宣城市朱候排涝泵站功率因数不达标的原因分析及处理

2023-07-28周逸波

陕西水利 2023年7期

周逸波

（长江勘测规划设计研究有限责任公司上海分公司,上海 200439）

0 引言

由于近年来城市化进程加速和极端天气频发,我国城市暴雨洪涝灾害问题越来越突出。为保障人民的生命财产安全、维护社会的可持续发展,各地均兴建排涝泵站来提高城市防洪排涝能力。异步电动机因其维护便利性和高可靠性而在排涝泵站中得到广泛应用。由于异步电动机在正常运行时需要消耗一定的无功功率,因此需要设置就地无功补偿装置,以满足供电部门对功率因数的考核,并起到提高供电质量、节约电能、减少用户运行费用的作用[1-2]。

宣城市朱候排涝泵站设3 台立式轴流泵,每台水泵配套异步电动机,额定功率为250 kW,额定电压为380 V,额定电流为567 A,额定效率为91.7%,额定功率因数为0.73。3 台水泵电机由1 台容量为1600 kVA 的主变压器供电,主变压器0.4 kV 母线上设置了2 套无功补偿装置,每套补偿容量为270 kvar,合计补偿容量为540 kvar。

根据当地水利部门反映,当3 台泵组全部投入运行,无功补偿全部投入后,功率因数可补偿到0.85 左右,达不到供电公司要求的0.9,因而被供电公司罚款。笔者受邀前往该泵站排查问题原因并提出解决措施。

1 无功补偿容量计算分析

异步电动机的无功补偿容量计算公式如下：

式中：Q 为无功补偿容量,kvar；P 为电动机输出功率,kW；η为电动机效率；tanø1为补偿前功率因数的正切值；tanø2为补偿后功率因数的正切值,该值一般按cosø2不小于0.9 值。

取目标功率因数为0.9 时,利用式（1）对电机额定工况时需要的无功补偿容量进行计算,并考虑变压器无功损耗约为40 kvar,得Q =3×250÷0.917×（0.936-0.484）+40=409.7 kvar。泵站实际配置的无功补偿容量为540 kvar,大于409.7 kvar,理论上已能满足需求,故对问题产生原因进行分析。

2 问题原因分析

2.1 电容器安装容量与输出容量的区别

式（1）中的计算结果Q 为泵站实际需要的无功补偿容量,即应为电容器装置的实际输出容量。由于电容器装置的额定电压、串联电抗器等因素的影响,电器容装置的安装容量和输出容量是有区别的。

根据《工业与民用配电设计手册》（第四版）表1.11.5.2中公式：

式中：Qc为并联电容器装置的实际输出容量,kvar：QN为并联电容器装置的安装容量,kvar：Uc为并联电容器装置的平均运行电压,取0.4 kV；UN为并联电容器装置的额定电压,现场配置电容器装置的额定电压为0.45 kV。

为串联电抗器的电抗率,现场配置串联电抗器的电抗率为7%。

利用式（2）计算得Qc=0.735 QN,可知电容器的安装容量小于输出容量,为0.735 倍,有着不小的差距。代入本工程参数,泵站配置的电容器安装容量为540 kvar,则电容器实际输出容量仅为397 kvar,小于409.7 kvar,不满足要求。

在实际工程中,如设计单位不作特别说明,则电容器厂家一般按照安装容量来配置电容器,造成电容器实际输出容量不满足系统所需容量,这个问题常被设计单位、电容器厂家所忽略。

2.2 水泵电机处于低负载率工况运行

笔者对水泵电机回路的电气参数进行了测量,读数见表1。

表1 水泵电机回路电气参数读数

由表1 可知,此时水泵电机输出功率为143 kW,功率因数为0.478。电机负载率β=143÷250=57.2%。可见水泵电机此时处于低负载率工况运行。由于在相同的目标功率因数下,异步电动机在负载率较低的工况运行时需要的无功补偿容量比额定工况运行时大,因此需要对电机此时工况下需要的无功补偿容量进行计算。

取目标功率因数为0.9 时,利用式（1）对电机此时工况需要的无功补偿容量进行计算,忽略电机效率的变化,并考虑变压器无功损耗约为40 kvar,得Qc=3×143÷0.917×（1.838-0.484）+40=673.4 kvar。泵站无功补偿装置实际输出容量仅为397 kvar,小于673.4 kvar,不满足要求。

2.3 水泵电机性能不佳

图1为水泵电机厂家提供的本工程水泵电机性能曲线图。由图1 点可知,当水泵电机输出功率运行在143 kW 时,电机功率因数应达到0.58 左右。由表1 可知,当水泵电机输出功率运行在143 kW 时,电机实际功率因数仅为0.48,达不到水泵电机厂家承诺标准,且存在着不小的差距,从而可以判定本工程水泵电机性能不佳。

图1 水泵电机性能曲线图

3 问题处理方法

根据2.2 节计算结果可知,水泵电机此时工况下需要的无功补偿输出容量为673.4 kvar,利用式（2）将输出容量QC转换为安装容量QN,得,考虑一定裕量,取960 kvar。

由于本工程已配置的无功补偿装置容量为540 kvar,因此需要增补的无功补偿装置容量为420 kvar。由于需要增补的无功补偿装置容量较大,无法直接在变电所原有的2 台无功补偿柜中增加电容器,且变电所内土建位置紧张,无法增设无功补偿柜。因此,在3 台水泵电机现地控制柜旁分别增加1 台低压就地无功补偿柜,每台柜内配置的无功补偿容量为140 kvar,合计420 kvar。

在得出解决方案之后,当地水利部门立即着手在该泵站增补了3 台低压就地无功补偿柜,合计无功补偿容量为420 kvar。改造完成后,该泵站的功率因数始终大于0.9,功率因数不达标的问题得到了解决。

4 排涝泵站无功补偿容量计算建议

由于排涝泵站的运行扬程较低,扬程变化范围较大,因此,排涝泵站水泵电机具有较宽的运行负载率区间,电动机低负载率工况运行经常出现[2-3]。另外,由于项目进度等原因,设计单位在设计过程中,往往难以获得水泵电机的性能曲线图,无法对于水泵电机各负载率工况下所需要的无功补偿容量进行分别计算。再者,如果出现本工程中水泵电机性能达不到电机性能曲线图标准的情况,则会对无功补偿容量计算造成进一步的干扰。

根据以往项目经验,建议设计单位在进行无功补偿容量计算时,可以采用水泵电机额定工况下的参数,但应留有充分的裕量,一般按照目标功率因数为0.95 时进行计算。在得到计算结果后,要注意将无功补偿输出容量换算为安装容量,避免引起混淆。由于低压电容器可由功率因数控制器进行动态分组投切,因此无功补偿容量即使留有充分的裕量也不会造成过补偿问题。