淺談徐州市袁橋東站泵站無功補償?shù)母脑?/h1>
2017-04-17 11:54:35馬清坡張永武馬衣峰
治淮 2017年2期 關(guān)鍵詞：設(shè)備
馬清坡 張永武 馬衣峰
淺談徐州市袁橋東站泵站無功補償?shù)母脑?/p>
馬清坡 張永武 馬衣峰
一、概述
在電力系統(tǒng)中，隨著變壓器和交流電動機等電感性負(fù)載的廣泛使用，電力系統(tǒng)的供配電設(shè)備中經(jīng)常流動著大量的感性無功電流。這些無功電流占用大量的供配電設(shè)備容量，同時增加了線路輸送電流，因而增加了饋電線路損耗，使電力設(shè)備得不到充分利用。作為解決問題的辦法之一，就是采用無功功率補償裝置，使無功功率就地得到補償，盡量減少或不占用供配電設(shè)備容量，提高設(shè)備的利用效率。最常見的辦法就是采用電容器組提供電容性電流對電感性電流給予補償，以提高功率因數(shù)。在高壓系統(tǒng)中，目前使用比較多的補償還是傳統(tǒng)的固定式電容補償裝置，集中的自動補償裝置使用還很不普遍。由于傳統(tǒng)的補償方式存在安全性能差、補償精度低和勞動強度大等問題，普遍希望有一種更加安全可靠、補償精度和自動化水平更高的補償裝置供設(shè)計選用。
二、基本情況
袁橋泵站東站（以下簡稱袁橋東站）于2000年建成，總設(shè)計流量為20m3/s,總裝機容量為2400kW。共安裝6臺水泵機組，水泵為1000HD-9的混流泵，設(shè)計流量為3.33m3/s，揚程7.5m。配套電機型號為YLB560-12，功率為400kW，功率因數(shù)為0.719，額定電壓為10kV，額定電流為34.5A，絕緣等級為F。袁橋東站位于奎河和故黃河之間，其作用為當(dāng)市區(qū)降暴雨時，奎河自排能力不足或袁橋西站開機強排作用仍不明顯時，開機運行，將奎河水通過出水箱涵排至故黃河中。
由于袁橋東站的設(shè)計過程中主要考慮了在防汛抗旱中的強排作用，在強排過程中要求6臺機組同時開啟，在最短的時間內(nèi)降低奎河水位，以確保市區(qū)內(nèi)不出現(xiàn)積水現(xiàn)象，所以袁橋東站的電容補償方式為母線集中補償?shù)姆绞健Ｈ欢S著近年來公眾對市區(qū)水環(huán)境的要求不斷提高，又承擔(dān)了為故黃河補水，以改善故黃河水質(zhì)的任務(wù)。在補水的過程中，一般流量很?。s在3～5m3/s），所以袁橋東站只能是1～2臺機組交替間歇運行。由于采用了集中補償，所以電容在補水的過程中無法投入運行，導(dǎo)致功率因數(shù)達(dá)不到供電部門的要求，增加了運行的費用。
三、解決方案選擇
要想解決上述問題，得到理想的補償效果，首先要確定合理的補償實施方案、準(zhǔn)確計算需要補償?shù)娜萘?。目前常見的補償方法有傳統(tǒng)的固定式電容器組人工插拔熔斷器控制補償容量法、單臺設(shè)備隨機就地電容補償法和集中電容器自動補償法。其中傳統(tǒng)補償方法簡單，但補償精度低，勞動強度大，危險性大，受人為因素影響太多。故不能選擇。
