大中型城鎮(zhèn)排水泵站電動機(jī)無功補(bǔ)償設(shè)計

郭文會

(中山市水利水電勘測設(shè)計咨詢有限公司，廣東 中山 528403)

1 概述

交流異步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、價格低廉、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、堅固耐用等一系列優(yōu)點(diǎn)。并且有較高的運(yùn)行效率和較好的工作特性，從空載到滿載范圍內(nèi)接近恒速運(yùn)行，能滿足大多數(shù)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械的傳動要求。大中型城鎮(zhèn)排水泵站水泵配套電動機(jī)額定電壓多為10 kV，額定功率為250～2 500 kW，額定功率因數(shù)一般為0.64～0.85[1-3]，電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速越低，額定功率因數(shù)越低。

異步電動機(jī)消耗大量無功負(fù)荷造成許多不利影響：① 擠占變配電系統(tǒng)的有效容量；② 增加輸配電線路損耗；③ 電動機(jī)端電壓明顯下降，影響電能質(zhì)量；④ 增加變壓器的損耗；⑤ 增加用電費(fèi)。根據(jù)《供電營業(yè)規(guī)則》，大、中型電力排灌站功率因數(shù)要求不應(yīng)低于0.85，但地方供電部門往往要求考核點(diǎn)功率因數(shù)為0.9以上，因此排水泵站安裝異步電動機(jī)時，均需進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，以提高功率因數(shù)，降低能耗，改善電網(wǎng)電壓質(zhì)量，滿足供電部門考核和節(jié)能要求[4-5]。

大中型城鎮(zhèn)排水泵站，無功補(bǔ)償裝置可選用SVG、SVC、TSC、TCR+TSC、并聯(lián)電容器[6-8]等，其中采用并聯(lián)電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償是較為經(jīng)濟(jì)、可靠的補(bǔ)償方案，僅以節(jié)約電費(fèi)的計算，0.5—3年可回收補(bǔ)償設(shè)備投資，在市政和水利工程中得到廣泛使用。

2 電容器補(bǔ)償方式的選擇

在選擇電容器補(bǔ)償方式時應(yīng)做到系統(tǒng)合理，節(jié)省投資，控制、管理方便。城鎮(zhèn)排水泵站電容器無功補(bǔ)償方式分集中補(bǔ)償、單機(jī)就地補(bǔ)償兩種[9]。

集中補(bǔ)償：電容器組集中設(shè)置電動機(jī)電壓母線上。優(yōu)點(diǎn)是集中補(bǔ)償裝置設(shè)有控制器，其具有無功功率控制、功率因數(shù)控制、無功電流控制、電壓控制、按特定負(fù)荷控制多種控制模式，可根據(jù)系統(tǒng)無功功率的變化，完成補(bǔ)償電容器的投入、切除、跟蹤負(fù)荷的變化做到最佳的補(bǔ)償效果?？煞纸M自動投切電容器數(shù)量，調(diào)整補(bǔ)償容量，避免過補(bǔ)償或欠補(bǔ)償，便于運(yùn)行維護(hù)，補(bǔ)償效益高。缺點(diǎn)是集中補(bǔ)償裝置的分組數(shù)、分組容量組合較難確定，需要按照排水泵機(jī)組運(yùn)行臺數(shù)、電動機(jī)負(fù)載率情況組成不同運(yùn)行工況，分別計算確定總補(bǔ)償容量、分組數(shù)量、分組容量，計算所需要考慮的工況組合較多；無功補(bǔ)償裝置故障后，無法進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，同時也會失去無功補(bǔ)償提升泵站電動機(jī)母線電壓的作用，可能影響泵站機(jī)組的正常運(yùn)行。另外，集中補(bǔ)償方式需要設(shè)置無功補(bǔ)償裝置高壓出線柜、微機(jī)保護(hù)裝置、無功補(bǔ)償自動控制裝置，增加相應(yīng)設(shè)備投資。

