水利泵站配电系统的无功补偿与节能

刘福春

（天津市水务规划勘测设计有限公司，天津 300204）

1 问题的提出

党的二十大报告提出，积极稳妥推进碳达峰碳中和，是国家关于节能减排的重大决策部署。目前，我国绿色、循环、低碳的发展理念逐步落地见效，资源节约集约利用水平向好。但资源约束趋紧、环境容量不足等问题依然突出，生产生活方式绿色低碳转型存在多重困难挑战。要消除可持续发展的制约因素，必须扎实推进“双碳”工作，提高能源利用效率，形成绿色生产及生活方式，实现经济社会可持续发展［1］。

践行绿色低碳理念，节约1 kW·h电是节能减排工作的有效手段之一。1 kW·h 电可以让节能灯点亮100 h，可以给1部手机充电100多次，可以让家用冰箱运作36 h，可以让电视播放10 h电视剧，可以让洗衣机清洗50 kg 衣服，还可以生产100 多个医用口罩、10 副医用手套、10 L 消毒液等等。为生活守护一份平安，1 kW·h 电的作用真的超乎我们的想象。1 kW·h 电的产生很不容易：水力发电需要630 m³的水，才能产生1 kW·h电；光伏发电需要1块250 W的光伏板在阳光下晒4 h的等效时长，才能产生1 kW·h电；火力发电需要燃烧400 g左右的煤，才能产生1 kW·h电！现在大部分电能是通过火力发电烧煤发出来的，我们少用1 kW·h电相当于减少400 g煤的燃烧，就能减少997 g 二氧化碳、272 g 的碳粉尘、15 g 的氮氧化合物、3 g 的二氧化硫排放，就能为节能降耗多助一份力。我们可以让1 kW·h电在不经意间溜走，也可以选择节约每1 kW·h 电让它发挥价值。地球资源是有限的，我们想要长久地生存下去，就得切实行动起来，从现在做起，从点滴做起，一起节约用电、节省能源，守护美丽家园。

截至2021年底，天津市现有大、中、小型水利泵站共计3890座，其中大型水利泵站12座、中型水利泵站263 座（装机容量为1000～10000 kW）。数千座泵站在保障全市供水、灌溉、排涝等功能发挥的同时也消耗了大量电能，产生了大量电费的运行成本。因此，在践行节约用水责任的同时，节约用电亦可降低管理单位的运行成本，减少碳排放，提高管理单位经济效益和社会效益。节约用电的一般途径有：①减少泵站功率损耗，提高电能利用率；②采用新技术、新材料和新工艺；③加强设备的维护与检修，减小能量损耗；④通过信息化手段实现智慧泵站优化调度。本文主要介绍水利泵站通过改善用电设备功率因数、减少泵站功率损耗、提高电能利用率来实现水利工程节约用电，完成运行管理单位节能减排目标。

2 功率因数基本概念

水利泵站配置的变压器、水泵电机等感性电气设备多是通过建立磁场才能正常工作，磁场所具有的能量是由电源供给的，当用电设备激磁电流增加时从电源吸收能量，激磁电流减小时将能量释放回电源。衡量与电源能量交换速率的物理量称为无功功率。正常工况下，电机等用电设备要从电源同时取得有功功率及无功功率。凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场就要消耗无功功率。感性负荷自电网吸收无功功率，容性负荷向电网发出无功功率。接于同一正弦交流电压的电感和电容电流反相，吸收、释放能量互相抵消，故无功功率互相抵消。在电路中交流电压和交流电流之间相位差角φ的余弦为功率因数cosφ，数值上是有功功率与视在功率之比，即：

式中：cosφ为功率因数；P为有功功率（kW）；S为视在功率（kVA）。

3 功率因数与节约电能

3.1 功率因数的影响因素

当泵站中的水泵电机有功功率一定时，无功功率上升，功率因数下降。功率因数下降的影响因素有：①泵站使用感应水泵电机和感性用电设备；感性用电设备不匹配或使用不合理，造成长期轻载或空载运行；②变压器容量选择过大，使之常年低负载率运行；③未配置电容器等无功补偿设备。

