劉為迅

（中交天津港灣工程設(shè)計(jì)院有限公司，山東 青島 266071）

1 基本情況

該碼頭主要為煤炭裝卸碼頭，主要用電設(shè)備為皮帶機(jī)及輔助生產(chǎn)設(shè)施，其變電所供電系統(tǒng)原設(shè)計(jì)情況如下：高壓側(cè)設(shè)置了兩段10kV 母線，運(yùn)行方式為單母線分段運(yùn)行，互為備用。高壓主要用電設(shè)備為8 臺(tái)皮帶輸送機(jī)，總負(fù)荷3430kW，每段負(fù)荷1715kW，單段補(bǔ)償300kVar；低壓負(fù)荷主要為輔助電機(jī)類，計(jì)算負(fù)荷418kW，變壓器容量630kVA,低壓無功補(bǔ)償175kVar。

2 問題情況

碼頭試運(yùn)行一個(gè)月以來，整個(gè)電氣系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，但發(fā)現(xiàn)變電所10kV 段電能計(jì)量功率因數(shù)低，無功功率負(fù)荷較大。試運(yùn)行期間內(nèi)，10kV a 段母線有功電量為111417kW·h，無功電量為98654kVarh，功率因數(shù)僅為0.75，處罰7.5%；10kV b 段母線有功電量為183135kW·h，無功電量為249635kVarh，功率因數(shù)僅為0.59。處罰27%。

3 原因分析

3.1 對原設(shè)計(jì)參數(shù)分析[1-2]

根據(jù)各個(gè)設(shè)備銘牌參數(shù)，采用需要系數(shù)法進(jìn)行有功、無功功率核算，核算情況見表1。

表1 無功補(bǔ)償核算表

由表1核算可知，若設(shè)備均正常運(yùn)行，理論上10kV電源進(jìn)線處功率因數(shù)應(yīng)不低于0.93，完全滿足要求。

3.2 對供配電系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場檢測

1）檢查就地電能表顯示的有功電量、無功電量值，與供電電源處10kV 綜保裝置統(tǒng)計(jì)值比對，數(shù)據(jù)吻合；現(xiàn)場實(shí)測電能表的電壓電流相角差無誤。

2）檢查10kV a、b 段所帶無功補(bǔ)償裝置，發(fā)現(xiàn)a、b 段補(bǔ)償裝置手動(dòng)自動(dòng)、手動(dòng)方式下均運(yùn)行正常。

3）檢測低壓段無功補(bǔ)償，發(fā)現(xiàn)低壓無功補(bǔ)償裝置運(yùn)行正常，補(bǔ)償后功率因數(shù)為0.93。

由現(xiàn)場檢測推斷，供配電系統(tǒng)本身無問題，原因可能在于用電設(shè)備本身。

3.3 對變電所10kV 高壓側(cè)用電設(shè)備進(jìn)行檢測

空載啟動(dòng)各皮帶機(jī)進(jìn)行檢測，首先檢測功率因數(shù)更低的b 段母線：僅#2 和#3 皮帶電機(jī)開啟空載運(yùn)行時(shí)（此時(shí)b 段無其他負(fù)荷）。觀察無功補(bǔ)償裝置投入前后電能表記錄的無功功率變化，補(bǔ)償前二次有功功率0.014kW、無功功率0.026kvar、功率因數(shù)0.48，補(bǔ)償后二次有功功率0.014 kW、無功功率0.007kvar、功率因數(shù)提高至0.89，即無功補(bǔ)償裝置補(bǔ)償值（300kvar）不足以將整段負(fù)荷的功率因數(shù)提高至0.9。當(dāng)b 段上的皮帶電機(jī)空載全開時(shí)，補(bǔ)償后無功功率降至0.56；以同樣的方式檢測a 段：全部空載后功率因數(shù)降至0.65。因此，皮帶電機(jī)空載運(yùn)行明顯惡化功率因數(shù)。

在碼頭試運(yùn)行時(shí)對皮帶機(jī)回路其進(jìn)行輕負(fù)載運(yùn)行（1000t/h）和額定負(fù)載（1500t/h）運(yùn)行檢測，測得的皮帶電機(jī)帶載運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如下。

表2 a 皮帶電機(jī)帶載運(yùn)行數(shù)據(jù)

表3 b 皮帶電機(jī)帶載運(yùn)行數(shù)據(jù)

3.4 結(jié)論

1）皮帶電機(jī)空載或低貨物荷載時(shí)，自身功率因數(shù)很低，無功補(bǔ)償后仍較低。

2）隨著皮帶機(jī)貨物荷載的提高，皮帶電機(jī)自身功率因數(shù)提高，補(bǔ)償后總功率因數(shù)提高。

3）隨著皮帶機(jī)貨物荷載的進(jìn)一步提高，直到接近額定荷載時(shí)，a 段10kV 母線無功補(bǔ)償容量足以將總功率因數(shù)改善至0.9 以上，但b 段10kV 母線無功功率補(bǔ)償仍有較大缺口。

