马清坡 张永武 马衣峰

浅谈徐州市袁桥东站泵站无功补偿的改造

马清坡 张永武 马衣峰

一、概述

在电力系统中，随着变压器和交流电动机等电感性负载的广泛使用，电力系统的供配电设备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供配电设备容量，同时增加了线路输送电流，因而增加了馈电线路损耗，使电力设备得不到充分利用。作为解决问题的办法之一，就是采用无功功率补偿装置，使无功功率就地得到补偿，尽量减少或不占用供配电设备容量，提高设备的利用效率。最常见的办法就是采用电容器组提供电容性电流对电感性电流给予补偿，以提高功率因数。在高压系统中，目前使用比较多的补偿还是传统的固定式电容补偿装置，集中的自动补偿装置使用还很不普遍。由于传统的补偿方式存在安全性能差、补偿精度低和劳动强度大等问题，普遍希望有一种更加安全可靠、补偿精度和自动化水平更高的补偿装置供设计选用。

二、基本情况

袁桥泵站东站（以下简称袁桥东站）于2000年建成，总设计流量为20m3/s,总装机容量为2400kW。共安装6台水泵机组，水泵为1000HD-9的混流泵，设计流量为3.33m3/s，扬程7.5m。配套电机型号为YLB560-12，功率为400kW，功率因数为0.719，额定电压为10kV，额定电流为34.5A，绝缘等级为F。袁桥东站位于奎河和故黄河之间，其作用为当市区降暴雨时，奎河自排能力不足或袁桥西站开机强排作用仍不明显时，开机运行，将奎河水通过出水箱涵排至故黄河中。

由于袁桥东站的设计过程中主要考虑了在防汛抗旱中的强排作用，在强排过程中要求6台机组同时开启，在最短的时间内降低奎河水位，以确保市区内不出现积水现象，所以袁桥东站的电容补偿方式为母线集中补偿的方式。然而随着近年来公众对市区水环境的要求不断提高，又承担了为故黄河补水，以改善故黄河水质的任务。在补水的过程中，一般流量很小（约在3～5m3/s），所以袁桥东站只能是1～2台机组交替间歇运行。由于采用了集中补偿，所以电容在补水的过程中无法投入运行，导致功率因数达不到供电部门的要求，增加了运行的费用。

三、解决方案选择

要想解决上述问题，得到理想的补偿效果，首先要确定合理的补偿实施方案、准确计算需要补偿的容量。目前常见的补偿方法有传统的固定式电容器组人工插拔熔断器控制补偿容量法、单台设备随机就地电容补偿法和集中电容器自动补偿法。其中传统补偿方法简单，但补偿精度低，劳动强度大，危险性大，受人为因素影响太多。故不能选择。

单台设备就地补偿法就是针对单台设备在当地进行补偿，其优点是从设备需求点补偿，深入到需求补偿第一位置，补偿范围大。其缺点是确定补偿容量困难。既不能过补偿，又必须保证电路不得发生LC谐振和避免发生自激现象。因在计算无功电流时，无功电流主要成分是由电机励磁电流I0，满负荷运行时的无功电流增量ID1、欠载运行时的无功电流增量ID2等组成的。因为随着电动机运行状态的变化，上述各参数都在不停地变化，动态变量变化因素太多，很难确定准确的无功补偿需求量。不同的生产设备在选配电动机时的启动容量裕度各不相同，所以，在设备运行中其电动机的饱和程度各不相同，其欠载运行的无功电流增量ID2各不相同；其次，电动机的实际工作状态随时变化，如水泵电机随着进水水位、出水水位的变化电动机负载率随时都在变化，无法确定准确的工况。而单台设备就地补偿法在补偿容量确定后，是以固定不变的补偿容量，去平衡随时浮动变化的动态工况，就很难得到满意的高精度补偿效果。此外，在单台补偿的电容器装置中，补偿电容器是与主机一对一固定配套安装的，随着主机的运行而补偿电容器同时投入运行，当主机停止运行时补偿电容也一齐被切除，各机组之间的电容器相互独立不能互补，电容器得不到充分利用，增加了设备投资。由于补偿电容器随着主机的运行而一齐投入运行，则主机的启动电流与电容器合闸涌流是同时处于最大值，两个电流最大值相加增大冲击电流效应。