單臺設(shè)備就地補償法就是針對單臺設(shè)備在當(dāng)?shù)剡M行補償，其優(yōu)點是從設(shè)備需求點補償，深入到需求補償?shù)谝晃恢?，補償范圍大。其缺點是確定補償容量困難。既不能過補償，又必須保證電路不得發(fā)生LC諧振和避免發(fā)生自激現(xiàn)象。因在計算無功電流時，無功電流主要成分是由電機勵磁電流I0，滿負(fù)荷運行時的無功電流增量ID1、欠載運行時的無功電流增量ID2等組成的。因為隨著電動機運行狀態(tài)的變化，上述各參數(shù)都在不停地變化，動態(tài)變量變化因素太多，很難確定準(zhǔn)確的無功補償需求量。不同的生產(chǎn)設(shè)備在選配電動機時的啟動容量裕度各不相同，所以，在設(shè)備運行中其電動機的飽和程度各不相同，其欠載運行的無功電流增量ID2各不相同；其次，電動機的實際工作狀態(tài)隨時變化，如水泵電機隨著進水水位、出水水位的變化電動機負(fù)載率隨時都在變化，無法確定準(zhǔn)確的工況。而單臺設(shè)備就地補償法在補償容量確定后，是以固定不變的補償容量，去平衡隨時浮動變化的動態(tài)工況，就很難得到滿意的高精度補償效果。此外，在單臺補償?shù)碾娙萜餮b置中，補償電容器是與主機一對一固定配套安裝的，隨著主機的運行而補償電容器同時投入運行，當(dāng)主機停止運行時補償電容也一齊被切除，各機組之間的電容器相互獨立不能互補，電容器得不到充分利用，增加了設(shè)備投資。由于補償電容器隨著主機的運行而一齊投入運行，則主機的啟動電流與電容器合閘涌流是同時處于最大值，兩個電流最大值相加增大沖擊電流效應(yīng)。
采用成組設(shè)備集中自動補償法，則補償容量可根據(jù)當(dāng)時整體運行工況需要，自動投入所需容量，可以達(dá)到比較高的補償精度。隨著補償設(shè)備的步長越短則補償精度越高，如果步長為無級變化則功率因數(shù)從理論上講可以精確到1，這將為高精度準(zhǔn)確補償打下基礎(chǔ)。而且不論任何一臺電機工作時，補償電容器均可根據(jù)線路總體需要投入運行，使每組補償電容器得到充分利用。是可以有效采用的解決方案。
四、集中自動補償?shù)脑?/h2>
自動補償分為兩種形式：（1）靜態(tài)自動補償裝置。此裝置有自動補償控制器、交流接觸器、電流互感器、空氣開關(guān)以及電容器組成。能夠隨著用戶功率因數(shù)的高低自動跟蹤補償，缺點是投切電容時會產(chǎn)生涌流，這就對斷路器等設(shè)備要求較高。但此裝置結(jié)構(gòu)簡單、價格低，因此經(jīng)常被采用。（2）晶閘管無功動態(tài)自動補償裝置。此設(shè)備是采用無觸點大功率可控硅，由微電腦的綜合測試裝置實時檢查電力系統(tǒng)的無功功率和功率因數(shù)，控制并聯(lián)電容器電流過零投入、等電位切除的裝置。并很好的解決了傳統(tǒng)產(chǎn)品機械觸點投切電容器燒毀主觸頭的不足，能夠有效地實現(xiàn)快速準(zhǔn)確的跟蹤補償無功功率，無電流沖擊，無操作過電壓以及測量、控制的智能化、遠(yuǎn)程化。此裝置運行可靠、安全、故障少，但是價格高。
根據(jù)袁橋東站的實際運行情況和現(xiàn)有設(shè)備的狀況，經(jīng)綜合考慮決定采用靜態(tài)自動補償?shù)姆桨?。靜態(tài)自動補償原理如圖1。
圖1 電容自動補償原理圖
自動補償控制器取10kV母線電壓信號和電流信號無功電容補償?shù)哪M輸入信號，并計算無功需求量、功率因數(shù)。通過控制器的邏輯判斷、程序運算來確定電壓的調(diào)整并通過控制回路來控制電容器組的投切，確保電壓和功率因數(shù)在設(shè)定范圍之內(nèi)，實現(xiàn)就地?zé)o功平衡和母線電壓穩(wěn)定。為這種靜態(tài)補償?shù)姆绞椒乐挂蚝祥l涌流和操作過電壓造成對電容器、斷路器以及對電網(wǎng)的損害，通過在電容器回路串聯(lián)電抗器、并聯(lián)放電線圈來抑制合閘涌流，防止產(chǎn)生操作過電壓。