功率因数下降将产生以下影响：①增加供电系统线路和变压器等设备材料的容量和投资；②增大线路和变压器的功率和电能损耗，增加年运行费；③电网电压损失增大，供电电压质量下降。电力部门规定各用电企业功率因数不能低于0.9，并制定了相应的奖惩标准，这对电网的经济运行和保证供电质量都是非常必要的。

3.2 节约电能意义

功率因数的高低对泵站节能至关重要，提高泵站的总功率因数，节约电能，具有积极的意义：①缓和电力供需矛盾。在天津市的水利行业，甚至全市各个行业、全国各个领域开展节约电能的活动，可使有限的能源用于更多的生产部门，为社会创造更多的财富。②提高电能使用的经济效益。在工程运行阶段会节约大量电能，降低管理单位运行成本。③加速工艺、电气设备的改造，促进科技进步。节约电能工作的不断深度开展，在工程前期建设阶段可节约设备投资，在工程运行数年后必将促进对旧设备、落后工艺的更新换代和升级，从而大幅度提高生产效率，降低能耗［2］。

4 提高功率因数举措

改善水利泵站水泵机组、辅机等用电负荷功率因数，核心问题是减少用电负荷的无功功率，主要方法是调整自然功率因数和人工补偿提高功率因数。

4.1 提高自然功率因数

提高泵站水泵电机运行效率的最基本方法是合理选择和使用电动机，确定最经济的运行方式和降低电动机的能量损耗。异步电动机的功率因数和效率是水泵电机2个重要的技术参数，它们相互关联、互相影响，改善水泵电机效率的同时也改善了其功率因数。一般异步电动机的额定效率和功率因数按负荷系数在75%～100%的范围内设计，所以电动机额定输出功率应为选择负荷功率的1.10～1.15 倍为宜。因为水泵电机、变压器等感性负荷是吸收无功功率较多的用电负荷，选型时确定的容量越大，无功功率需要越大。如果这些设备经常处于“大马拉小车”即空载或轻载运行工况时，功率因数和工作效率都会下降，违背了节约的原则。

对于长期运行的大型泵站采用同步水泵电机为宜；变频供水泵站选择输入功率因数大于0.95 的变频器，无需配置功率因数补偿装置。

4.2 人工补偿提高功率因数

泵站的高压电源线路及变压器输送无功功率，亦可能导致损耗电能和电压，降低电气设备的工作效率。因此，除减少用电负荷无功功率消耗、提高自然功率因数外，还需在末端对无功功率进行人工补偿。科学合理使用水泵电机、变压器等设备，以及利用电容器并联补偿来提高功率因数，是人工提高功率因数通常采取的方法。当单相电容器的额定电压与电网额定电压相同时，三相电容器应采用三角型接线型式；当单相电容器的额定电压低于电网额定电压时，应采用星型接线型式，或几个电容器串联后、使得每相电容器组的额定电压高于或者等于电网的额定电压，再采用三角型接线型式。在短路容量较小的变电站，多采用三角型接线型式电容器组。为提高泵站补偿装置的经济效益，减少无功功率的传送，尽量就地补偿。在泵站的配电系统中，通常采用的补偿方式有高压集中补偿、低压成组补偿和低压就地补偿3种型式［3］。

在水利泵站中，用电负荷基本以电感性和电阻性负荷为主，总电流相位将滞后电压1个角度φ。若装设电容器并与负载并联，电容器电流将抵消一部分电感电流，总电流相位差φ减小，相应提高了功率因数。如果电容器容量选择得当，可把φ减小到0，即cosφ提高到1。

4.2.1 电机的合理使用

对水泵电机进行补偿时，补偿电容器容量的计算应按水泵电机空载的功率因数补偿约至1计算补偿容量，不要按水泵电机带负荷时的功率因数计算补偿容量。因为，若带负荷时补偿至cosφ=1，则空载时将会出现过补偿现象。若出现过补偿情况时断开电机电源，水泵电机励磁接收到电容器放电，使运行的水泵电机变成感应发电机，此时的工作电压超过额定电压多倍，有损于电容器和水泵电机的绝缘。