單機(jī)就地補(bǔ)償：對每臺排水泵電動機(jī)進(jìn)行單獨(dú)補(bǔ)償，無功補(bǔ)償安裝在電動機(jī)控制柜出線側(cè)。優(yōu)點(diǎn)是接線簡單、靈活、投資少，任一機(jī)組電動機(jī)無功補(bǔ)償裝置故障，不影響其他機(jī)組正常運(yùn)行。缺點(diǎn)是無法進(jìn)行補(bǔ)償容量調(diào)節(jié)，并應(yīng)特別注意無功補(bǔ)償容量，不應(yīng)引起電動機(jī)自激現(xiàn)象。

當(dāng)電動機(jī)采用軟啟動裝置起動時，單機(jī)就地補(bǔ)償裝置與電動機(jī)軟起動裝置接線應(yīng)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(jī)組停機(jī)時，斷路器QF分?jǐn)?，但電動機(jī)還沒有停下來，補(bǔ)償電容就會給電動機(jī)提供超前的無功電流，使電動機(jī)變成發(fā)電機(jī)，此時電動機(jī)是空載發(fā)電，發(fā)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(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān))，該電壓會損壞軟起動裝置，特別是大慣性負(fù)載更加危險。(B)(C)方案接線正確。機(jī)組開機(jī)時應(yīng)先合閘斷路器QF，待機(jī)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(tài)軟啟動器。機(jī)組停機(jī)時，應(yīng)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(xiàn)類似問題。

圖1 單機(jī)就地補(bǔ)償裝置、軟啟動裝置配合接線示意

3 無功補(bǔ)償容量計算

3.1 滿足目標(biāo)功率因數(shù)要求的補(bǔ)償容量

城鎮(zhèn)排水泵站主水泵電動機(jī)選型時，按水泵可能出現(xiàn)的最大軸功率并留有1.05～1.20的儲備系數(shù)選型[10]。一般最高揚(yáng)程時，水泵軸功率最大，水泵配套電動機(jī)按此工況選型，但泵站最低、平均、設(shè)計揚(yáng)程工況下，水泵軸功率均較小，電動機(jī)長期處于輕載或低負(fù)載率運(yùn)行。據(jù)筆者調(diào)查多宗大中型城鎮(zhèn)排水泵站，主水泵電動機(jī)負(fù)載率長期在40%～70%之間，甚至更低，均需要進(jìn)行無功補(bǔ)償，按滿足目標(biāo)功率因數(shù)要求，需要的無功補(bǔ)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(bǔ)償容量，kvar；

P——電動機(jī)的輸出功率，kW；

η——相應(yīng)輸出功率時電動機(jī)的效率；

Φ1——補(bǔ)償前的功率因數(shù)角；

Φ2——補(bǔ)償后的功率因數(shù)角；

N——機(jī)組臺數(shù)。

由交流異步電動機(jī)工作特性曲線，可知電動機(jī)運(yùn)行功率因數(shù)隨著負(fù)載率降低而減小，低負(fù)載率時功率因數(shù)較額定值下降較多。以往的設(shè)計，一般僅按電動機(jī)額定值計算無功補(bǔ)償容量進(jìn)行補(bǔ)償，當(dāng)電動機(jī)輕載工況下運(yùn)行時，可能不能滿足無功補(bǔ)償要求?？蓪﹄妱訖C(jī)在不同負(fù)載率時，需要的無功補(bǔ)償容量進(jìn)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(bǔ)償容量曲線。

3.2 單機(jī)就地補(bǔ)償最大補(bǔ)償容量

采用單機(jī)就地補(bǔ)償時，為了防止產(chǎn)生自激過電壓，單機(jī)補(bǔ)償容量不應(yīng)過大，依據(jù)《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》[11]第6.0.11條規(guī)定：“接在電動機(jī)控制設(shè)備側(cè)電容器的額定電流，不應(yīng)超過電動機(jī)勵磁電流的0.9倍”。計算公式如下：

(2)

式中：

Qb_max——單機(jī)就地補(bǔ)償最大補(bǔ)償容量，kvar；

UN——電動機(jī)的額定電壓，kV；

I0——電動機(jī)的空載電流，A。

電動機(jī)的空載電流應(yīng)按電動機(jī)生產(chǎn)廠家資料值。當(dāng)未能取得廠家確切數(shù)據(jù)時，可按以下3種方法進(jìn)行估算[12]，待后期得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)后再進(jìn)行核驗(yàn)。

