中小型水利工程中排灌泵站的電容無功補償方式設計

 中小型水利工程中排灌泵站的電容無功補償方式設計

　　摘要：中小型水利工程是建設小康社會、發(fā)展農村經濟的重要水利工程。但是由于中小型排灌泵站往往建設較早，不同程度上存在設計不規(guī)范，運行效率低、能耗大等缺點。在國家新農村建設的新形勢下，應該依賴科技進步對中小型水利工程中的排灌泵站進行更新改造，降低能耗。

　　關鍵詞：中小型水利工程；排灌泵站；無功補償

　　我國國內目前有大中小型各類固定式排灌泵站接近50萬座，其中中型泵站有4895座，其余大部分為小型泵站。這些提水排灌設施在防洪抗旱、減少自然災害、解決某些地區(qū)生產生活用水方面發(fā)揮了極其重要的作用，在國民經濟可持續(xù)發(fā)展和服務全面建設小康社會中占有非常重要的作用。但我國中小型泵站往往建設較早，使用時間較長，不同程度上存在著種種問題。

　　1. 中小型排灌泵站中的問題

　　由于認識方面或管理方面的原因，我國中小型排灌泵站存在以下的問題：

　　（1）設備陳舊老化、排灌效率低下

　　目前我國境內的中小型水利工程大部分建設較早，有超過兩成的建設于六七十年代。尤其是部分排灌泵站都是邊設計邊施工，基本或完全沒有考慮節(jié)能的問題。盡管部分泵站在八十年代進行了配套改造，更新了部分設備，但由于各種原因，泵站的裝置效率仍不能達到國家標準。在泵揚程小于設計揚程的情況下，有些排灌泵站的流量只是設計流量的50-70%，效率很低。

　�。�2）自動化程度低

　　由于泵的水力模型大多是六七十年代建立的，性能指標落后，新的模型難以引進。許多過時的機電設備不能得到及時更新，普遍缺少自動化監(jiān)控設施和基本的信息化手段，難以實現(xiàn)泵站的優(yōu)化調度和經濟運行。

　　（3）未安裝無功補償裝置

　　排灌泵站的電動機在使用中普遍存在的一個問題是沒有安裝合理的無功功率補償。不僅浪費電能，而且因為功率因數(shù)不達標要多交電費。因為電動機的負載率與功率因數(shù)有著一一對應的關系，在電動機運行測試儀的基礎上加裝適當?shù)目刂撇考�后可作為無功補償控制器動態(tài)投切低壓電容進行就地無功補償，能有效地提高功率因數(shù)，減少無功損耗，降低線損，節(jié)約電能。

　　由于我國中小型水利工程中排灌泵站中普遍存在的上述問題，導致泵站容易發(fā)生各式不良后果，主要體現(xiàn)在裝置效率地下，能耗超標。我國機電排灌年平均耗電約180億kWh，年平均耗油約250萬噸，泵站平均裝置效率只有40%左右，能源單耗高于國家標準20%-40%。

　　2. 無功補償方式的設計

　　在電力系統(tǒng)中，由于電感、電容元件的存在，不僅系統(tǒng)中存在著有功功率，也存在著無功功率。雖然無功功率本身不消耗能量，只是在電源和負載間進行傳輸交換，但這種能量交換的過程會引起電能的損耗，使電網的實際功率增大，對系統(tǒng)產生一系列的負面影響。大多數(shù)平原地區(qū)興建的排灌泵站選用軸流泵，其動力機采用鼠籠型感應電動機。由于設備時間較長，電機在正常運行時，均達不到其額定功率(約80%)，功率因數(shù)更低。過低的功率因數(shù)對電力系統(tǒng)的負面影響很大。首先，在保證變壓器額定容量的前提下，負載的功率因數(shù)越低，變壓器輸出的有功功率越小，同時負載需變壓器供給的無功功率越大。變壓器的容量得不到充分利用，造成不必要的浪費;其次，過低的功率因數(shù)，使電路的電流越大，電路的電壓損失和功率損失也就越大。提高功率因數(shù)的重要方法就是利用并聯(lián)電容器進行無功功率補償。由于其沒有旋轉部分，安裝維修簡單方便，無噪聲，有功損耗小。

