周逸波

（長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司上海分公司,上海 200439）

0 引言

由于近年來(lái)城市化進(jìn)程加速和極端天氣頻發(fā),我國(guó)城市暴雨洪澇災(zāi)害問(wèn)題越來(lái)越突出。為保障人民的生命財(cái)產(chǎn)安全、維護(hù)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展,各地均興建排澇泵站來(lái)提高城市防洪排澇能力。異步電動(dòng)機(jī)因其維護(hù)便利性和高可靠性而在排澇泵站中得到廣泛應(yīng)用。由于異步電動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)需要消耗一定的無(wú)功功率,因此需要設(shè)置就地?zé)o功補(bǔ)償裝置,以滿足供電部門對(duì)功率因數(shù)的考核,并起到提高供電質(zhì)量、節(jié)約電能、減少用戶運(yùn)行費(fèi)用的作用[1-2]。

宣城市朱候排澇泵站設(shè)3 臺(tái)立式軸流泵,每臺(tái)水泵配套異步電動(dòng)機(jī),額定功率為250 kW,額定電壓為380 V,額定電流為567 A,額定效率為91.7%,額定功率因數(shù)為0.73。3 臺(tái)水泵電機(jī)由1 臺(tái)容量為1600 kVA 的主變壓器供電,主變壓器0.4 kV 母線上設(shè)置了2 套無(wú)功補(bǔ)償裝置,每套補(bǔ)償容量為270 kvar,合計(jì)補(bǔ)償容量為540 kvar。

根據(jù)當(dāng)?shù)厮块T反映,當(dāng)3 臺(tái)泵組全部投入運(yùn)行,無(wú)功補(bǔ)償全部投入后,功率因數(shù)可補(bǔ)償?shù)?.85 左右,達(dá)不到供電公司要求的0.9,因而被供電公司罰款。筆者受邀前往該泵站排查問(wèn)題原因并提出解決措施。

1 無(wú)功補(bǔ)償容量計(jì)算分析

異步電動(dòng)機(jī)的無(wú)功補(bǔ)償容量計(jì)算公式如下：

式中：Q 為無(wú)功補(bǔ)償容量,kvar；P 為電動(dòng)機(jī)輸出功率,kW；η為電動(dòng)機(jī)效率；tan?1為補(bǔ)償前功率因數(shù)的正切值；tan?2為補(bǔ)償后功率因數(shù)的正切值,該值一般按cos?2不小于0.9 值。

取目標(biāo)功率因數(shù)為0.9 時(shí),利用式（1）對(duì)電機(jī)額定工況時(shí)需要的無(wú)功補(bǔ)償容量進(jìn)行計(jì)算,并考慮變壓器無(wú)功損耗約為40 kvar,得Q =3×250÷0.917×（0.936-0.484）+40=409.7 kvar。泵站實(shí)際配置的無(wú)功補(bǔ)償容量為540 kvar,大于409.7 kvar,理論上已能滿足需求,故對(duì)問(wèn)題產(chǎn)生原因進(jìn)行分析。

2 問(wèn)題原因分析

2.1 電容器安裝容量與輸出容量的區(qū)別

式（1）中的計(jì)算結(jié)果Q 為泵站實(shí)際需要的無(wú)功補(bǔ)償容量,即應(yīng)為電容器裝置的實(shí)際輸出容量。由于電容器裝置的額定電壓、串聯(lián)電抗器等因素的影響,電器容裝置的安裝容量和輸出容量是有區(qū)別的。

根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第四版）表1.11.5.2中公式：

式中：Qc為并聯(lián)電容器裝置的實(shí)際輸出容量,kvar：QN為并聯(lián)電容器裝置的安裝容量,kvar：Uc為并聯(lián)電容器裝置的平均運(yùn)行電壓,取0.4 kV；UN為并聯(lián)電容器裝置的額定電壓,現(xiàn)場(chǎng)配置電容器裝置的額定電壓為0.45 kV。