4）在皮帶空載或輕載條件下，無功補(bǔ)償裝置容量嚴(yán)重不足；在皮帶負(fù)荷升高至一定水平時(shí)，情況有所改善。

5）皮帶電機(jī)1a 和1b、2a 和2b、3a 和3b、4a 和4b 的額定功率、額定電流、額定功率因數(shù)等參數(shù)完全一致，但兩者的制造廠家不同、空載電流、空載有功功率、空載無功功率、空載功率因數(shù)等差距很大。表明b 路皮帶電機(jī)制造工藝不良，漏磁通大，主磁路磁導(dǎo)小、建立主磁場所需的無功電流大，致無功消耗更多，同等條件下相比對應(yīng)的a 路皮帶電機(jī)無功消耗增大約50%。

4 對策及其分析[3]

4.1 方案分析

對策根據(jù)上述原因分析，為改善現(xiàn)有功率因數(shù)偏低的狀況，可考慮一下兩種方案：

第一種方案是提高裝卸效率，從而提高皮帶機(jī)的運(yùn)行荷載，減少皮帶機(jī)空載或輕載的運(yùn)行時(shí)間，從而改善現(xiàn)在功率因數(shù)偏低的情況。方法是提高門機(jī)操作人員的熟練程度，提高整個(gè)輸送系統(tǒng)的維護(hù)程度，根據(jù)氣象情況合理安排船舶靠泊時(shí)間。

第二種方案是從設(shè)備方面解決，根據(jù)現(xiàn)有運(yùn)行情況，最大補(bǔ)償容量按照各皮帶機(jī)空載運(yùn)行時(shí)所需無功補(bǔ)償容量，計(jì)算數(shù)據(jù)見表4。

表4 最大無功容量計(jì)算

注：補(bǔ)償度在0.95～1.0時(shí)，功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)獎(jiǎng)勵(lì)比率均為0.75%，同時(shí)為防止無功過補(bǔ)償（過補(bǔ)的功率同樣以絕對值的方式積分累計(jì)入電表無功電量，因此使用方要求，將無功補(bǔ)償目標(biāo)值調(diào)整為0.95。

根據(jù)上述計(jì)算和現(xiàn)有情況，補(bǔ)償方案如下：將原設(shè)置于b 段10kV 母線的無功補(bǔ)償裝置（300kVar）變更移至a 段10kV 母線，與原設(shè)置于a 段10kV 母線的無功補(bǔ)償裝置（300kvar）共同構(gòu)成a 段10kV母線的高壓無功補(bǔ)償容量，共計(jì)補(bǔ)償容量600kvar；b 段10kV 母線的所需無功補(bǔ)償容量為750kvar，因此考慮新增設(shè)容量為750kvar 無功補(bǔ)償裝置一套，采用300kVar+450kVar分兩組投切的方式。

4.2 效果分析

第一種方案經(jīng)濟(jì)效益最好，在提高了碼頭的裝卸運(yùn)輸效率同時(shí)又提高了功率因數(shù)，達(dá)到雙贏的局面，但是缺點(diǎn)是需要時(shí)間較長，在一段時(shí)間內(nèi)功率因數(shù)偏低的情況無法得到有效改善，而且易收到氣象、人員調(diào)度原因影響。

第二種方案所需時(shí)間短，雖然需要一次性投資購置相關(guān)設(shè)備，但是可通過后期電費(fèi)獎(jiǎng)勵(lì)來抵除投資費(fèi)用，其經(jīng)濟(jì)效益分析如下：經(jīng)咨詢相關(guān)設(shè)備廠家，設(shè)備購置費(fèi)用及安裝約為110 萬。設(shè)備安裝完畢之后，功率因數(shù)最高可提高至0.95，功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)月增減率為7.5%。以試運(yùn)行一月的數(shù)據(jù)為例，經(jīng)濟(jì)效益分析見表5。

表5

表5中電價(jià)為當(dāng)?shù)貎r(jià)格。根據(jù)當(dāng)?shù)仉姌I(yè)部門要求，電費(fèi)計(jì)算公式：電費(fèi)金額=基本電費(fèi)+電度電費(fèi)+功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)，功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)=（基本電費(fèi)+電度電費(fèi)）×功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)月增減率。

由表5可見，按第二種方案改造后，以試運(yùn)行階段的電量為參照，每月可節(jié)省電費(fèi)82476 元，14個(gè)月即可抵消改造費(fèi)用。因此，最終方案確定為立刻實(shí)施第二方案，同時(shí)逐步推進(jìn)第一方案。

5 結(jié)論

目前該碼頭10kV 供配電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償已改造完畢并投入使用，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，功率因數(shù)基本上保持在0.95 左右，完全滿足電業(yè)部門及使用方的需要。同時(shí)也可為同類工程提供了一個(gè)借鑒，即在電容補(bǔ)償相關(guān)計(jì)算的時(shí)候，不僅需要根據(jù)設(shè)備銘牌參數(shù)來進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)還用將設(shè)備將來的運(yùn)行情況一并考慮。

[1] 王前虹,韓志樹,趙建玉.兩種無功功率補(bǔ)償?shù)挠?jì)算方法[J].山東建材學(xué)院學(xué)報(bào),2000(1):74-75.

[2] 王鑫國.10kV 配電網(wǎng)無功功率平衡及優(yōu)化補(bǔ)償[J].農(nóng)村電氣化,2001(3) :24-25.

[3] 趙慧艷.無功功率補(bǔ)償技術(shù)及補(bǔ)償方案的確定[J].工礦自動(dòng)化,2005(6):95-96.