对于轻负荷的水泵电机，适当降低电压，则电动机的转矩减少，输出功率降低。但由于电压降低，空载电流减少，铁损减少，因而水泵电机功率因数和效率基础维持不变。对于中小型异步电动机，当负荷低于50%时，常采用改变电动机定子绕组接线（由△接线改为Y 接线）的方法，使电动机降压运行，从而减少电动机无功功率需用量，提高功率因数，达到节约电能的目的［4］。

电动机空载运行时输出功率为零，但此时铁损、机械损耗仍然存在，仍在消耗无功功率和有功功率。而在各种机械的生产过程中，空载间断时间又是不可避免的。因此，限制异步电动机空载运行时间，合理使用电动机，使其经济运行，可达到节能减排的目的。

其他降压运行方法还有采用自耦变压器降压、调压器调压、电抗器或电容器降压和改变电动机绕组接线法等。

4.2.2 变压器的经济运行

电网的经济运行是指使整个系统中的有功功率损耗最小并能获得最佳经济效益的运行方式。泵站配置的变压器经济运行，是使变压器总的有功损耗最小的运行方式。

泵站配电系统中的有功功率损耗与电气设备的有功功率和无功功率均相关。因无功功率需求量的升高导致电流升高，电流经过变压器和线路时产生较大的功率损耗，使配电系统中总有功损耗升高。为直观表达上述工况，因而出现了“无功功率经济当量”的说法。无功功率经济当量表示了因装设人工无功电容补偿设备得到的直接经济效益，其物理意义为每补偿1 kvar无功功率，在配电系统中相应引起有功功率所增加的数值。无功功率经济当量的大小与电力系统的容量、结果及计算点的具体位置等因素有关。距离电源越远的泵站变电所，无功功率经济当量值越大，亦即装设无功补偿设备后所得经济效益越高。

变压器工作需要消耗无功功率建立交变磁场，其消耗的无功功率约为其自身额定容量的15%左右，空载无功功率约为满载时的1/3。从经济运行的角度来说，并联工作的变压器要考虑有功功率损耗和无功功率损耗，因为电网供给无功功率时也会在电网和变压器中引起有功功率的损耗。当总负荷一定时，泵站无论接入1 台还是2 台变压器，变压器所产生的功率损耗是一样的。因此，应根据季节性负荷变化情况，确定泵站配置的变压器最经济的并联运行台数，减少电能损耗，达到最佳的经济效益。

4.2.3 线路

由线路的对地电容电流所产生的容性无功功率，称为线路的充电功率。电源线路空载或者轻载时电压会高于电源电压，因为导线间及对地存在电容，输电线路相当于1个无功电源，这时电流相位超前于电压相位。输电线路轻载时，其容性充电功率将超过线路本身所消耗的感性功率，会导致功率因数降低并提高末端电压。这将对用电负载造成危害，尤其是电缆线路，电缆线路的相间电容约为架空线路的18 倍，对地电容约为架空线路的几十倍，因此，长距离电缆线路中电容电流增大，将产生过多的充电功率，引起输电线路的电压升高，当电压升高到一定程度后会造成电缆线路本身和其他相关设备的损害，危及电力系统安全［5］。

为解决长距离电缆输电线路的过电压问题，可将电容器与线路串联，改变线路参数，减小线路的电压损失，提高末端电压水平和线路输送能力，减少电网损耗；也可将逆变器（电压型）在电网上并联电抗器，调节逆变器交流侧输出电压的相位与幅值，迅速吸收无功功率，实现快速动态调节无功功率，达到改善功率因数的目的。

5 结语

我国生态文明建设已进入以降碳为重点战略方向的关键时期，必须扎实推进“双碳”工作，发挥降碳对生态环境质量改善的源头牵引作用，大力实施节能减排，全面推行清洁生产，加快发展循环经济，推进减污降碳协同增效，加快实现生态环境质量改善由量变到质变的根本转变，守护好蓝天白云、绿水青山，为人民群众提供更加优美的生态环境，提高人民生活品质。

天津市在健全节能减排政策机制的同时，为助力实现碳达峰碳中和目标，不断满足人民群众天蓝、地绿、水清良好生态环境的需要，必须推动天津水利泵站工程绿色升级，这对促进全市经济社会绿色低碳、资源集约发展具有重要意义。