為串聯(lián)電抗器的電抗率,現(xiàn)場(chǎng)配置串聯(lián)電抗器的電抗率為7%。

利用式（2）計(jì)算得Qc=0.735 QN,可知電容器的安裝容量小于輸出容量,為0.735 倍,有著不小的差距。代入本工程參數(shù),泵站配置的電容器安裝容量為540 kvar,則電容器實(shí)際輸出容量?jī)H為397 kvar,小于409.7 kvar,不滿足要求。

在實(shí)際工程中,如設(shè)計(jì)單位不作特別說(shuō)明,則電容器廠家一般按照安裝容量來(lái)配置電容器,造成電容器實(shí)際輸出容量不滿足系統(tǒng)所需容量,這個(gè)問(wèn)題常被設(shè)計(jì)單位、電容器廠家所忽略。

2.2 水泵電機(jī)處于低負(fù)載率工況運(yùn)行

筆者對(duì)水泵電機(jī)回路的電氣參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量,讀數(shù)見(jiàn)表1。

表1 水泵電機(jī)回路電氣參數(shù)讀數(shù)

由表1 可知,此時(shí)水泵電機(jī)輸出功率為143 kW,功率因數(shù)為0.478。電機(jī)負(fù)載率β=143÷250=57.2%。可見(jiàn)水泵電機(jī)此時(shí)處于低負(fù)載率工況運(yùn)行。由于在相同的目標(biāo)功率因數(shù)下,異步電動(dòng)機(jī)在負(fù)載率較低的工況運(yùn)行時(shí)需要的無(wú)功補(bǔ)償容量比額定工況運(yùn)行時(shí)大,因此需要對(duì)電機(jī)此時(shí)工況下需要的無(wú)功補(bǔ)償容量進(jìn)行計(jì)算。

取目標(biāo)功率因數(shù)為0.9 時(shí),利用式（1）對(duì)電機(jī)此時(shí)工況需要的無(wú)功補(bǔ)償容量進(jìn)行計(jì)算,忽略電機(jī)效率的變化,并考慮變壓器無(wú)功損耗約為40 kvar,得Qc=3×143÷0.917×（1.838-0.484）+40=673.4 kvar。泵站無(wú)功補(bǔ)償裝置實(shí)際輸出容量?jī)H為397 kvar,小于673.4 kvar,不滿足要求。

2.3 水泵電機(jī)性能不佳

圖1為水泵電機(jī)廠家提供的本工程水泵電機(jī)性能曲線圖。由圖1 點(diǎn)可知,當(dāng)水泵電機(jī)輸出功率運(yùn)行在143 kW 時(shí),電機(jī)功率因數(shù)應(yīng)達(dá)到0.58 左右。由表1 可知,當(dāng)水泵電機(jī)輸出功率運(yùn)行在143 kW 時(shí),電機(jī)實(shí)際功率因數(shù)僅為0.48,達(dá)不到水泵電機(jī)廠家承諾標(biāo)準(zhǔn),且存在著不小的差距,從而可以判定本工程水泵電機(jī)性能不佳。

圖1 水泵電機(jī)性能曲線圖

3 問(wèn)題處理方法

根據(jù)2.2 節(jié)計(jì)算結(jié)果可知,水泵電機(jī)此時(shí)工況下需要的無(wú)功補(bǔ)償輸出容量為673.4 kvar,利用式（2）將輸出容量QC轉(zhuǎn)換為安裝容量QN,得,考慮一定裕量,取960 kvar。

