宣城市朱候排澇泵站功率因數不達標的原因分析及處理

周逸波

（長江勘測規劃設計研究有限責任公司上海分公司,上海 200439）

0 引言

由于近年來城市化進程加速和極端天氣頻發,我國城市暴雨洪澇災害問題越來越突出。為保障人民的生命財產安全、維護社會的可持續發展,各地均興建排澇泵站來提高城市防洪排澇能力。異步電動機因其維護便利性和高可靠性而在排澇泵站中得到廣泛應用。由于異步電動機在正常運行時需要消耗一定的無功功率,因此需要設置就地無功補償裝置,以滿足供電部門對功率因數的考核,并起到提高供電質量、節約電能、減少用戶運行費用的作用[1-2]。

宣城市朱候排澇泵站設3 臺立式軸流泵,每臺水泵配套異步電動機,額定功率為250 kW,額定電壓為380 V,額定電流為567 A,額定效率為91.7%,額定功率因數為0.73。3 臺水泵電機由1 臺容量為1600 kVA 的主變壓器供電,主變壓器0.4 kV 母線上設置了2 套無功補償裝置,每套補償容量為270 kvar,合計補償容量為540 kvar。

根據當地水利部門反映,當3 臺泵組全部投入運行,無功補償全部投入后,功率因數可補償到0.85 左右,達不到供電公司要求的0.9,因而被供電公司罰款。筆者受邀前往該泵站排查問題原因并提出解決措施。

1 無功補償容量計算分析

異步電動機的無功補償容量計算公式如下：

式中：Q 為無功補償容量,kvar；P 為電動機輸出功率,kW；η為電動機效率；tan?1為補償前功率因數的正切值；tan?2為補償后功率因數的正切值,該值一般按cos?2不小于0.9 值。

取目標功率因數為0.9 時,利用式（1）對電機額定工況時需要的無功補償容量進行計算,并考慮變壓器無功損耗約為40 kvar,得Q =3×250÷0.917×（0.936-0.484）+40=409.7 kvar。泵站實際配置的無功補償容量為540 kvar,大于409.7 kvar,理論上已能滿足需求,故對問題產生原因進行分析。

2 問題原因分析

2.1 電容器安裝容量與輸出容量的區別

式（1）中的計算結果Q 為泵站實際需要的無功補償容量,即應為電容器裝置的實際輸出容量。由于電容器裝置的額定電壓、串聯電抗器等因素的影響,電器容裝置的安裝容量和輸出容量是有區別的。

根據《工業與民用配電設計手冊》（第四版）表1.11.5.2中公式：

式中：Qc為并聯電容器裝置的實際輸出容量,kvar：QN為并聯電容器裝置的安裝容量,kvar：Uc為并聯電容器裝置的平均運行電壓,取0.4 kV；UN為并聯電容器裝置的額定電壓,現場配置電容器裝置的額定電壓為0.45 kV。

為串聯電抗器的電抗率,現場配置串聯電抗器的電抗率為7%。

利用式（2）計算得Qc=0.735 QN,可知電容器的安裝容量小于輸出容量,為0.735 倍,有著不小的差距。代入本工程參數,泵站配置的電容器安裝容量為540 kvar,則電容器實際輸出容量僅為397 kvar,小于409.7 kvar,不滿足要求。

在實際工程中,如設計單位不作特別說明,則電容器廠家一般按照安裝容量來配置電容器,造成電容器實際輸出容量不滿足系統所需容量,這個問題常被設計單位、電容器廠家所忽略。

2.2 水泵電機處于低負載率工況運行

筆者對水泵電機回路的電氣參數進行了測量,讀數見表1。

表1 水泵電機回路電氣參數讀數

由表1 可知,此時水泵電機輸出功率為143 kW,功率因數為0.478。電機負載率β=143÷250=57.2%。可見水泵電機此時處于低負載率工況運行。由于在相同的目標功率因數下,異步電動機在負載率較低的工況運行時需要的無功補償容量比額定工況運行時大,因此需要對電機此時工況下需要的無功補償容量進行計算。

