冯家岭泵站无功补偿及谐波治理预案分析

2014-03-16孙世勇臧炜颖

水利规划与设计 2014年4期

关键词：辽源干线泵站

孙世勇臧炜颖

（吉林省水利水电勘测设计研究院吉林长春 130021）

冯家岭泵站无功补偿及谐波治理预案分析

孙世勇臧炜颖

（吉林省水利水电勘测设计研究院吉林长春 130021）

简要阐述无功补偿及谐波治理的重要性和必要性，重点针对冯家岭泵站的无功补偿容量及谐波治理容量进行分析计算，提出治理预案，同时对设备选型提出建议。

无功补偿谐波治理预案

1 工程概述

吉林省中部城市引松供水工程位于吉林省中部，本工程的供水范围为长春市、四平市、辽源市及所属的九台市、德惠市、农安县、公主岭市、梨树县、伊通县、东辽县、长春双阳区等11个市、县、区的城区，以及供水线路附近可直接供水的26个镇作为供水对象。输水总干线采用自流输水，总干线末端为冯家岭分水枢纽调压井，该调压井同时为四平干线和辽源干线进水调压井。输水总干线全长109.702km，其中隧洞长97.622km，预制管道长9.815km，现浇预应力涵管长2.265km。

辽源干线与四平干线输水线路取水口位于总干线末端冯家岭分水枢纽。线路起点为总干线末端调压井，冯家岭调压井后在桩号0+224.421m处设辽源、四平综合加压泵站（冯家岭泵站）一座。

冯家岭泵站是辽源干线和四平干线共同的提水泵站，站内分四平干线功能区和辽源干线功能区，泵站通过管路从冯家岭分水枢纽引水，是输水工程中唯一的提水加压泵站。

1.1 泵站接入系统方式

由于本泵站是辽源干线的起点提水泵站，也是整条干线唯一泵站，其运行的安全可靠性直接影响整条输水线路的安全性、稳定性和可靠性。根据《供配电系统设计规范》（GB50052）第2.0.1条规定及《泵站设计规范》（GB/T50265）10.1章的规定，本泵站用电负荷等级为二级，采用站变合一的供用电管理方式。伊通220kV变电站设66kV专用出口，建66kV架空线路22.9公里，作为泵站专用供电线路，调度通讯采用光纤通讯。

1.2 电气主接线

泵站安装12台单级双吸离心式水泵机组，其中四平功能区8台、辽源功能区4台。正常情况下运行方式：当四平功能区的高扬程工况运行时大机（1600kW）3台工作，1台备用，小机（710kW）不投入运行；当四平功能区的低扬程工况运行时小机3台工作，1台备用，大机不投入运行。辽源功能区单机额定功率为2500kW（4台），3台工作1台备用。四平功能区和辽源功能区水泵电机存在同时运行的可能。

水泵电机机端母线采用单母线断路器分段接线方式，辽源4台（2500kW）机组联结于Ⅰ段6kV母线；四平4台高扬程（1600kW）机组联结于Ⅱ段6kV母线，四平4台低扬程（710kW）机组联结于Ⅲ段6kV母线。3段母线通过3台母线断路器连接，Ⅰ段母线和Ⅱ段母线分别与1台主变压器连接，主变压器容量为10000kVA，主变高压侧采用单母线接线方式，66kV专用供电线路进线间隔1回；站用系统主电源分别取自Ⅰ段和Ⅲ段6kV母线容量为1000kVA，互为明备用，站用电备用电源取自近区10kV电网。主接线简图见图1：

图1 主接线简图

2 无功补偿及谐波治理方案分析

无功补偿，在供电系统中起提高电网的功率因数的作用，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境。所以无功功率补偿装置在电力供电系统中处在一个不可缺少的非常重要的位置。合理的选择补偿装置，可以做到最大限度的减少网络的损耗，使电网质量提高。反之，如选择或使用不当，可能造成供电系统，电压波动，谐波增大等诸多因素。无功功率对供、用电产生一定的不良影响，主要表现在：

（1）降低发电机有功功率的输出。

（2）降低输、变电设备的供电能力。

（3）造成线路电压损失增大和电能损耗的增加。

（4）造成低功率因数运行和电压下降，使电气设备容量得不到充分发挥。

大量的故障示例和实测分析表明谐波对于控制、通信网络、继电保护、电能计量等二次系统及电容器、电机、变压器，开关设备等一次系统都可能造成影响和危害。一般而言，谐波电压总畸变率控制在国标范围内时，谐波对用电设备的影响已经显现但不会造成太大影响，较明显的影响或危害通常和谐波严重超标或出现谐波放大相关联。谐波对系统的影响，最明显的是补偿电容器在某些条件下与系统产生的谐振，在小谐波源的激发下导致谐波严重放大。谐波对损耗以及对电能计量的影响也是非常显见的。

