大中型城鎮排水泵站電動機無功補償設計

郭文會

(中山市水利水電勘測設計咨詢有限公司，廣東 中山 528403)

1 概述

交流異步電機具有結構簡單、制造容易、價格低廉、運行可靠、維護方便、堅固耐用等一系列優點。并且有較高的運行效率和較好的工作特性，從空載到滿載范圍內接近恒速運行，能滿足大多數工農業生產機械的傳動要求。大中型城鎮排水泵站水泵配套電動機額定電壓多為10 kV，額定功率為250～2 500 kW，額定功率因數一般為0.64～0.85[1-3]，電動機額定轉速越低，額定功率因數越低。

異步電動機消耗大量無功負荷造成許多不利影響：① 擠占變配電系統的有效容量；② 增加輸配電線路損耗；③ 電動機端電壓明顯下降，影響電能質量；④ 增加變壓器的損耗；⑤ 增加用電費。根據《供電營業規則》，大、中型電力排灌站功率因數要求不應低于0.85，但地方供電部門往往要求考核點功率因數為0.9以上，因此排水泵站安裝異步電動機時，均需進行無功功率補償，以提高功率因數，降低能耗，改善電網電壓質量，滿足供電部門考核和節能要求[4-5]。

大中型城鎮排水泵站，無功補償裝置可選用SVG、SVC、TSC、TCR+TSC、并聯電容器[6-8]等，其中采用并聯電容器進行無功補償是較為經濟、可靠的補償方案，僅以節約電費的計算，0.5—3年可回收補償設備投資，在市政和水利工程中得到廣泛使用。

2 電容器補償方式的選擇

在選擇電容器補償方式時應做到系統合理，節省投資，控制、管理方便。城鎮排水泵站電容器無功補償方式分集中補償、單機就地補償兩種[9]。

集中補償：電容器組集中設置電動機電壓母線上。優點是集中補償裝置設有控制器，其具有無功功率控制、功率因數控制、無功電流控制、電壓控制、按特定負荷控制多種控制模式，可根據系統無功功率的變化，完成補償電容器的投入、切除、跟蹤負荷的變化做到最佳的補償效果。可分組自動投切電容器數量，調整補償容量，避免過補償或欠補償，便于運行維護，補償效益高。缺點是集中補償裝置的分組數、分組容量組合較難確定，需要按照排水泵機組運行臺數、電動機負載率情況組成不同運行工況，分別計算確定總補償容量、分組數量、分組容量，計算所需要考慮的工況組合較多；無功補償裝置故障后，無法進行無功功率補償，同時也會失去無功補償提升泵站電動機母線電壓的作用，可能影響泵站機組的正常運行。另外，集中補償方式需要設置無功補償裝置高壓出線柜、微機保護裝置、無功補償自動控制裝置，增加相應設備投資。

單機就地補償：對每臺排水泵電動機進行單獨補償，無功補償安裝在電動機控制柜出線側。優點是接線簡單、靈活、投資少，任一機組電動機無功補償裝置故障，不影響其他機組正常運行。缺點是無法進行補償容量調節，并應特別注意無功補償容量，不應引起電動機自激現象。

當電動機采用軟啟動裝置起動時，單機就地補償裝置與電動機軟起動裝置接線應注意配合，選用正確的接線方案。圖1中(A)接線方案錯誤，不可采用。原因是：在機組停機時，斷路器QF分斷，但電動機還沒有停下來，補償電容就會給電動機提供超前的無功電流，使電動機變成發電機，此時電動機是空載發電，發出的電沒有消耗的通路，形成很高的空載電壓(該電壓與電容器提供的電流大小、電動機的轉速有關)，該電壓會損壞軟起動裝置，特別是大慣性負載更加危險。(B)(C)方案接線正確。機組開機時應先合閘斷路器QF，待機組起動完成，旁路接觸器KM1投入后，再閉合接觸器KM2，以免電容投入時涌流，損毀固態軟啟動器。機組停機時，應在斷開斷路器QF的同時斷開接觸器KM2，或者在斷開斷路器QF前先斷開接觸器KM2，否則，接線方式將與(A)接線相同，可能出現類似問題。

圖1 單機就地補償裝置、軟啟動裝置配合接線示意

3 無功補償容量計算

3.1 滿足目標功率因數要求的補償容量

城鎮排水泵站主水泵電動機選型時，按水泵可能出現的最大軸功率并留有1.05～1.20的儲備系數選型[10]。一般最高揚程時，水泵軸功率最大，水泵配套電動機按此工況選型，但泵站最低、平均、設計揚程工況下，水泵軸功率均較小，電動機長期處于輕載或低負載率運行。據筆者調查多宗大中型城鎮排水泵站，主水泵電動機負載率長期在40%～70%之間，甚至更低，均需要進行無功補償，按滿足目標功率因數要求，需要的無功補償容量計算公式如下：

