淺談徐州市袁橋東站泵站無功補償的改造

馬清坡 張永武 馬衣峰

淺談徐州市袁橋東站泵站無功補償的改造

馬清坡 張永武 馬衣峰

一、概述

在電力系統中，隨著變壓器和交流電動機等電感性負載的廣泛使用，電力系統的供配電設備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供配電設備容量，同時增加了線路輸送電流，因而增加了饋電線路損耗，使電力設備得不到充分利用。作為解決問題的辦法之一，就是采用無功功率補償裝置，使無功功率就地得到補償，盡量減少或不占用供配電設備容量，提高設備的利用效率。最常見的辦法就是采用電容器組提供電容性電流對電感性電流給予補償，以提高功率因數。在高壓系統中，目前使用比較多的補償還是傳統的固定式電容補償裝置，集中的自動補償裝置使用還很不普遍。由于傳統的補償方式存在安全性能差、補償精度低和勞動強度大等問題，普遍希望有一種更加安全可靠、補償精度和自動化水平更高的補償裝置供設計選用。

二、基本情況

袁橋泵站東站（以下簡稱袁橋東站）于2000年建成，總設計流量為20m3/s,總裝機容量為2400kW。共安裝6臺水泵機組，水泵為1000HD-9的混流泵，設計流量為3.33m3/s，揚程7.5m。配套電機型號為YLB560-12，功率為400kW，功率因數為0.719，額定電壓為10kV，額定電流為34.5A，絕緣等級為F。袁橋東站位于奎河和故黃河之間，其作用為當市區降暴雨時，奎河自排能力不足或袁橋西站開機強排作用仍不明顯時，開機運行，將奎河水通過出水箱涵排至故黃河中。

由于袁橋東站的設計過程中主要考慮了在防汛抗旱中的強排作用，在強排過程中要求6臺機組同時開啟，在最短的時間內降低奎河水位，以確保市區內不出現積水現象，所以袁橋東站的電容補償方式為母線集中補償的方式。然而隨著近年來公眾對市區水環境的要求不斷提高，又承擔了為故黃河補水，以改善故黃河水質的任務。在補水的過程中，一般流量很小（約在3～5m3/s），所以袁橋東站只能是1～2臺機組交替間歇運行。由于采用了集中補償，所以電容在補水的過程中無法投入運行，導致功率因數達不到供電部門的要求，增加了運行的費用。

三、解決方案選擇

要想解決上述問題，得到理想的補償效果，首先要確定合理的補償實施方案、準確計算需要補償的容量。目前常見的補償方法有傳統的固定式電容器組人工插拔熔斷器控制補償容量法、單臺設備隨機就地電容補償法和集中電容器自動補償法。其中傳統補償方法簡單，但補償精度低，勞動強度大，危險性大，受人為因素影響太多。故不能選擇。

單臺設備就地補償法就是針對單臺設備在當地進行補償，其優點是從設備需求點補償，深入到需求補償第一位置，補償范圍大。其缺點是確定補償容量困難。既不能過補償，又必須保證電路不得發生LC諧振和避免發生自激現象。因在計算無功電流時，無功電流主要成分是由電機勵磁電流I0，滿負荷運行時的無功電流增量ID1、欠載運行時的無功電流增量ID2等組成的。因為隨著電動機運行狀態的變化，上述各參數都在不停地變化，動態變量變化因素太多，很難確定準確的無功補償需求量。不同的生產設備在選配電動機時的啟動容量裕度各不相同，所以，在設備運行中其電動機的飽和程度各不相同，其欠載運行的無功電流增量ID2各不相同；其次，電動機的實際工作狀態隨時變化，如水泵電機隨著進水水位、出水水位的變化電動機負載率隨時都在變化，無法確定準確的工況。而單臺設備就地補償法在補償容量確定后，是以固定不變的補償容量，去平衡隨時浮動變化的動態工況，就很難得到滿意的高精度補償效果。此外，在單臺補償的電容器裝置中，補償電容器是與主機一對一固定配套安裝的，隨著主機的運行而補償電容器同時投入運行，當主機停止運行時補償電容也一齊被切除，各機組之間的電容器相互獨立不能互補，電容器得不到充分利用，增加了設備投資。由于補償電容器隨著主機的運行而一齊投入運行，則主機的啟動電流與電容器合閘涌流是同時處于最大值，兩個電流最大值相加增大沖擊電流效應。