所以冯家岭泵站进行无功补偿及谐波治理是十分必要的。

2.1 无功补偿及谐波治理设备安装位置分析2.1.1 无功补偿装置安装位置分析

冯家岭泵站12台水泵电机每台电机配置一台变频调速装置，机端电压6kV，该调速装置电网侧（主变器低压侧）采用18至48脉冲二极管整流器，电机侧采用带有IGBT功率模块的多电平逆变器（PWM），理论上输入功率因数＞0.95。所以主水泵电机不需要无功补偿。站用电负荷需要进行无功补偿。无功补偿装置可安装在站用电0.4kV母线上，也可安装在站用变高压侧6kV母线上。

2.1.2 谐波治理装置安装位置分析

从冯家岭泵站电气设备设置来看，主要谐波源为以下设备：变频调速装置、直流系统的逆变电源、节能灯具。显而易见这其中最主要的谐波源是变频调速装置。泵站谐波治理的目的主要有两个，一是泵站用电设备产生的谐波应达国标，避免对电网产生污染，供电管理部门则不会对泵站实施罚款，从而降低运行成本；二是泵站内部变配电系统谐波污染应低于国标，避免对泵站控制、通信网络、继电保护、电能计量等二次系统及电机、变压器、开关设备等一次系统造成影响和危害。所以谐波治理装置安装在6kV母线侧是合理的。

2.1.3 无功补偿及谐波治理设备最终位置确定

上述分析表明，无功补偿装置可安装在站用电0.4kV母线上，也可安装在站用变高压侧6kV母线上，谐波治理装置安装在6kV母线侧最为合理。从当前技术发展趋势看，一般都将无功补偿和谐波治理合二为一治理，故该装置安装在6kV母线侧是合理的。

2.2 无功补偿及谐波治理容量分析

2.2.1 无功补偿容量分析

由于冯家岭泵站主水泵电机不需无功补偿，只是站用系统需要无功补偿，但在设计阶段站用电各负荷功率因数不确切，根据相关工程经验暂按照站用变压器容量的30%进行无功补偿，补偿容量为333kvar。

站用变容量为1000kVA，共2台，分别连接在Ⅰ段和Ⅲ段6kV母线上。Ⅱ段母线与Ⅲ段母线由一台主变供电，但这两段母线不存在同时运行的工况，所以需要每段母线上设置333kvar无功补偿设备。Ⅰ段母线设置333kvar无功补偿装置。三段母线每段母线的补偿容量均为333kvar。

2.2.2 谐波治理装置容量分析

由于泵站变频器电网侧采用了18至48脉冲二极管整流器，电机侧采用带有IGBT功率模块的多电平逆变器（PWM），该技术谐波引起的电压畸变率小于4%，符合《电能质量公用电网谐波》（GB/T14549-93）中关于6kV系统谐波电压限值为4%的规定。根据多家企业实际应测量结果表明，采用IGBT变频调速装置时谐波电流的含量大约占额定电流的30%左右，情况好的也在20%以上，考虑该泵站还有其它少量谐波源，设计阶段总谐波含量按所有变频调速机组总电流的30%（THD值）假定。据多个类似工程实际检测结果表明，该类工程5至25奇次谐波都会发生。根据泵站实际运行工况，谐波治理装置按照每段母线最大运行方式计算容量，Ⅰ段母线是3台2500kW机组同时运行，Ⅱ段母线是3台1600kW机组同时运行，Ⅲ段母线3台710kW机组同时运行。每段母线机组总额定电流谐波电流如下：

其中Pe=2500kW为机组额定容量，Ue=6kV为机组额定电压，cosθ=0.95为变频调速装置输入功率因数。则：

THD=30%，则Ⅰ段母线谐波电流IH1=227.9A。

THD=30%，则Ⅱ段母线谐波电流为IH1=145.86A

THD=30%，则Ⅲ段母线谐波电流为：

根据《电能质量公用电网谐波》（GB/T14549-93）中关于谐波电流允许值及本工程修正值见表1，泵站6kV母线短路电流容量为80MVA，谐波电流修正采用公式如下：

式中：Sk1—连接点处最小短路容量，MVA；Sk2—基准短路容量，MVA；Ihp—h次谐波允许值，A。

谐波电流允许值计算采用如下公式：

将表1各次谐波电流允许值代入公式求得IH=78.33A，即总谐波电流允许值。

各段母线谐波电流与总谐波电流允许值78.33A的差即为需要滤出的谐波电流Ihz。

Ⅰ段母线谐波电流为227.9A，则需滤除的谐波电流Ihz=227.9-78.33=149.57A。

Ⅱ段母线谐波电流为145.86A，则需滤除的谐波电流Ihz=145.86-78.33=64.47A。

Ⅲ段母线谐波电流为IH1=64.72A，小于总谐波电流允许值78.33A，不需装设谐波治理装置。

2.3 无功补偿及谐波治理容量计算

上述分析可知各段母线谐波电流IH和无功补偿电流Iw值，在选取无功补偿及谐波治理装置时应根据无功补偿电流与谐波电流的总电流，即装置电流Iz，公式如下：段母线谐波电流为IH1=227.9A，无功补偿电流Iw=32A，Iz=230.13A;Ⅱ段母线谐波电流为IH1=145.86A，无功补偿电流Iw=32A，Iz=149.32A；Ⅲ段母线Iw=Iz=32A。

装置容量计算公式：