① 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)估算法，一般情況下I0=20%～50%×IN[6]，電動機(jī)極數(shù)越多，額定功率因數(shù)值越小，最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比越大，電動機(jī)空載電流越大。

②I0=2IN(1-cosΦN)

(3)

(4)

式中：

IN——電動機(jī)的額定電流，A；

cosΦN——電動機(jī)的額定功率因數(shù)值；

B——最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比，一般可取1.8～2.2。

4 無功補(bǔ)償裝置實(shí)際輸出無功容量

無功補(bǔ)償裝置生產(chǎn)廠家一般是按照其內(nèi)電容器安裝容量來標(biāo)稱設(shè)備的無功輸出容量，實(shí)際輸出無功容量，受到電容器實(shí)際運(yùn)行電壓與其額定電壓的差異、串聯(lián)電抗器的無功損耗、串聯(lián)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(shí)際輸出無功容量[13]計算公式如下：

(5)

式中：

Qb——實(shí)際輸出容量，kvar；

Ug——接入點(diǎn)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(lián)電抗器電抗率，%；

Kb——輸出容量系數(shù)，%。

無功補(bǔ)償裝置實(shí)際輸出無功容量應(yīng)小于不引起電動機(jī)自激勵條件下的最大容量，并應(yīng)大于滿足功率因數(shù)目標(biāo)值所需要的最小補(bǔ)償容量，即需要滿足Qbx≤Qb

工程實(shí)際中，一般情況下，無功補(bǔ)償裝置中電容器額定電壓選1.1或1.2倍系統(tǒng)標(biāo)稱電壓(Un)，串聯(lián)電抗器電抗率為A=6%[14-15]。根據(jù)式(5)計算得無功補(bǔ)償裝置的輸出容量系數(shù)(Kb)見圖2。分析圖中數(shù)據(jù)可以看出Ug/Uce在0.97～1.05范圍內(nèi)變化，當(dāng)Uce/Un=1.1時，Kb=82.7%～96.9%，當(dāng)Uce/Un=1.2時，Kb=69.5%～81.4%。無功補(bǔ)償裝置實(shí)際輸出無功容量與其內(nèi)電容器安裝容量存在較大偏差，在選擇無功補(bǔ)償裝置時，應(yīng)特別注意兩者之間的區(qū)別，以免出現(xiàn)欠補(bǔ)償，功率因數(shù)不達(dá)要求的問題。

圖2 無功補(bǔ)償裝置的輸出容量系數(shù)曲線

5 實(shí)例分析

中山市白石涌外排泵站設(shè)計排澇流量為135 m3/s，泵站設(shè)計揚(yáng)程為2.0 m，最高揚(yáng)程為3.10 m，最低揚(yáng)程為1.0 m，安裝6臺2650GZBW型潛水貫流泵，水泵配套電動機(jī)型號為YQGN990-6P型，在不同揚(yáng)程工況下運(yùn)行，水泵電動機(jī)負(fù)載率在0.45～1.00范圍內(nèi)變化。水泵電動機(jī)基本數(shù)據(jù)見表1，負(fù)載特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表1 電動機(jī)基本數(shù)據(jù)

表2 電動機(jī)負(fù)載特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

泵站由地區(qū)110 kV變電站引接兩路10 kV電源供電，泵站不設(shè)變壓器，僅設(shè)配電母線，泵站10 kV主接線采用兩路電源進(jìn)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(diǎn)設(shè)在泵站處，功率因數(shù)要求不低于0.9，無功功率補(bǔ)償采用單機(jī)就地補(bǔ)償方案。

1)按電動機(jī)不發(fā)生自激條件，計算單機(jī)最大補(bǔ)償容量

按本文第3節(jié)的3種方式估算的電動機(jī)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(jù)廠家試驗(yàn)數(shù)據(jù)，YQGN990-6P型電動機(jī)空載電流約為額定電流的29.7%，與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)估算值基本一致。

2)按滿足目標(biāo)功率因數(shù)要求條件

按補(bǔ)償后功率達(dá)到0.90以上的目標(biāo)，擬對無功補(bǔ)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(jìn)行比選，電容器額定電壓均為12 kV，串聯(lián)電抗器電抗率均為6%。