　�。�1）無功補償?shù)脑��?/p>

　　無功補償?shù)幕�本原理是把具有容性功率負荷的裝置和感性負荷的裝置并聯(lián)在同一電路中，當容性負荷釋放能量時，感性負荷吸收能量，而感性負荷釋放能量時，容性負荷吸收能量，能量在兩種負荷間交換。如圖1所示，設電源的端電壓為，感性負載的電流為，它超前電源電壓90度，和的向量和為，由向量圖可以知道，當并聯(lián)電容器后，功率因數(shù)角減小，增加，也就是說功率因數(shù)提高，同時總電流減小，從而補償了無功功率。

　　圖1無功補償?shù)碾娐吩�理圖

　�。�2）補償方式的選擇和優(yōu)化

　　無功補償?shù)姆绞揭话憧梢苑譃榧�中補償、分組補償和就地補償，其主要特點和適用范圍如表1所示。高壓電容無功補償對提高總回路功率因數(shù)的效果最為顯著。在功率、頻率相同的條件下，電壓較高時就可以用較小的電容量較大幅度地提高電網的功率因數(shù)。但對排灌泵站的節(jié)電效果不如低壓供網和用電設備的直接補償。集中補償分為固定容量補償和自動補償，均可最大限度地挖掘變壓器的容量潛力，增大負載能力。根據(jù)公式，當功率因數(shù)=1，有功功率等于變壓器的視在功率S，而一般自然功率因數(shù)在0.6～0.7之間，如不進行補償，泵站變壓器的效率就很難提高。例如，1000kVA的變壓器僅能提供600～700kW的有效功率。特別是自動補償，功率因數(shù)可控制到0.95～0.98，其增容效果更為顯著。電容器的充、放電功能，可以有效地穩(wěn)定電壓，提高供電質量。電容器的安裝環(huán)境也可以選擇有利于日常維護、保養(yǎng)的地方，有利于延長電容器的使用壽命。

　　為了提供較好的補償效果并且降低投入，需要根據(jù)排灌泵站的供電形式進行全面細致的分析，針對生產中存在的問題，綜合性地全方位考慮選擇無功補償?shù)姆绞�。當線路中只有高壓電機時，可選擇高壓無功補償，以提高功率因數(shù)為主要目的。而農田排灌一般是季節(jié)性用電，一般泵站功率較大，對電網沖擊較大；有的水泵原理配電房，適合選用就地補償?shù)姆绞健?/p>

　　就地補償?shù)姆绞酵ㄟ^在電機等感性負載旁和電容器直接并聯(lián)，與電機等同開、同停，停機后電容器通過電機直接放電，電容器不再另需放電裝置。運行時，電機所需無功由電容器就地供給，能量交換距離最短，可以最大限度的降低線路的電流。在線路相同的條件下，線路損耗和電流的平方成正比，所以電容就地補償，節(jié)電效果最好，投資也小，能夠有效抑制設備瞬間出現(xiàn)的電流波動沖擊電網。特別適合中小型水利工程中的排灌泵站應用。

　　表1并聯(lián)電容器的補償方式

　　補償方式 安裝地點 主要特點 適用范圍

　　集中補償 電容器一般裝設在單獨的高壓電容器室內 前期投資較少，運行維護方便，但只能補償高壓母線以上的無功功率 大、中型工廠變配電所作高壓無功補償

　　分組補償 接變電所低壓母線，其電容器柜裝設在低壓配電室內 能補償?shù)蛪耗妇�以上的無功功率，可使變壓器的無功功率得到補償，運行維護較方便 中、小型工廠作低壓側基本無功的補償

