甘卫国
随着异步交流电动机等电感性负载的广泛使用,供配电系统中经常流动着大量的感性无功电流。这些无功电流占用大量的设备容量,同时增加了线路输送电流,增加了线路损耗,使电力设备得不到充分利用。
无功补偿装置在供配电系统中能起到提高电网的功率因数,降低配电变压器及输送线路的损耗,提高供电效率,改善供电环境的作用,是供配电系统中不可或缺的重要设施。合理地选择无功补偿装置容量与补偿方式,可以有效减少供电网络的损耗,提高受电端电压质量。反之,如选择或使用不当,可能造成供电系统电压波动、谐波增大等诸多问题。
《电力系统无功补偿及调压设计技术导则》(DL/T 5554-2019)对电力用户的无功补偿要求:高压供电的用户在最大负荷时功率因数宜为0.90 以上,小负荷时不应向电网倒送无功。其他100kVA(kW)及以上电力用户和大中型电力排灌站,功率因数宜为0.85 以上。
电力用户应根据其负荷的无功需求,设计和安装无功补偿设备,其功率因数应达到0.95 以上。为此泵站应在提高用电自然功率因数的基础上,设计和装设无功补偿设备,并做到随负荷和电压变动及时投入和切除,提高功率因数,并且防止无功电力倒送。
无功补偿设备主要分静态无功补偿和动态无功补偿两种类型。静态无功补偿设备包括并联电容器、并联电抗器;动态无功补偿设备包括静止无功补偿器、静止无功发生器、调相机、可控高压并联电抗器等。排灌泵站一般采用静态无功补偿设备可满足无功补偿需求。在排灌泵站电动机型式选择中,单机容量在630kVA 及以上电动机,一般选用同步电动机;单机容量在630kVA 以下的电动机,通常选用异步电动机。
同步电动机的电枢绕组一般在定子上,励磁绕组在转子上。励磁绕组由直流电流激励,直流励磁电流通过静止的碳刷与集电环之间的滑动接触而被导入励磁绕组。同步电动机需要配备独立的励磁直流电源,形成不变磁场,使得转子与定子旋转磁场同步,故在额定负载中可保持功率因数在0.95 以上,同时在负载变化时可通过调整励磁电流保持功率因数恒定。此类电机无需配置专用的无功补偿装置。
异步电机是定子送入交流电,产生旋转磁场,而转子受感应而产生磁场,磁场作用使得转子跟着定子的旋转磁场而转动。其中转子比定子旋转磁场慢,两者不同步。异步电动机的转子主要有两种:绕线式转子与鼠笼式转子。异步电动机在额定负载中的功率因数通常在0.6~0.90 之间,极对数不同功率因数相差较大,同时在负载变化时功率因数也会出现较大波动,为满足电力系统对用户侧功率因数要求,此类电机必须配置专用的无功补偿装置。
目前,泵站无功补偿方式主要有:集中补偿、就地补偿两种。两种补偿方式比较如表1。
表1 补偿方式的比较表
对于电动机电压等级为380V 的泵站,由于国产控制器可以做到20 路,且性能稳定,建议采用集中无功补偿方式。
对于总装机台数较少,运行工况稳定、启停不频繁的异步电动机,建议采用单机就地补偿方式。补偿容量确定时,需充分考虑可能的运行负荷波动时机组功率因数的变化,建议设计工况下按功率因数在0.94~0.96 之间来确定容量,避免电容器和电动机产生自激电压。
泵站总装机台数较多、启停较为频繁的异步电动机,建议采用集中补偿方式。但在设计补偿装置分组容量与总容量时,需充分考虑泵站各种运行工况下,通过投切不同容量的分组补偿装置,保证始终满足电力系统的要求。
选择电容器时,应按《并联电容器装置设计规范》(GB50227-2017)第5.2.2 条要求合理确定电容器电压与线路电压相匹配,一般不得低于线路电压的1.1 倍。
电容器的容量与电压的平方成正比,故在进行补偿容量计算时,必须考虑电容器的电压对电容器容量的影响,以免造成无功补偿容量不足,从而造成功率因数不能满足当地供电部门的要求。如:额电电压为0.45kV、额定容量为10kVar 的电容器在0.4kV 线路中,其实际容量只有7.90kVar。
某中型排灌泵站,装机为5 台560kW 异步电动机,额定功率因数0.77,额定效率0.935。按照将本站功率因数补偿至0.95 计算,需要配置一套2000kVar 的集中补偿装置,购置费用约为25 万元。
按照《功率因数调整电费办法》规定,各功率因数电能费用增减情况如表2。
表2 各功率因数电能费用增减情况表
如本站不装设无功补偿装置,电动机额定功率因数为0.77,实际执行电价为原价的1.065 倍;如本站装设无功补偿装置,补偿后电动机额定功率因数为0.95,实际执行电价为原价的0.925 倍。
按照泵站年利用小时数300 小时、基准电费 0.54 元/kW·h 计算,补偿前年电费约为67.1 万元,补偿后年电费约为58.3万元,年节省电费约8.8万元。按照无功补偿设备费用25 万元折算,3年后即可收回投资。因此,在本泵站中配置无功补偿装置经济效益突出。
异步电动机是中小型电力排灌站的主要用电设备。针对运行过程中异步电动机较低的功率因数,选择一种合理高效的无功补偿方式,对降运行成本、提高设备效率、满足电力系统要求都有重要的意义。综上,集中补偿、就地补偿各有优劣,在条件具备的前提下,尽量采用集中补偿方式