采用成组设备集中自动补偿法，则补偿容量可根据当时整体运行工况需要，自动投入所需容量，可以达到比较高的补偿精度。随着补偿设备的步长越短则补偿精度越高，如果步长为无级变化则功率因数从理论上讲可以精确到1，这将为高精度准确补偿打下基础。而且不论任何一台电机工作时，补偿电容器均可根据线路总体需要投入运行，使每组补偿电容器得到充分利用。是可以有效采用的解决方案。

四、集中自动补偿的原理

自动补偿分为两种形式：（1）静态自动补偿装置。此装置有自动补偿控制器、交流接触器、电流互感器、空气开关以及电容器组成。能够随着用户功率因数的高低自动跟踪补偿，缺点是投切电容时会产生涌流，这就对断路器等设备要求较高。但此装置结构简单、价格低，因此经常被采用。（2）晶闸管无功动态自动补偿装置。此设备是采用无触点大功率可控硅，由微电脑的综合测试装置实时检查电力系统的无功功率和功率因数，控制并联电容器电流过零投入、等电位切除的装置。并很好的解决了传统产品机械触点投切电容器烧毁主触头的不足，能够有效地实现快速准确的跟踪补偿无功功率，无电流冲击，无操作过电压以及测量、控制的智能化、远程化。此装置运行可靠、安全、故障少，但是价格高。

根据袁桥东站的实际运行情况和现有设备的状况，经综合考虑决定采用静态自动补偿的方案。静态自动补偿原理如图1。

图1 电容自动补偿原理图

自动补偿控制器取10kV母线电压信号和电流信号无功电容补偿的模拟输入信号，并计算无功需求量、功率因数。通过控制器的逻辑判断、程序运算来确定电压的调整并通过控制回路来控制电容器组的投切，确保电压和功率因数在设定范围之内，实现就地无功平衡和母线电压稳定。为这种静态补偿的方式防止因合闸涌流和操作过电压造成对电容器、断路器以及对电网的损害，通过在电容器回路串联电抗器、并联放电线圈来抑制合闸涌流，防止产生操作过电压。

根据计算袁桥东站的无功补偿需要1050kVAr，所以采用等容量分为五组，每组200kVAr,均采用为星形接线，真空断路器五台，并与对应的操作机构一体式安装。安装自动补偿控制器一套如图2，用于检测无功运行状况并实现对电容器组投切的自动控制。

图2 电容自动补偿二次侧展开图

此电路可以手动、自动控制，图中QF为上一级断路器的辅助接点，成为控制电源的闭锁，1CT—5CT,1CQ—5CQ为控制器内部信号，1S1—5S1为行程开关触点，防止电容器带电检修。自动投入、切除过程：转换开关打到自动挡，转换开关触点3、4接通。当控制器检测到无功功率、功率因数等达到或超过整定的值后，发出信号闭合1CT，通过KC6的动断触点使KC1线圈带电，KC1动合触点闭合，接通KM1线圈，使真空断路器1合闸，投入第一组电容。若此时控制器检测到功率因数还未达到要求，继续闭合2CT，投入第二组电容，直至功率因数达到要求为止。当功率因数超前时，控制器闭合1CQ接通KC6，使1CT—KC6—KC1回路中的KC6的动断触点断开，KS1失电使KM1跳闸，切除电容。以此类推，直至功率因数达到要求为止。手动操作过程：转换开关触点5、6接通，按下SB1开关，KS1线圈得电KS1触点闭合，接通KM1，投入第一组电容器，以此类推按SB2投入第二组电容器。切除时按SB6切除第一组，同样SB7切除第二组。

五、结论

综上所述，袁桥东站经过改造，克服了母线集中补偿的局限性，有效地降低了小流量运行时的运行成本，取得了较好的效果。目前广泛使用的补偿方式，大多数都是有级补偿，为了达到更精确补偿效果，最理想的补偿方式是实现微机调控的无级自动补偿方式，可以根据需要使补偿后的功率因数达到最理想的精度，但是由于其技术含量高，投资费用也相对高，要求较高的管理维护水平■

（作者单位：徐州市水利局221018沛县水建总公司221700丰县水利局221600）