由于本工程已配置的無(wú)功補(bǔ)償裝置容量為540 kvar,因此需要增補(bǔ)的無(wú)功補(bǔ)償裝置容量為420 kvar。由于需要增補(bǔ)的無(wú)功補(bǔ)償裝置容量較大,無(wú)法直接在變電所原有的2 臺(tái)無(wú)功補(bǔ)償柜中增加電容器,且變電所內(nèi)土建位置緊張,無(wú)法增設(shè)無(wú)功補(bǔ)償柜。因此,在3 臺(tái)水泵電機(jī)現(xiàn)地控制柜旁分別增加1 臺(tái)低壓就地?zé)o功補(bǔ)償柜,每臺(tái)柜內(nèi)配置的無(wú)功補(bǔ)償容量為140 kvar,合計(jì)420 kvar。

在得出解決方案之后,當(dāng)?shù)厮块T立即著手在該泵站增補(bǔ)了3 臺(tái)低壓就地?zé)o功補(bǔ)償柜,合計(jì)無(wú)功補(bǔ)償容量為420 kvar。改造完成后,該泵站的功率因數(shù)始終大于0.9,功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)的問(wèn)題得到了解決。

4 排澇泵站無(wú)功補(bǔ)償容量計(jì)算建議

由于排澇泵站的運(yùn)行揚(yáng)程較低,揚(yáng)程變化范圍較大,因此,排澇泵站水泵電機(jī)具有較寬的運(yùn)行負(fù)載率區(qū)間,電動(dòng)機(jī)低負(fù)載率工況運(yùn)行經(jīng)常出現(xiàn)[2-3]。另外,由于項(xiàng)目進(jìn)度等原因,設(shè)計(jì)單位在設(shè)計(jì)過(guò)程中,往往難以獲得水泵電機(jī)的性能曲線圖,無(wú)法對(duì)于水泵電機(jī)各負(fù)載率工況下所需要的無(wú)功補(bǔ)償容量進(jìn)行分別計(jì)算。再者,如果出現(xiàn)本工程中水泵電機(jī)性能達(dá)不到電機(jī)性能曲線圖標(biāo)準(zhǔn)的情況,則會(huì)對(duì)無(wú)功補(bǔ)償容量計(jì)算造成進(jìn)一步的干擾。

根據(jù)以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn),建議設(shè)計(jì)單位在進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償容量計(jì)算時(shí),可以采用水泵電機(jī)額定工況下的參數(shù),但應(yīng)留有充分的裕量,一般按照目標(biāo)功率因數(shù)為0.95 時(shí)進(jìn)行計(jì)算。在得到計(jì)算結(jié)果后,要注意將無(wú)功補(bǔ)償輸出容量換算為安裝容量,避免引起混淆。由于低壓電容器可由功率因數(shù)控制器進(jìn)行動(dòng)態(tài)分組投切,因此無(wú)功補(bǔ)償容量即使留有充分的裕量也不會(huì)造成過(guò)補(bǔ)償問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

無(wú)功補(bǔ)償容量計(jì)算是排澇泵站電氣設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，關(guān)系到泵站電氣系統(tǒng)功率因數(shù)是否滿足供電部門的考核標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際工作中,由于排澇泵站水泵電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率變化較大、電容器安裝容量與輸出容量存在換算關(guān)系等原因,若設(shè)計(jì)單位在計(jì)算時(shí)不加以考慮,容易導(dǎo)致排澇泵站實(shí)際配置的無(wú)功補(bǔ)償容量不滿足要求。

本文以宣城市朱候排澇泵站出現(xiàn)功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)的問(wèn)題為例,分析了問(wèn)題產(chǎn)生的原因,提出了解決問(wèn)題的方法以及對(duì)排澇泵站無(wú)功補(bǔ)償容量計(jì)算的建議,可為類似工程的設(shè)計(jì)以及出現(xiàn)問(wèn)題后的排查整改提供有效的參考借鑒。

下一步可統(tǒng)計(jì)分析排澇泵站運(yùn)行揚(yáng)程與水泵電機(jī)負(fù)載率之間的關(guān)系,得到與實(shí)際值更加接近的無(wú)功補(bǔ)償計(jì)算方法,從而降低計(jì)算誤差。