電容器主要技術參數包括：額定電壓、介質結構和過電壓范圍等。電容器額定電壓既要與接入系統處的標稱電壓相適應，同時，也要考慮串入電抗器引起的電壓升高對電容器的影響。電容器額定電壓選取過高會造成無功補償裝置實際輸出容量與設置容量偏差加，大功率因數補償不到位；額定電壓選取過低又會造成電容器過電壓運行對電氣設備造成損壞。

電容器額定電壓的選取：

式中，Urc為電容器的額定電壓；Un為電容器接入系統的標稱電壓，kV；S為電容器每相的串聯段數，電壓10 kV及以下時為1；K為串聯電抗器的電抗率。

在GB 50227—2017《并聯電容器裝置設計規范》中給出了單體電容器額定容量優選值，單臺電容器容量按照優選值選取。電容器額定容量優先值為：50 kvar、100 kvar、200 kvar、334 kvar、500 kvar[3]。

5.2 電抗器的選型

無功補償裝置中串聯電抗器可以有效抑制諧波放大和合閘涌流，起到改善系統電能質量的作用，對電網安全運行十分重要。電抗器電抗率的選取需要分析連接系統所包含的諧波源，諧波源通常有換流設備、鐵芯設備、電弧爐、照明設備等非線性電氣設備。電抗率選取值見表1。

表1 電抗率選取值%

5.3 熔斷器的選型

選用電容器專用熔斷器對單臺電容器進行保護，熔斷器的熔絲額定電流可按電容器額定電流的1.37～1.50倍選擇。熔斷器的額定值應優先按表2數值選取。

表2 熔斷器額定值優先選取數值

5.4 放電線圈的選型

補償裝置中的電容器接入放電線圈可以實現電容器快速放電縮短放電時間。電容器在斷電后仍有殘余電荷依靠自身放電，放電時間會較長且不能滿足二次投運或檢修的要求[4]。如果電容器仍有殘余電荷時，合閘會產生過電壓和過電流，對運行人員和產品設備造成危害。放電線圈額定電壓和放電容量應與相并聯電容器組相適應，放電線圈應能保證在5 s內將電容器剩余電壓降至50 V及以下[5]。

6 設備布置要求

為防止電容器發生火災或者爆炸引起其他設備的損壞，電容器一般單獨分配房間布置，當無功補償裝置與高壓柜布置在同一房間時，相互間距應不小于1.5 m。電容器室門窗應采取措施防止小動物進入和雨雪飄入。

7 無功補償計算實例

華嚴湖泵站補償前功率因數0.73，設計功率因數目標值0.92，單機額定功率560 kW，額定電壓10 kV。

電動機輸入功率：

式中，PN為電動機的額定功率，kW；η為電動機效率。

將數據代入式（1）計算，得：Qc=615×（0.94-0.43）=314 kvar

按照空載電流計算無功補償容量：電機額定電流IN=49 A，電機空載電流按I0=0.4IN，代入式（2）得無功補償容量

由計算結果可知，無功補償容量最大值為305 kvar。本工程設有軟啟動柜，柜內含有晶閘管等非線性設備，為主要諧波源。晶閘管等設備主要產生的5次和7次諧波[6]。根據電抗率選取值表1選取電抗率，電抗率取5%，額定電壓與系統標稱電壓一致取10 kV。根據式（3）計算電容器額定電壓

從電容器標準系列中挑選接近計算值的額定電壓，電容器額定電壓取單臺電容器額定容量優先值為100 kvar，電容器過電流能力1.5In。單臺電容器額定電流為5.77 A，電容器保護專用熔斷器熔絲額定電流取8 A。

計入電容器運行電壓和額定電壓差異，以及串入電控器后的影響，并聯電容器裝置實際輸出容量為：

式中，Qc為實際輸出容量，kV·A；Qr為補償容量，kvar；Uav為平均運行電壓，kV，取1.5倍系統標稱電壓；Ur為并聯電容器裝置額定電壓，kV；K為串聯電抗器的電抗率。

代入式（5）得Qc=300×（10.5/11）2×（1-0.05）=259 kvar

補償后功率因數：cosφ=cos{arctan-1[615tan(arccos0.73)-259]/615}=0.89。從計算結果可看出，由于電容器運行電壓與額定電壓的差異和串入電抗器的影響，補償后功率因數與功率因數目標值仍存在差距。若按照350 kvar來選取無功補償容量，實際輸出容量Qc=350（10.5/11）2×（1-0.05）=302 kvar，滿足空載電流計算的最大無功補償容量305 kvar，此時，補償后的功率因數為cosφ=cos{arctan-1[615×tan(arccos0.73)-303]/615}=0.915，可見，補償后的功率因數接近目標值。就地無功補償裝置無功補償的容量，需要按照電機空載電流進行校驗。與此同時，受電容器運行電壓和額定電壓的差異及串入電抗器的影響，電容實際輸出容量和補償后的功率因數需核算。

8 結語

對于單機容量大、功率因數低、機組運行臺數又不固定的電氣設計中，采用單機就地補償可很好地滿足供電部門要求的功率因數值，同時也可避免過補償情況。設計者還需要在補償容量計算過程中考慮電機空載電流、電容器額定電壓以及串入電抗器對補償容量的影響。