某码头供电系统10kV段功率因数偏低原因分析及对策

刘为迅

（中交天津港湾工程设计院有限公司，山东 青岛 266071）

1 基本情况

该码头主要为煤炭装卸码头，主要用电设备为皮带机及辅助生产设施，其变电所供电系统原设计情况如下：高压侧设置了两段10kV 母线，运行方式为单母线分段运行，互为备用。高压主要用电设备为8 台皮带输送机，总负荷3430kW，每段负荷1715kW，单段补偿300kVar；低压负荷主要为辅助电机类，计算负荷418kW，变压器容量630kVA,低压无功补偿175kVar。

2 问题情况

码头试运行一个月以来，整个电气系统运行稳定，但发现变电所10kV 段电能计量功率因数低，无功功率负荷较大。试运行期间内，10kV a 段母线有功电量为111417kW·h，无功电量为98654kVarh，功率因数仅为0.75，处罚7.5%；10kV b 段母线有功电量为183135kW·h，无功电量为249635kVarh，功率因数仅为0.59。处罚27%。

3 原因分析

3.1 对原设计参数分析[1-2]

根据各个设备铭牌参数，采用需要系数法进行有功、无功功率核算，核算情况见表1。

表1 无功补偿核算表

由表1核算可知，若设备均正常运行，理论上10kV电源进线处功率因数应不低于0.93，完全满足要求。

3.2 对供配电系统设备进行现场检测

1）检查就地电能表显示的有功电量、无功电量值，与供电电源处10kV 综保装置统计值比对，数据吻合；现场实测电能表的电压电流相角差无误。

2）检查10kV a、b 段所带无功补偿装置，发现a、b 段补偿装置手动自动、手动方式下均运行正常。

3）检测低压段无功补偿，发现低压无功补偿装置运行正常，补偿后功率因数为0.93。

由现场检测推断，供配电系统本身无问题，原因可能在于用电设备本身。

3.3 对变电所10kV 高压侧用电设备进行检测

空载启动各皮带机进行检测，首先检测功率因数更低的b 段母线：仅#2 和#3 皮带电机开启空载运行时（此时b 段无其他负荷）。观察无功补偿装置投入前后电能表记录的无功功率变化，补偿前二次有功功率0.014kW、无功功率0.026kvar、功率因数0.48，补偿后二次有功功率0.014 kW、无功功率0.007kvar、功率因数提高至0.89，即无功补偿装置补偿值（300kvar）不足以将整段负荷的功率因数提高至0.9。当b 段上的皮带电机空载全开时，补偿后无功功率降至0.56；以同样的方式检测a 段：全部空载后功率因数降至0.65。因此，皮带电机空载运行明显恶化功率因数。

在码头试运行时对皮带机回路其进行轻负载运行（1000t/h）和额定负载（1500t/h）运行检测，测得的皮带电机带载运行数据统计如下。

表2 a 皮带电机带载运行数据

表3 b 皮带电机带载运行数据

3.4 结论

1）皮带电机空载或低货物荷载时，自身功率因数很低，无功补偿后仍较低。

2）随着皮带机货物荷载的提高，皮带电机自身功率因数提高，补偿后总功率因数提高。

3）随着皮带机货物荷载的进一步提高，直到接近额定荷载时，a 段10kV 母线无功补偿容量足以将总功率因数改善至0.9 以上，但b 段10kV 母线无功功率补偿仍有较大缺口。

4）在皮带空载或轻载条件下，无功补偿装置容量严重不足；在皮带负荷升高至一定水平时，情况有所改善。

5）皮带电机1a 和1b、2a 和2b、3a 和3b、4a 和4b 的额定功率、额定电流、额定功率因数等参数完全一致，但两者的制造厂家不同、空载电流、空载有功功率、空载无功功率、空载功率因数等差距很大。表明b 路皮带电机制造工艺不良，漏磁通大，主磁路磁导小、建立主磁场所需的无功电流大，致无功消耗更多，同等条件下相比对应的a 路皮带电机无功消耗增大约50%。

4 对策及其分析[3]

4.1 方案分析

对策根据上述原因分析，为改善现有功率因数偏低的状况，可考虑一下两种方案：

第一种方案是提高装卸效率，从而提高皮带机的运行荷载，减少皮带机空载或轻载的运行时间，从而改善现在功率因数偏低的情况。方法是提高门机操作人员的熟练程度，提高整个输送系统的维护程度，根据气象情况合理安排船舶靠泊时间。

第二种方案是从设备方面解决，根据现有运行情况，最大补偿容量按照各皮带机空载运行时所需无功补偿容量，计算数据见表4。

表4 最大无功容量计算

注：补偿度在0.95～1.0时，功率因数调整电费奖励比率均为0.75%，同时为防止无功过补偿（过补的功率同样以绝对值的方式积分累计入电表无功电量，因此使用方要求，将无功补偿目标值调整为0.95。

根据上述计算和现有情况，补偿方案如下：将原设置于b 段10kV 母线的无功补偿装置（300kVar）变更移至a 段10kV 母线，与原设置于a 段10kV 母线的无功补偿装置（300kvar）共同构成a 段10kV母线的高压无功补偿容量，共计补偿容量600kvar；b 段10kV 母线的所需无功补偿容量为750kvar，因此考虑新增设容量为750kvar 无功补偿装置一套，采用300kVar+450kVar分两组投切的方式。

4.2 效果分析

第一种方案经济效益最好，在提高了码头的装卸运输效率同时又提高了功率因数，达到双赢的局面，但是缺点是需要时间较长，在一段时间内功率因数偏低的情况无法得到有效改善，而且易收到气象、人员调度原因影响。

第二种方案所需时间短，虽然需要一次性投资购置相关设备，但是可通过后期电费奖励来抵除投资费用，其经济效益分析如下：经咨询相关设备厂家，设备购置费用及安装约为110 万。设备安装完毕之后，功率因数最高可提高至0.95，功率因数调整电费月增减率为7.5%。以试运行一月的数据为例，经济效益分析见表5。

表5

表5中电价为当地价格。根据当地电业部门要求，电费计算公式：电费金额=基本电费+电度电费+功率因数调整电费，功率因数调整电费=（基本电费+电度电费）×功率因数调整电费月增减率。

由表5可见，按第二种方案改造后，以试运行阶段的电量为参照，每月可节省电费82476 元，14个月即可抵消改造费用。因此，最终方案确定为立刻实施第二方案，同时逐步推进第一方案。

5 结论

目前该码头10kV 供配电系统的无功补偿已改造完毕并投入使用，经实际验证，功率因数基本上保持在0.95 左右，完全满足电业部门及使用方的需要。同时也可为同类工程提供了一个借鉴，即在电容补偿相关计算的时候，不仅需要根据设备铭牌参数来进行计算，同时还用将设备将来的运行情况一并考虑。

[1] 王前虹,韩志树,赵建玉.两种无功功率补偿的计算方法[J].山东建材学院学报,2000(1):74-75.

[2] 王鑫国.10kV 配电网无功功率平衡及优化补偿[J].农村电气化,2001(3) :24-25.

[3] 赵慧艳.无功功率补偿技术及补偿方案的确定[J].工矿自动化,2005(6):95-96.