根據(jù)計算袁橋東站的無功補償需要1050kVAr，所以采用等容量分為五組，每組200kVAr,均采用為星形接線，真空斷路器五臺，并與對應(yīng)的操作機構(gòu)一體式安裝。安裝自動補償控制器一套如圖2，用于檢測無功運行狀況并實現(xiàn)對電容器組投切的自動控制。
圖2 電容自動補償二次側(cè)展開圖
此電路可以手動、自動控制，圖中QF為上一級斷路器的輔助接點，成為控制電源的閉鎖，1CT—5CT,1CQ—5CQ為控制器內(nèi)部信號，1S1—5S1為行程開關(guān)觸點，防止電容器帶電檢修。自動投入、切除過程：轉(zhuǎn)換開關(guān)打到自動擋，轉(zhuǎn)換開關(guān)觸點3、4接通。當(dāng)控制器檢測到無功功率、功率因數(shù)等達(dá)到或超過整定的值后，發(fā)出信號閉合1CT，通過KC6的動斷觸點使KC1線圈帶電，KC1動合觸點閉合，接通KM1線圈，使真空斷路器1合閘，投入第一組電容。若此時控制器檢測到功率因數(shù)還未達(dá)到要求，繼續(xù)閉合2CT，投入第二組電容，直至功率因數(shù)達(dá)到要求為止。當(dāng)功率因數(shù)超前時，控制器閉合1CQ接通KC6，使1CT—KC6—KC1回路中的KC6的動斷觸點斷開，KS1失電使KM1跳閘，切除電容。以此類推，直至功率因數(shù)達(dá)到要求為止。手動操作過程：轉(zhuǎn)換開關(guān)觸點5、6接通，按下SB1開關(guān)，KS1線圈得電KS1觸點閉合，接通KM1，投入第一組電容器，以此類推按SB2投入第二組電容器。切除時按SB6切除第一組，同樣SB7切除第二組。
五、結(jié)論
綜上所述，袁橋東站經(jīng)過改造，克服了母線集中補償?shù)木窒扌?，有效地降低了小流量運行時的運行成本，取得了較好的效果。目前廣泛使用的補償方式，大多數(shù)都是有級補償，為了達(dá)到更精確補償效果，最理想的補償方式是實現(xiàn)微機調(diào)控的無級自動補償方式，可以根據(jù)需要使補償后的功率因數(shù)達(dá)到最理想的精度，但是由于其技術(shù)含量高，投資費用也相對高，要求較高的管理維護水平■
（作者單位：徐州市水利局221018沛縣水建總公司221700豐縣水利局221600）
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二、基本情況
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由于袁橋東站的設(shè)計過程中主要考慮了在防汛抗旱中的強排作用，在強排過程中要求6臺機組同時開啟，在最短的時間內(nèi)降低奎河水位，以確保市區(qū)內(nèi)不出現(xiàn)積水現(xiàn)象，所以袁橋東站的電容補償方式為母線集中補償?shù)姆绞健Ｈ欢S著近年來公眾對市區(qū)水環(huán)境的要求不斷提高，又承擔(dān)了為故黃河補水，以改善故黃河水質(zhì)的任務(wù)。在補水的過程中，一般流量很?。s在3～5m3/s），所以袁橋東站只能是1～2臺機組交替間歇運行。由于采用了集中補償，所以電容在補水的過程中無法投入運行，導(dǎo)致功率因數(shù)達(dá)不到供電部門的要求，增加了運行的費用。
