大型排灌站高壓電機(jī)就地?zé)o功補(bǔ)償技術(shù)探討

劉凱

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，武漢430061）

1 引言

大型排灌站中主要用電設(shè)備為水泵電機(jī)，大型排灌站具有機(jī)組臺(tái)數(shù)不多、單機(jī)容量較大、功率因數(shù)較低等特點(diǎn)，排灌站通常屬于季節(jié)性負(fù)荷，機(jī)組同時(shí)運(yùn)行臺(tái)數(shù)不固定。若采用集中補(bǔ)償方式，在非汛期機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)較少而總補(bǔ)償容量較大時(shí)可能會(huì)引起過(guò)補(bǔ)償。大型異步電機(jī)功率因數(shù)通常較低，若不補(bǔ)償功率因數(shù)，則不能滿足供電部門(mén)對(duì)用戶功率因數(shù)的基本要求，而功率因數(shù)太低線路損耗會(huì)較大線路壓降也較大。

2 項(xiàng)目背景

本文以安徽省馬鞍山市華嚴(yán)湖排澇泵站為例，對(duì)高壓異步電機(jī)就地?zé)o功補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行探討。華嚴(yán)湖站配有10 kV高壓異步電機(jī)5臺(tái)，功率560 kW/臺(tái)。泵站主要功能為城區(qū)汛期排澇，用電負(fù)荷為季節(jié)性負(fù)荷，泵站開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)受來(lái)水量影響較大。泵站10 kV高壓電機(jī)功率因數(shù)出廠值為0.73，功率因數(shù)沒(méi)有達(dá)到電網(wǎng)合理運(yùn)行要求，需進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。

3 電氣主接線

單機(jī)就地補(bǔ)償即將無(wú)功補(bǔ)償裝置與單臺(tái)水泵電機(jī)并聯(lián)，一對(duì)一進(jìn)地行補(bǔ)償。補(bǔ)償裝置主要元器件包括投切開(kāi)關(guān)、避雷設(shè)備、電容專(zhuān)用熔斷器、電容器、電抗器和放電線圈等。對(duì)于10 kV無(wú)功補(bǔ)償裝置，利用真空接觸器、真空斷路器作為補(bǔ)償裝置投切開(kāi)關(guān)。

圖1 單機(jī)就地補(bǔ)償裝置接線圖

4 無(wú)功補(bǔ)償容量的計(jì)算

無(wú)功補(bǔ)償容量既要滿足供電部門(mén)的最低功率因數(shù)限制要求，同時(shí)也要避免過(guò)補(bǔ)償。電機(jī)過(guò)補(bǔ)償會(huì)使電機(jī)運(yùn)行電壓超出額定，對(duì)電機(jī)絕緣和電容器絕緣都不利[1]。根據(jù)規(guī)范要求，對(duì)于采用就地補(bǔ)償?shù)漠惒诫妱?dòng)機(jī)，補(bǔ)償電容器額定電流要低于電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流的0.9倍。

1）根據(jù)滿足供電部門(mén)要求計(jì)算最小補(bǔ)償容量

式中，Qc為無(wú)功補(bǔ)償容量，kvar；P1為電動(dòng)機(jī)的輸入功率，kW；tanφ1為補(bǔ)償前功率因數(shù)正切值；tanφ2為按要求補(bǔ)償后電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)正切值，一般按cosφ2不小于0.9取值。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，一些設(shè)計(jì)人員往往直接將電機(jī)的額定功率當(dāng)作P1代入公式，同時(shí)電機(jī)的基本參數(shù)中也只給出了額定功率和效率，需要根據(jù)電機(jī)出廠效率值，計(jì)算出電機(jī)的輸入功率。電機(jī)的輸入功率是電機(jī)額定功率和效率的比值，額定功率要小于輸入功率，對(duì)于低效率、大功率電機(jī)輸入功率和額定功率相差較大，相對(duì)應(yīng)的計(jì)算得到的補(bǔ)償容量也相差較遠(yuǎn)。