取目標功率因數為0.9 時,利用式（1）對電機此時工況需要的無功補償容量進行計算,忽略電機效率的變化,并考慮變壓器無功損耗約為40 kvar,得Qc=3×143÷0.917×（1.838-0.484）+40=673.4 kvar。泵站無功補償裝置實際輸出容量僅為397 kvar,小于673.4 kvar,不滿足要求。

2.3 水泵電機性能不佳

圖1為水泵電機廠家提供的本工程水泵電機性能曲線圖。由圖1 點可知,當水泵電機輸出功率運行在143 kW 時,電機功率因數應達到0.58 左右。由表1 可知,當水泵電機輸出功率運行在143 kW 時,電機實際功率因數僅為0.48,達不到水泵電機廠家承諾標準,且存在著不小的差距,從而可以判定本工程水泵電機性能不佳。

圖1 水泵電機性能曲線圖

3 問題處理方法

根據2.2 節計算結果可知,水泵電機此時工況下需要的無功補償輸出容量為673.4 kvar,利用式（2）將輸出容量QC轉換為安裝容量QN,得,考慮一定裕量,取960 kvar。

由于本工程已配置的無功補償裝置容量為540 kvar,因此需要增補的無功補償裝置容量為420 kvar。由于需要增補的無功補償裝置容量較大,無法直接在變電所原有的2 臺無功補償柜中增加電容器,且變電所內土建位置緊張,無法增設無功補償柜。因此,在3 臺水泵電機現地控制柜旁分別增加1 臺低壓就地無功補償柜,每臺柜內配置的無功補償容量為140 kvar,合計420 kvar。

在得出解決方案之后,當地水利部門立即著手在該泵站增補了3 臺低壓就地無功補償柜,合計無功補償容量為420 kvar。改造完成后,該泵站的功率因數始終大于0.9,功率因數不達標的問題得到了解決。

4 排澇泵站無功補償容量計算建議

由于排澇泵站的運行揚程較低,揚程變化范圍較大,因此,排澇泵站水泵電機具有較寬的運行負載率區間,電動機低負載率工況運行經常出現[2-3]。另外,由于項目進度等原因,設計單位在設計過程中,往往難以獲得水泵電機的性能曲線圖,無法對于水泵電機各負載率工況下所需要的無功補償容量進行分別計算。再者,如果出現本工程中水泵電機性能達不到電機性能曲線圖標準的情況,則會對無功補償容量計算造成進一步的干擾。

根據以往項目經驗,建議設計單位在進行無功補償容量計算時,可以采用水泵電機額定工況下的參數,但應留有充分的裕量,一般按照目標功率因數為0.95 時進行計算。在得到計算結果后,要注意將無功補償輸出容量換算為安裝容量,避免引起混淆。由于低壓電容器可由功率因數控制器進行動態分組投切,因此無功補償容量即使留有充分的裕量也不會造成過補償問題。

5 結語

無功補償容量計算是排澇泵站電氣設計中一個非常重要的環節，關系到泵站電氣系統功率因數是否滿足供電部門的考核標準。實際工作中,由于排澇泵站水泵電動機的負載率變化較大、電容器安裝容量與輸出容量存在換算關系等原因,若設計單位在計算時不加以考慮,容易導致排澇泵站實際配置的無功補償容量不滿足要求。

本文以宣城市朱候排澇泵站出現功率因數不達標的問題為例,分析了問題產生的原因,提出了解決問題的方法以及對排澇泵站無功補償容量計算的建議,可為類似工程的設計以及出現問題后的排查整改提供有效的參考借鑒。

下一步可統計分析排澇泵站運行揚程與水泵電機負載率之間的關系,得到與實際值更加接近的無功補償計算方法,從而降低計算誤差。