三、解決方案選擇
要想解決上述問題，得到理想的補償效果，首先要確定合理的補償實施方案、準(zhǔn)確計算需要補償?shù)娜萘?。目前常見的補償方法有傳統(tǒng)的固定式電容器組人工插拔熔斷器控制補償容量法、單臺設(shè)備隨機就地電容補償法和集中電容器自動補償法。其中傳統(tǒng)補償方法簡單，但補償精度低，勞動強度大，危險性大，受人為因素影響太多。故不能選擇。
單臺設(shè)備就地補償法就是針對單臺設(shè)備在當(dāng)?shù)剡M行補償，其優(yōu)點是從設(shè)備需求點補償，深入到需求補償?shù)谝晃恢?，補償范圍大。其缺點是確定補償容量困難。既不能過補償，又必須保證電路不得發(fā)生LC諧振和避免發(fā)生自激現(xiàn)象。因在計算無功電流時，無功電流主要成分是由電機勵磁電流I0，滿負(fù)荷運行時的無功電流增量ID1、欠載運行時的無功電流增量ID2等組成的。因為隨著電動機運行狀態(tài)的變化，上述各參數(shù)都在不停地變化，動態(tài)變量變化因素太多，很難確定準(zhǔn)確的無功補償需求量。不同的生產(chǎn)設(shè)備在選配電動機時的啟動容量裕度各不相同，所以，在設(shè)備運行中其電動機的飽和程度各不相同，其欠載運行的無功電流增量ID2各不相同；其次，電動機的實際工作狀態(tài)隨時變化，如水泵電機隨著進水水位、出水水位的變化電動機負(fù)載率隨時都在變化，無法確定準(zhǔn)確的工況。而單臺設(shè)備就地補償法在補償容量確定后，是以固定不變的補償容量，去平衡隨時浮動變化的動態(tài)工況，就很難得到滿意的高精度補償效果。此外，在單臺補償?shù)碾娙萜餮b置中，補償電容器是與主機一對一固定配套安裝的，隨著主機的運行而補償電容器同時投入運行，當(dāng)主機停止運行時補償電容也一齊被切除，各機組之間的電容器相互獨立不能互補，電容器得不到充分利用，增加了設(shè)備投資。由于補償電容器隨著主機的運行而一齊投入運行，則主機的啟動電流與電容器合閘涌流是同時處于最大值，兩個電流最大值相加增大沖擊電流效應(yīng)。
采用成組設(shè)備集中自動補償法，則補償容量可根據(jù)當(dāng)時整體運行工況需要，自動投入所需容量，可以達(dá)到比較高的補償精度。隨著補償設(shè)備的步長越短則補償精度越高，如果步長為無級變化則功率因數(shù)從理論上講可以精確到1，這將為高精度準(zhǔn)確補償打下基礎(chǔ)。而且不論任何一臺電機工作時，補償電容器均可根據(jù)線路總體需要投入運行，使每組補償電容器得到充分利用。是可以有效采用的解決方案。
四、集中自動補償?shù)脑?/h2>
自動補償分為兩種形式：（1）靜態(tài)自動補償裝置。此裝置有自動補償控制器、交流接觸器、電流互感器、空氣開關(guān)以及電容器組成。能夠隨著用戶功率因數(shù)的高低自動跟蹤補償，缺點是投切電容時會產(chǎn)生涌流，這就對斷路器等設(shè)備要求較高。但此裝置結(jié)構(gòu)簡單、價格低，因此經(jīng)常被采用。（2）晶閘管無功動態(tài)自動補償裝置。此設(shè)備是采用無觸點大功率可控硅，由微電腦的綜合測試裝置實時檢查電力系統(tǒng)的無功功率和功率因數(shù)，控制并聯(lián)電容器電流過零投入、等電位切除的裝置。并很好的解決了傳統(tǒng)產(chǎn)品機械觸點投切電容器燒毀主觸頭的不足，能夠有效地實現(xiàn)快速準(zhǔn)確的跟蹤補償無功功率，無電流沖擊，無操作過電壓以及測量、控制的智能化、遠(yuǎn)程化。此裝置運行可靠、安全、故障少，但是價格高。
