排灌泵站供配電系統建設中無功補償方式的探討

甘衛國

隨著異步交流電動機等電感性負載的廣泛使用，供配電系統中經常流動著大量的感性無功電流。這些無功電流占用大量的設備容量，同時增加了線路輸送電流，增加了線路損耗，使電力設備得不到充分利用。

無功補償裝置在供配電系統中能起到提高電網的功率因數，降低配電變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環境的作用，是供配電系統中不可或缺的重要設施。合理地選擇無功補償裝置容量與補償方式，可以有效減少供電網絡的損耗，提高受電端電壓質量。反之，如選擇或使用不當，可能造成供電系統電壓波動、諧波增大等諸多問題。

一、電力行業對功率因數的要求

《電力系統無功補償及調壓設計技術導則》（DL/T 5554-2019）對電力用戶的無功補償要求：高壓供電的用戶在最大負荷時功率因數宜為0.90 以上，小負荷時不應向電網倒送無功。其他100kVA（kW）及以上電力用戶和大中型電力排灌站，功率因數宜為0.85 以上。

電力用戶應根據其負荷的無功需求，設計和安裝無功補償設備，其功率因數應達到0.95 以上。為此泵站應在提高用電自然功率因數的基礎上，設計和裝設無功補償設備，并做到隨負荷和電壓變動及時投入和切除，提高功率因數，并且防止無功電力倒送。

二、無功補償裝置分類

無功補償設備主要分靜態無功補償和動態無功補償兩種類型。靜態無功補償設備包括并聯電容器、并聯電抗器；動態無功補償設備包括靜止無功補償器、靜止無功發生器、調相機、可控高壓并聯電抗器等。排灌泵站一般采用靜態無功補償設備可滿足無功補償需求。在排灌泵站電動機型式選擇中，單機容量在630kVA 及以上電動機，一般選用同步電動機；單機容量在630kVA 以下的電動機，通常選用異步電動機。

1.同步電動機無功補償裝置

同步電動機的電樞繞組一般在定子上，勵磁繞組在轉子上。勵磁繞組由直流電流激勵，直流勵磁電流通過靜止的碳刷與集電環之間的滑動接觸而被導入勵磁繞組。同步電動機需要配備獨立的勵磁直流電源，形成不變磁場，使得轉子與定子旋轉磁場同步，故在額定負載中可保持功率因數在0.95 以上，同時在負載變化時可通過調整勵磁電流保持功率因數恒定。此類電機無需配置專用的無功補償裝置。

2.異步電機無功補償裝置

異步電機是定子送入交流電，產生旋轉磁場，而轉子受感應而產生磁場，磁場作用使得轉子跟著定子的旋轉磁場而轉動。其中轉子比定子旋轉磁場慢，兩者不同步。異步電動機的轉子主要有兩種：繞線式轉子與鼠籠式轉子。異步電動機在額定負載中的功率因數通常在0.6～0.90 之間，極對數不同功率因數相差較大，同時在負載變化時功率因數也會出現較大波動，為滿足電力系統對用戶側功率因數要求，此類電機必須配置專用的無功補償裝置。

三、現行主要無功補償的安裝方式與優缺點

目前，泵站無功補償方式主要有：集中補償、就地補償兩種。兩種補償方式比較如表1。

表1 補償方式的比較表

四、泵站無功補償的方式選擇

1.低壓電動機無功補償方式

對于電動機電壓等級為380V 的泵站，由于國產控制器可以做到20 路，且性能穩定，建議采用集中無功補償方式。

2.10kV 電動機的無功補償方式

對于總裝機臺數較少，運行工況穩定、啟停不頻繁的異步電動機，建議采用單機就地補償方式。補償容量確定時，需充分考慮可能的運行負荷波動時機組功率因數的變化，建議設計工況下按功率因數在0.94～0.96 之間來確定容量，避免電容器和電動機產生自激電壓。

泵站總裝機臺數較多、啟停較為頻繁的異步電動機，建議采用集中補償方式。但在設計補償裝置分組容量與總容量時，需充分考慮泵站各種運行工況下，通過投切不同容量的分組補償裝置，保證始終滿足電力系統的要求。

五、電容器選擇注意事項及效益分析

1.合理選擇電容器電壓等級

選擇電容器時，應按《并聯電容器裝置設計規范》（GB50227-2017）第5.2.2 條要求合理確定電容器電壓與線路電壓相匹配，一般不得低于線路電壓的1.1 倍。

2.考慮線路電壓對電容器容量的影響

電容器的容量與電壓的平方成正比，故在進行補償容量計算時，必須考慮電容器的電壓對電容器容量的影響，以免造成無功補償容量不足，從而造成功率因數不能滿足當地供電部門的要求。如：額電電壓為0.45kV、額定容量為10kVar 的電容器在0.4kV 線路中，其實際容量只有7.90kVar。

3.無功補償效益分析

某中型排灌泵站，裝機為5 臺560kW 異步電動機，額定功率因數0.77，額定效率0.935。按照將本站功率因數補償至0.95 計算，需要配置一套2000kVar 的集中補償裝置，購置費用約為25 萬元。

按照《功率因數調整電費辦法》規定，各功率因數電能費用增減情況如表2。

表2 各功率因數電能費用增減情況表

如本站不裝設無功補償裝置，電動機額定功率因數為0.77，實際執行電價為原價的1.065 倍；如本站裝設無功補償裝置，補償后電動機額定功率因數為0.95，實際執行電價為原價的0.925 倍。

按照泵站年利用小時數300 小時、基準電費 0.54 元/kW·h 計算，補償前年電費約為67.1 萬元，補償后年電費約為58.3萬元，年節省電費約8.8萬元。按照無功補償設備費用25 萬元折算，3年后即可收回投資。因此，在本泵站中配置無功補償裝置經濟效益突出。

六、結語

異步電動機是中小型電力排灌站的主要用電設備。針對運行過程中異步電動機較低的功率因數，選擇一種合理高效的無功補償方式，對降運行成本、提高設備效率、滿足電力系統要求都有重要的意義。綜上，集中補償、就地補償各有優劣，在條件具備的前提下，盡量采用集中補償方式