Qbx=P/η×[tg(cos-1Φ1)-tg(cos-1Φ2)]×N

(1)

式中：

Qbx——需要的無功補償容量，kvar；

P——電動機的輸出功率，kW；

η——相應輸出功率時電動機的效率；

Φ1——補償前的功率因數角；

Φ2——補償后的功率因數角；

N——機組臺數。

由交流異步電動機工作特性曲線，可知電動機運行功率因數隨著負載率降低而減小，低負載率時功率因數較額定值下降較多。以往的設計，一般僅按電動機額定值計算無功補償容量進行補償，當電動機輕載工況下運行時，可能不能滿足無功補償要求。可對電動機在不同負載率時，需要的無功補償容量進行分別計算，然后采用Excel繪圖功能中多項式曲線擬合法，得到需要的無功補償容量曲線。

3.2 單機就地補償最大補償容量

采用單機就地補償時，為了防止產生自激過電壓，單機補償容量不應過大，依據《供配電系統設計規范》[11]第6.0.11條規定：“接在電動機控制設備側電容器的額定電流，不應超過電動機勵磁電流的0.9倍”。計算公式如下：

(2)

式中：

Qb_max——單機就地補償最大補償容量，kvar；

UN——電動機的額定電壓，kV；

I0——電動機的空載電流，A。

電動機的空載電流應按電動機生產廠家資料值。當未能取得廠家確切數據時，可按以下3種方法進行估算[12]，待后期得到準確數據后再進行核驗。

① 根據經驗數據估算法，一般情況下I0=20%～50%×IN[6]，電動機極數越多，額定功率因數值越小，最大轉矩與額定轉矩之比越大，電動機空載電流越大。

②I0=2IN(1-cosΦN)

(3)

(4)

式中：

IN——電動機的額定電流，A；

cosΦN——電動機的額定功率因數值；

B——最大轉矩與額定轉矩之比，一般可取1.8～2.2。

4 無功補償裝置實際輸出無功容量

無功補償裝置生產廠家一般是按照其內電容器安裝容量來標稱設備的無功輸出容量，實際輸出無功容量，受到電容器實際運行電壓與其額定電壓的差異、串聯電抗器的無功損耗、串聯電抗器后電容器端電壓升高等因素的影響，計及影響后其實際輸出無功容量[13]計算公式如下：

(5)

式中：

Qb——實際輸出容量，kvar；

Ug——接入點電壓，kV；

Uce——電容器的額定電壓，kV；

Qce——電容器的額定容量，kvar；

A——串聯電抗器電抗率，%；

Kb——輸出容量系數，%。

無功補償裝置實際輸出無功容量應小于不引起電動機自激勵條件下的最大容量，并應大于滿足功率因數目標值所需要的最小補償容量，即需要滿足Qbx≤Qb

工程實際中，一般情況下，無功補償裝置中電容器額定電壓選1.1或1.2倍系統標稱電壓(Un)，串聯電抗器電抗率為A=6%[14-15]。根據式(5)計算得無功補償裝置的輸出容量系數(Kb)見圖2。分析圖中數據可以看出Ug/Uce在0.97～1.05范圍內變化，當Uce/Un=1.1時，Kb=82.7%～96.9%，當Uce/Un=1.2時，Kb=69.5%～81.4%。無功補償裝置實際輸出無功容量與其內電容器安裝容量存在較大偏差，在選擇無功補償裝置時，應特別注意兩者之間的區別，以免出現欠補償，功率因數不達要求的問題。

圖2 無功補償裝置的輸出容量系數曲線

5 實例分析

中山市白石涌外排泵站設計排澇流量為135 m3/s，泵站設計揚程為2.0 m，最高揚程為3.10 m，最低揚程為1.0 m，安裝6臺2650GZBW型潛水貫流泵，水泵配套電動機型號為YQGN990-6P型，在不同揚程工況下運行，水泵電動機負載率在0.45～1.00范圍內變化。水泵電動機基本數據見表1，負載特性試驗數據見表2。

表1 電動機基本數據

表2 電動機負載特性試驗數據

泵站由地區110 kV變電站引接兩路10 kV電源供電，泵站不設變壓器，僅設配電母線，泵站10 kV主接線采用兩路電源進線單母線不分段接線。變電站至泵站10 kV供電電纜線路長度約1.5 km，電能計量點設在泵站處，功率因數要求不低于0.9，無功功率補償采用單機就地補償方案。