根據(jù)袁橋東站的實際運行情況和現(xiàn)有設(shè)備的狀況，經(jīng)綜合考慮決定采用靜態(tài)自動補償?shù)姆桨?。靜態(tài)自動補償原理如圖1。
圖1 電容自動補償原理圖
自動補償控制器取10kV母線電壓信號和電流信號無功電容補償?shù)哪M輸入信號，并計算無功需求量、功率因數(shù)。通過控制器的邏輯判斷、程序運算來確定電壓的調(diào)整并通過控制回路來控制電容器組的投切，確保電壓和功率因數(shù)在設(shè)定范圍之內(nèi)，實現(xiàn)就地?zé)o功平衡和母線電壓穩(wěn)定。為這種靜態(tài)補償?shù)姆绞椒乐挂蚝祥l涌流和操作過電壓造成對電容器、斷路器以及對電網(wǎng)的損害，通過在電容器回路串聯(lián)電抗器、并聯(lián)放電線圈來抑制合閘涌流，防止產(chǎn)生操作過電壓。
根據(jù)計算袁橋東站的無功補償需要1050kVAr，所以采用等容量分為五組，每組200kVAr,均采用為星形接線，真空斷路器五臺，并與對應(yīng)的操作機構(gòu)一體式安裝。安裝自動補償控制器一套如圖2，用于檢測無功運行狀況并實現(xiàn)對電容器組投切的自動控制。
圖2 電容自動補償二次側(cè)展開圖
此電路可以手動、自動控制，圖中QF為上一級斷路器的輔助接點，成為控制電源的閉鎖，1CT—5CT,1CQ—5CQ為控制器內(nèi)部信號，1S1—5S1為行程開關(guān)觸點，防止電容器帶電檢修。自動投入、切除過程：轉(zhuǎn)換開關(guān)打到自動擋，轉(zhuǎn)換開關(guān)觸點3、4接通。當(dāng)控制器檢測到無功功率、功率因數(shù)等達(dá)到或超過整定的值后，發(fā)出信號閉合1CT，通過KC6的動斷觸點使KC1線圈帶電，KC1動合觸點閉合，接通KM1線圈，使真空斷路器1合閘，投入第一組電容。若此時控制器檢測到功率因數(shù)還未達(dá)到要求，繼續(xù)閉合2CT，投入第二組電容，直至功率因數(shù)達(dá)到要求為止。當(dāng)功率因數(shù)超前時，控制器閉合1CQ接通KC6，使1CT—KC6—KC1回路中的KC6的動斷觸點斷開，KS1失電使KM1跳閘，切除電容。以此類推，直至功率因數(shù)達(dá)到要求為止。手動操作過程：轉(zhuǎn)換開關(guān)觸點5、6接通，按下SB1開關(guān)，KS1線圈得電KS1觸點閉合，接通KM1，投入第一組電容器，以此類推按SB2投入第二組電容器。切除時按SB6切除第一組，同樣SB7切除第二組。
五、結(jié)論
綜上所述，袁橋東站經(jīng)過改造，克服了母線集中補償?shù)木窒扌?，有效地降低了小流量運行時的運行成本，取得了較好的效果。目前廣泛使用的補償方式，大多數(shù)都是有級補償，為了達(dá)到更精確補償效果，最理想的補償方式是實現(xiàn)微機調(diào)控的無級自動補償方式，可以根據(jù)需要使補償后的功率因數(shù)達(dá)到最理想的精度，但是由于其技術(shù)含量高，投資費用也相對高，要求較高的管理維護水平■
（作者單位：徐州市水利局221018沛縣水建總公司221700豐縣水利局221600）
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