根據(jù)電動機(jī)負(fù)載特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用EXCEL繪圖功能中多項式曲線擬合法，對電動機(jī)負(fù)載率在0.45～1.0范圍內(nèi)變化，無功補(bǔ)償裝置接入點(diǎn)電壓(電動機(jī)母線電壓)與系統(tǒng)標(biāo)稱電壓(電動機(jī)額定電壓)之比(Ug/Un)在0.98～1.04范圍內(nèi)變化時，3個方案無功補(bǔ)償裝置實(shí)際輸出無功容量曲線，補(bǔ)償前、后功率因數(shù)曲線進(jìn)行計算，分析補(bǔ)償效果。

圖3為水泵電動機(jī)負(fù)載率(β)在0.45～1.0范圍內(nèi)變化時電動機(jī)功率因數(shù)(cosΦ1)曲線；圖4為Ug/Un=0.98～1.04時，3個方案無功補(bǔ)償裝置的實(shí)際輸出無功容量(Qb)；不引起電動機(jī)自激的最大補(bǔ)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(bǔ)償后的功率因數(shù)(cosΦ2)曲線。

圖3 水泵電動機(jī)負(fù)載率β=0.45～1.0時，補(bǔ)償前功率因數(shù)曲線

圖4 無功補(bǔ)償裝置接入點(diǎn)電壓—實(shí)際輸出無功容量曲線

圖5 無功補(bǔ)償裝置(400 kvar)補(bǔ)償后功率因數(shù)曲線示意

圖6 無功補(bǔ)償裝置(300 kvar)補(bǔ)償后功率因數(shù)曲線

圖7 無功補(bǔ)償裝置(250 kvar)補(bǔ)償后功率因數(shù)曲線

分析圖3可知，電動機(jī)負(fù)載率β=0.45～1.0時，電動機(jī)功率因數(shù)(即補(bǔ)償前功率因數(shù))cosΦ1=0.773～0.877，低負(fù)載率時功率因數(shù)較低。

分析圖4可知，Ug/Un在0.98～1.04范圍內(nèi)變化，無功補(bǔ)償裝置內(nèi)的電容器額定容量為400 kvar(方案1)時，實(shí)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(jī)不發(fā)生自激的最大補(bǔ)償容量Qb_max=316.20 kvar，采用這3種補(bǔ)償方案均不會電動機(jī)自激現(xiàn)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(biāo)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(biāo)值不小于0.9的要求；但β=0.6～1.0，Ug/Un=0.98～1.04范圍內(nèi)變化時，基本滿足目標(biāo)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(biāo)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(biāo)值不小于0.9的要求。

綜合以上分析，方案1的水泵電動機(jī)負(fù)載率、電動機(jī)母線電壓，在一定范圍內(nèi)變化情況下，補(bǔ)償后功率因數(shù)均滿足要求，補(bǔ)償效果較好，滿足長期在低負(fù)載率工況下運(yùn)行要求。β=0.45～1.0，Ug/Un=0.98～1.04的區(qū)間內(nèi)變化時，均能滿足補(bǔ)償后功率因數(shù)不小于0.9的要求，符合水泵電動機(jī)負(fù)載率β=0.45～1.0范圍內(nèi)長期運(yùn)行的實(shí)際情況。

6 結(jié)語

大中型城鎮(zhèn)排水泵站電動機(jī)選用高壓異步電動機(jī)時，按電動機(jī)額定值進(jìn)行無功補(bǔ)償，存在電動機(jī)低負(fù)載率運(yùn)行工況下欠補(bǔ)償問題，可根據(jù)電動機(jī)負(fù)載試驗(yàn)數(shù)據(jù)或負(fù)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(jī)負(fù)載率、電動機(jī)母線電壓在一定范圍內(nèi)變化情況下，無功補(bǔ)償裝置實(shí)際輸出無功容量曲線，補(bǔ)償前、后功率因數(shù)補(bǔ)償曲線，進(jìn)行補(bǔ)償效果分析，方法簡單實(shí)用。另外，無功補(bǔ)償裝置的實(shí)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(shè)計時應(yīng)特別注意。