1)按電動機不發生自激條件，計算單機最大補償容量

按本文第3節的3種方式估算的電動機空載電流分別為：

a)I0=(0.2～0.5)×68.2=13.64～27.28 A

b)I0=2×68.2×(1-0.883)=15.96 A

根據廠家試驗數據，YQGN990-6P型電動機空載電流約為額定電流的29.7%，與經驗數據估算值基本一致。

2)按滿足目標功率因數要求條件

按補償后功率達到0.90以上的目標，擬對無功補償裝置中，電容器額定容量分別為250 kvar、300 kvar、400 kvar的3個方案進行比選，電容器額定電壓均為12 kV，串聯電抗器電抗率均為6%。

根據電動機負載特性試驗數據，采用EXCEL繪圖功能中多項式曲線擬合法，對電動機負載率在0.45～1.0范圍內變化，無功補償裝置接入點電壓(電動機母線電壓)與系統標稱電壓(電動機額定電壓)之比(Ug/Un)在0.98～1.04范圍內變化時，3個方案無功補償裝置實際輸出無功容量曲線，補償前、后功率因數曲線進行計算，分析補償效果。

圖3為水泵電動機負載率(β)在0.45～1.0范圍內變化時電動機功率因數(cosΦ1)曲線；圖4為Ug/Un=0.98～1.04時，3個方案無功補償裝置的實際輸出無功容量(Qb)；不引起電動機自激的最大補償容量(Qb_max)；圖5、圖6、圖7分別為β=0.45～1.0，Ug/Un=0.98～1.04時，3個方案無功補償后的功率因數(cosΦ2)曲線。

圖3 水泵電動機負載率β=0.45～1.0時，補償前功率因數曲線

圖4 無功補償裝置接入點電壓—實際輸出無功容量曲線

圖5 無功補償裝置(400 kvar)補償后功率因數曲線示意

圖6 無功補償裝置(300 kvar)補償后功率因數曲線

圖7 無功補償裝置(250 kvar)補償后功率因數曲線

分析圖3可知，電動機負載率β=0.45～1.0時，電動機功率因數(即補償前功率因數)cosΦ1=0.773～0.877，低負載率時功率因數較低。

分析圖4可知，Ug/Un在0.98～1.04范圍內變化，無功補償裝置內的電容器額定容量為400 kvar(方案1)時，實際輸出無功容量Qb=245.68～287.88 kvar；電容器額定容量為300 kvar(方案2)時，Qb=184.26～215.91 kvar；電容器額定容量為250 kvar(方案3)時，Qb=153.55～179.92 kvar，均小于電動機不發生自激的最大補償容量Qb_max=316.20 kvar，采用這3種補償方案均不會電動機自激現象。

分析圖5可知，方案1β=0.45～1.0，Ug/Un=0.98～1.04時，cosΦ2=0.89～0.97，基本滿足目標值不小于0.9的要求。

分析圖6可知，方案2 β=0.45～1.0，Ug/U=0.98～1.04時，cosΦ2=0.86～0.95，不能滿足目標值不小于0.9的要求；但β=0.6～1.0，Ug/Un=0.98～1.04范圍內變化時，基本滿足目標值不小于0.9的要求。

分析圖7可知，方案3β=0.45～1.0，Ug/U=0.98～1.04時，cosΦ2=0.85～0.94，不能滿足目標值不小于0.9的要求；但β=0.6～1.0，Ug/Un=1.0～1.04時，基本滿足目標值不小于0.9的要求。

綜合以上分析，方案1的水泵電動機負載率、電動機母線電壓，在一定范圍內變化情況下，補償后功率因數均滿足要求，補償效果較好，滿足長期在低負載率工況下運行要求。β=0.45～1.0，Ug/Un=0.98～1.04的區間內變化時，均能滿足補償后功率因數不小于0.9的要求，符合水泵電動機負載率β=0.45～1.0范圍內長期運行的實際情況。

6 結語

大中型城鎮排水泵站電動機選用高壓異步電動機時，按電動機額定值進行無功補償，存在電動機低負載率運行工況下欠補償問題，可根據電動機負載試驗數據或負載特性曲線，采用EXCEL繪圖功能中多項式非線性擬合法，得到電動機負載率、電動機母線電壓在一定范圍內變化情況下，無功補償裝置實際輸出無功容量曲線，補償前、后功率因數補償曲線，進行補償效果分析，方法簡單實用。另外，無功補償裝置的實際輸出無功容量與安裝的電容器額定容量有較大的差別，在工程設計時應特別注意。