　　就地補償 裝在用電設備附近，與用電設備并聯(lián) 補償范圍最大，補償效果最好�？蓽p小配電線路截面，節(jié)省線路投資。但電容器的利用率一般不高，初期投資和維護費用較大 負荷相當平穩(wěn)且長時間使用的大容量用電設備及某些容量雖小但數(shù)量多而分散的用電設備

　　并聯(lián)電容器作無功補償時應遵循分層分區(qū)、就地平衡的原則，具體說來，無功補償總容量應滿足整體(上一級)電力網對該配電網的無功補償?shù)囊�求，集中補償與分散補償相結合，同時還要注意與降低線路損耗、調整電壓等其他措施相結合。

　　（3）補償電容的計算

　　應根據(jù)其排灌泵站的負荷性質采用適當?shù)臒o功補償方式和容量，在任何情況下，不應向電網反送無功電力，并保證在電網負荷高峰時不從電網吸收無功電力。補償電容一般可以按照下列公式計算：

　　上式也可以簡化為：

　　其中為感性負載的實際功率，為補償前的功率因數(shù)，為補償后的功率因數(shù)。為補償前負荷的自然功率因數(shù)，為補償后的自然功率因數(shù)。這些數(shù)值的大小可以根據(jù)需要補償?shù)谋谜緟��?shù)得到，有些可以從電工手冊上查表得到。以裝機容量為2000kW的一個中小型泵站為例，若該站裝設有2臺變壓器，單臺容量1500kVA，假設補償前功率因數(shù)為0.75，補償后按電力部門規(guī)定的0.9計算，需要電容器補償容量Q為

　　因此每臺變壓器的補償容量為397.6kvar。此時可以選擇3塊BJ(F)型電容補償盤，其中主盤1塊，輔盤2塊。

　�。�4）變壓器消耗無功的計算

　　其中，，為變壓器無功總損耗，為變壓器鐵損中的無功損耗，為變壓器銅損中的無功損耗，為變壓器空載電流的百分數(shù)，為變壓器額定容量，為變壓器負荷電流，A，X為變壓器的等值電抗。變壓器鐵損中的無功損耗與負荷電流大小無關，且一經帶上電壓即產生固定損耗無功損耗；變壓器銅損中的無功損耗隨負荷電流的大小變化而變化，且與負荷電流的平方成正比。

　　3. 電容補償裝置的配置

　�。�1）固定容量補償器

　　固定容量電容器的容量為變壓器所需補償?shù)臒o功與負荷的總和。變壓器消耗的無功中有一部分是與負荷電流的平方成比例的，而負荷所需的補償容量更是與負荷的大小直接相關，即達到規(guī)定的功率因數(shù)所需的補償容量是一個隨負荷變化的量，而實際的補償容量卻是一個固定的量，不能調節(jié)．這樣在負荷變化較大，選擇在低值補償時，由于無功補償量不足，在重負荷時為欠補償狀態(tài)，影響電壓質量。電壓降增大，線路損耗增加，效果不明顯。選擇在高值補償時，則在輕負荷時會出現(xiàn)過補償、無功倒送等問題。

　�。�2）可自動調節(jié)容量電容器

　　可自動調節(jié)的電容器補償裝置以電力系統(tǒng)無功功率平衡為目標。在高峰、平峰、低谷不同時段．采取了高峰時段投入備用無功量，無備用無功量時降低主變壓器電壓，減少負荷的無功需求；低谷時段退出全部無功補償量仍處于過補償狀態(tài)時，提高主變壓器電壓，增加負荷的無功需求，促進系統(tǒng)的無功平衡。同時也使電源線路無功功率潮流減到最小值，取得最佳降損效果。常用的無功自動調節(jié)裝置從原理上分為分組自動投切的無功補償裝置和調節(jié)電容器端電壓的自動無功補償裝置兩類。

　　4. 電容補償?shù)淖⒁馐马?/strong>