采用成組設備集中自動補償法，則補償容量可根據當時整體運行工況需要，自動投入所需容量，可以達到比較高的補償精度。隨著補償設備的步長越短則補償精度越高，如果步長為無級變化則功率因數從理論上講可以精確到1，這將為高精度準確補償打下基礎。而且不論任何一臺電機工作時，補償電容器均可根據線路總體需要投入運行，使每組補償電容器得到充分利用。是可以有效采用的解決方案。

四、集中自動補償的原理

自動補償分為兩種形式：（1）靜態自動補償裝置。此裝置有自動補償控制器、交流接觸器、電流互感器、空氣開關以及電容器組成。能夠隨著用戶功率因數的高低自動跟蹤補償，缺點是投切電容時會產生涌流，這就對斷路器等設備要求較高。但此裝置結構簡單、價格低，因此經常被采用。（2）晶閘管無功動態自動補償裝置。此設備是采用無觸點大功率可控硅，由微電腦的綜合測試裝置實時檢查電力系統的無功功率和功率因數，控制并聯電容器電流過零投入、等電位切除的裝置。并很好的解決了傳統產品機械觸點投切電容器燒毀主觸頭的不足，能夠有效地實現快速準確的跟蹤補償無功功率，無電流沖擊，無操作過電壓以及測量、控制的智能化、遠程化。此裝置運行可靠、安全、故障少，但是價格高。

根據袁橋東站的實際運行情況和現有設備的狀況，經綜合考慮決定采用靜態自動補償的方案。靜態自動補償原理如圖1。

圖1 電容自動補償原理圖

自動補償控制器取10kV母線電壓信號和電流信號無功電容補償的模擬輸入信號，并計算無功需求量、功率因數。通過控制器的邏輯判斷、程序運算來確定電壓的調整并通過控制回路來控制電容器組的投切，確保電壓和功率因數在設定范圍之內，實現就地無功平衡和母線電壓穩定。為這種靜態補償的方式防止因合閘涌流和操作過電壓造成對電容器、斷路器以及對電網的損害，通過在電容器回路串聯電抗器、并聯放電線圈來抑制合閘涌流，防止產生操作過電壓。

根據計算袁橋東站的無功補償需要1050kVAr，所以采用等容量分為五組，每組200kVAr,均采用為星形接線，真空斷路器五臺，并與對應的操作機構一體式安裝。安裝自動補償控制器一套如圖2，用于檢測無功運行狀況并實現對電容器組投切的自動控制。

圖2 電容自動補償二次側展開圖

此電路可以手動、自動控制，圖中QF為上一級斷路器的輔助接點，成為控制電源的閉鎖，1CT—5CT,1CQ—5CQ為控制器內部信號，1S1—5S1為行程開關觸點，防止電容器帶電檢修。自動投入、切除過程：轉換開關打到自動擋，轉換開關觸點3、4接通。當控制器檢測到無功功率、功率因數等達到或超過整定的值后，發出信號閉合1CT，通過KC6的動斷觸點使KC1線圈帶電，KC1動合觸點閉合，接通KM1線圈，使真空斷路器1合閘，投入第一組電容。若此時控制器檢測到功率因數還未達到要求，繼續閉合2CT，投入第二組電容，直至功率因數達到要求為止。當功率因數超前時，控制器閉合1CQ接通KC6，使1CT—KC6—KC1回路中的KC6的動斷觸點斷開，KS1失電使KM1跳閘，切除電容。以此類推，直至功率因數達到要求為止。手動操作過程：轉換開關觸點5、6接通，按下SB1開關，KS1線圈得電KS1觸點閉合，接通KM1，投入第一組電容器，以此類推按SB2投入第二組電容器。切除時按SB6切除第一組，同樣SB7切除第二組。

五、結論

綜上所述，袁橋東站經過改造，克服了母線集中補償的局限性，有效地降低了小流量運行時的運行成本，取得了較好的效果。目前廣泛使用的補償方式，大多數都是有級補償，為了達到更精確補償效果，最理想的補償方式是實現微機調控的無級自動補償方式，可以根據需要使補償后的功率因數達到最理想的精度，但是由于其技術含量高，投資費用也相對高，要求較高的管理維護水平■

（作者單位：徐州市水利局221018沛縣水建總公司221700豐縣水利局221600）