2）按空載電流計(jì)算最大補(bǔ)償容量

式中，Qc為無(wú)功補(bǔ)償容量，kvar；Ue為電動(dòng)機(jī)的額定電壓，kV；I0為電動(dòng)機(jī)空載電流，A。

電機(jī)空載電流是電機(jī)設(shè)備出廠參數(shù)，在設(shè)計(jì)初期，電機(jī)設(shè)備還沒(méi)有制造完成，無(wú)法獲得設(shè)備的準(zhǔn)確空載電流，可根據(jù)0.2~0.4倍電動(dòng)機(jī)額定電流估算空載電流，最終根據(jù)空載電流出廠值復(fù)核無(wú)功補(bǔ)償容量[2]。

5 設(shè)備選型要點(diǎn)

5.1 電容器的選型

電容器是改善電力質(zhì)量的核心元器件，電容器主要技術(shù)參數(shù)包括：額定電壓、介質(zhì)結(jié)構(gòu)和過(guò)電壓范圍等。電容器額定電壓既要與接入系統(tǒng)處的標(biāo)稱電壓相適應(yīng)，同時(shí)，也要考慮串入電抗器引起的電壓升高對(duì)電容器的影響。電容器額定電壓選取過(guò)高會(huì)造成無(wú)功補(bǔ)償裝置實(shí)際輸出容量與設(shè)置容量偏差加，大功率因數(shù)補(bǔ)償不到位；額定電壓選取過(guò)低又會(huì)造成電容器過(guò)電壓運(yùn)行對(duì)電氣設(shè)備造成損壞。

電容器額定電壓的選取：

式中，Urc為電容器的額定電壓；Un為電容器接入系統(tǒng)的標(biāo)稱電壓，kV；S為電容器每相的串聯(lián)段數(shù)，電壓10 kV及以下時(shí)為1；K為串聯(lián)電抗器的電抗率。

在GB 50227—2017《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》中給出了單體電容器額定容量?jī)?yōu)選值，單臺(tái)電容器容量按照優(yōu)選值選取。電容器額定容量?jī)?yōu)先值為：50 kvar、100 kvar、200 kvar、334 kvar、500 kvar[3]。

5.2 電抗器的選型

無(wú)功補(bǔ)償裝置中串聯(lián)電抗器可以有效抑制諧波放大和合閘涌流，起到改善系統(tǒng)電能質(zhì)量的作用，對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行十分重要。電抗器電抗率的選取需要分析連接系統(tǒng)所包含的諧波源，諧波源通常有換流設(shè)備、鐵芯設(shè)備、電弧爐、照明設(shè)備等非線性電氣設(shè)備。電抗率選取值見(jiàn)表1。

表1 電抗率選取值%

5.3 熔斷器的選型

選用電容器專(zhuān)用熔斷器對(duì)單臺(tái)電容器進(jìn)行保護(hù)，熔斷器的熔絲額定電流可按電容器額定電流的1.37～1.50倍選擇。熔斷器的額定值應(yīng)優(yōu)先按表2數(shù)值選取。

表2 熔斷器額定值優(yōu)先選取數(shù)值

5.4 放電線圈的選型

補(bǔ)償裝置中的電容器接入放電線圈可以實(shí)現(xiàn)電容器快速放電縮短放電時(shí)間。電容器在斷電后仍有殘余電荷依靠自身放電，放電時(shí)間會(huì)較長(zhǎng)且不能滿足二次投運(yùn)或檢修的要求[4]。如果電容器仍有殘余電荷時(shí)，合閘會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓和過(guò)電流，對(duì)運(yùn)行人員和產(chǎn)品設(shè)備造成危害。放電線圈額定電壓和放電容量應(yīng)與相并聯(lián)電容器組相適應(yīng)，放電線圈應(yīng)能保證在5 s內(nèi)將電容器剩余電壓降至50 V及以下[5]。

6 設(shè)備布置要求

為防止電容器發(fā)生火災(zāi)或者爆炸引起其他設(shè)備的損壞，電容器一般單獨(dú)分配房間布置，當(dāng)無(wú)功補(bǔ)償裝置與高壓柜布置在同一房間時(shí)，相互間距應(yīng)不小于1.5 m。電容器室門(mén)窗應(yīng)采取措施防止小動(dòng)物進(jìn)入和雨雪飄入。

