大型城市排涝泵站电机就地无功补偿的容量选择

文/于洪帅

1 概述

电网上的用电设备，需要适量无功功率才能运行，无功是维持电网正常工作的必不可少的因素，对电网的安全运行起到至关重要的作用。电网中的电力负荷如电动机、变压器等，大部分属于感性负荷，在运行过程中这些设备需要适量无功功率。在电网中安装并联电容器等无功补偿设备以后，可以提供感性负载所消耗的无功功率，减少电网电源向感性负荷提供、由线路输送的无功功率。由于减少了无功功率在电网中的流动，可以降低线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗。

无功功率补偿装置在电力系统中所承担的作用是提高电网的功率因数，降低供电变压器及输送线路的损耗、提高供电效率和改善供电质量等。无功补偿的传统方式为直接在母线或线路上并联电力电容器，通过合理的选择电容器的容量，这种方式可以满足电力系统对于补偿后功率因数的要求，电气设备数量较少，接线简单明了，应用广泛。

在市政工程的大型城市排涝泵站中，主要用电设备是雨水泵的电机。根据样本和现场经验数据，大型城市排涝泵站电机电压为10kV，单台电机功率在400kW～2000kW之间，功率因数一般在0.65～0.85之间，电机数量保持在3～10台之间。在大型城市排涝泵站工程中，如果采用高压母线上并联电力电容器的方法，存在着控制不灵活、检修不方便等缺点，因而在实际工程中，多采用在水泵电机现场进行就地补偿。

就地补偿具体实施方式是将高压电容器组与电动机并联在高压配电柜的出线侧，通过控制、保护装置与电机同时投切。随机补偿适用于补偿电动机的无功消耗，以补偿磁无功为主，此种方式可有效减小开关、电缆回路的电流，适当减轻开关和电缆的负担。就地补偿的优点是用电设备运行时，无功补偿投入，用电设备停运时，补偿设备也退出，不需要频繁调整补偿容量。具有投资少、占空间小、安装容易、配置方便灵活、维护简单、事故率低等特点。

2 就地无功补偿容量选择

就地无功补偿容量有多种计算方式，本文主要介绍目标功率因数法和空载电流法两种。下面对这两种方法分别进行介绍：

2.1 目标功率因数法

目标功率因数法是最常见的无功补偿容量计算方法，其计算原理是计算目标功率因数对应的无功容量与当前电机实际功率因数对应的无功容量进行差值计算，得到就地无功补偿的计算容量。

公式如下：

其中：

Q--------需要无功补偿容量，即无功补偿装置输出无功量，kVar；

P1---------电动机的输入功率，kW；

cos -----电动机补偿前的功率因数；

cos 1----电动机补偿后目标功率因数；

其中，P1电动机的输入功率通过下式计算：

式中：

PN----电动机额定输出功率，kW

β-----电动机负载率

η-----电动机效率

2.2 空载电流法

在无功就地补偿中，由于在末端无功补偿装置与中压电机末端进行并联，如果无功补偿容量和电机容量不匹配，在断开电源时，电机端电压不立即下降为0，有时反而异常升高，然后随着转速下降。这种现象称为电动机的自励磁现象，其原因是因为电源断开后，已经充电的电容器对电动机放电，此电流给异步电动机励磁，使异步电动机变为异步发电机运行。

在实际工程中，计算无功补偿容量的设计阶段，通常中标设备厂家未确定，因而得不到准确的电机空载电流参数，此时查阅厂家电机样本值可得到类似工程项目的空载电流值Ιo作为计算参考依据，待后期得到准确数据后再进行核验。

按照空载电流法进行计算，得到电机空载运行时无功补偿的需要容量：

式中：Q----需要无功补偿容量，kVar；

Uc-----额定电压，kV；

Ιo-----电动机空载电流，A；

Kf----补偿裕量系数，取0.9；

2.3 安装容量与输出容量换算

通过上面2.1目标功率因数法和2.2空载电流法，可以得到无功补偿容量值。实际工程中，一般采用目标功率因数法计算，之后采用空载电流法进行复核，以确保无功补偿装置效果良好并避免自励磁现象。

采用这两种方法计算出来的无功补偿容量为系统所需要无功补偿容量，即该值为无功补偿装置的输出值。而无功补偿装置，由于运行电压、串联电抗值等因素的存在，其安装容量和输出容量是有区别的。无功补偿设备厂家一般是按照安装容量来标示，故应根据无功补偿的输出值来计算无功补偿的安装容量。

式中：

Ug----电容器装置运行电压值，kV；

Un----系统额定电压值，kV；

K-----电容器装置电抗率；

设电容器的实际需要无功补偿容量为Q，设计容量为Qc，则有

式中：

Qc----电容器装置设计无功补偿容量，kVar；

Uc----电容器装置设计电压值，kV；

Un----系统额定电压值，kV；

公式（5）计算得到的设计容量Qc就是无功补偿装置的安装容量。

2.4 计算实例

例：以武汉某大型城市排涝泵站为例，已知水泵电机额定电压10kV，功率630kW，额定负载时，电机效率为0.955，功率因数为0.82，额定电流为48.2A，空载电流为17.4A，试对无功补偿容量进行选型。

第一步：采用目标功率因数法，先确定补偿后的功率因数，此处取0.95。并根据公式（2）计算得到电机的输入功率。

第二步：采用目标功率因数法，计算需要无功补偿容量。

第三步：采用空载电流法公式（4），计算得到自励磁时对应的无功补偿容量值。

第四步：判断无功补偿容量值是否会产生自励磁。由于目标功率因数法计算得到的无功补偿输出容量为243.4kVar＜271.2kVar；故避开了电机的自励磁点，满足要求。

第五步：计算无功补偿装置的安装容量。

查阅厂家相应样本，与计算结果相近的安装容量值为280kVar，故取无功补偿装置安装容量为280kVar。从工程现场运行情况来看，该值较为合理，效果较好，额定负载运行时，无功补偿装置投入后功率因数达到了0.95，达到了设计要求。

3 结语

无功功率补偿装置在电力系统中起到十分重要的作用，它提高电网的功率因数，降低供电变压器及输送线路的损耗、提高供电效率，无功功率补偿装置在电力配电系统中处在一个不可或缺的重要位置。本文结合市政建设中的大型城市排涝泵站中无功就地补偿装置的选型计算，对就地安装无功容量的计算方法进行了梳理，希望对其他电气同仁和类似工程产生帮助。