7 無(wú)功補(bǔ)償計(jì)算實(shí)例

華嚴(yán)湖泵站補(bǔ)償前功率因數(shù)0.73，設(shè)計(jì)功率因數(shù)目標(biāo)值0.92，單機(jī)額定功率560 kW，額定電壓10 kV。

電動(dòng)機(jī)輸入功率：

式中，PN為電動(dòng)機(jī)的額定功率，kW；η為電動(dòng)機(jī)效率。

將數(shù)據(jù)代入式（1）計(jì)算，得：Qc=615×（0.94-0.43）=314 kvar

按照空載電流計(jì)算無(wú)功補(bǔ)償容量：電機(jī)額定電流IN=49 A，電機(jī)空載電流按I0=0.4IN，代入式（2）得無(wú)功補(bǔ)償容量

由計(jì)算結(jié)果可知，無(wú)功補(bǔ)償容量最大值為305 kvar。本工程設(shè)有軟啟動(dòng)柜，柜內(nèi)含有晶閘管等非線性設(shè)備，為主要諧波源。晶閘管等設(shè)備主要產(chǎn)生的5次和7次諧波[6]。根據(jù)電抗率選取值表1選取電抗率，電抗率取5%，額定電壓與系統(tǒng)標(biāo)稱電壓一致取10 kV。根據(jù)式（3）計(jì)算電容器額定電壓

從電容器標(biāo)準(zhǔn)系列中挑選接近計(jì)算值的額定電壓，電容器額定電壓取單臺(tái)電容器額定容量?jī)?yōu)先值為100 kvar，電容器過(guò)電流能力1.5In。單臺(tái)電容器額定電流為5.77 A，電容器保護(hù)專(zhuān)用熔斷器熔絲額定電流取8 A。

計(jì)入電容器運(yùn)行電壓和額定電壓差異，以及串入電控器后的影響，并聯(lián)電容器裝置實(shí)際輸出容量為：

式中，Qc為實(shí)際輸出容量，kV·A；Qr為補(bǔ)償容量，kvar；Uav為平均運(yùn)行電壓，kV，取1.5倍系統(tǒng)標(biāo)稱電壓；Ur為并聯(lián)電容器裝置額定電壓，kV；K為串聯(lián)電抗器的電抗率。

代入式（5）得Qc=300×（10.5/11）2×（1-0.05）=259 kvar

補(bǔ)償后功率因數(shù)：cosφ=cos{arctan-1[615tan(arccos0.73)-259]/615}=0.89。從計(jì)算結(jié)果可看出，由于電容器運(yùn)行電壓與額定電壓的差異和串入電抗器的影響，補(bǔ)償后功率因數(shù)與功率因數(shù)目標(biāo)值仍存在差距。若按照350 kvar來(lái)選取無(wú)功補(bǔ)償容量，實(shí)際輸出容量Qc=350（10.5/11）2×（1-0.05）=302 kvar，滿足空載電流計(jì)算的最大無(wú)功補(bǔ)償容量305 kvar，此時(shí)，補(bǔ)償后的功率因數(shù)為cosφ=cos{arctan-1[615×tan(arccos0.73)-303]/615}=0.915，可見(jiàn)，補(bǔ)償后的功率因數(shù)接近目標(biāo)值。就地?zé)o功補(bǔ)償裝置無(wú)功補(bǔ)償?shù)娜萘?，需要按照電機(jī)空載電流進(jìn)行校驗(yàn)。與此同時(shí)，受電容器運(yùn)行電壓和額定電壓的差異及串入電抗器的影響，電容實(shí)際輸出容量和補(bǔ)償后的功率因數(shù)需核算。

8 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于單機(jī)容量大、功率因數(shù)低、機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)又不固定的電氣設(shè)計(jì)中，采用單機(jī)就地補(bǔ)償可很好地滿足供電部門(mén)要求的功率因數(shù)值，同時(shí)也可避免過(guò)補(bǔ)償情況。設(shè)計(jì)者還需要在補(bǔ)償容量計(jì)算過(guò)程中考慮電機(jī)空載電流、電容器額定電壓以及串入電抗器對(duì)補(bǔ)償容量的影響。