污水处理厂无功补偿和功率因数调节分析

钟文娟

摘 要

污水处理厂普遍存在功率因数偏低的现象，会加大电能损耗，降低内部配电网的电能质量。基于此，本文从污水处理厂无功功率的内涵与影响要素入手，以某污水处理厂为例，借鉴其成功经验，阐述无功补偿、提升功率因数的措施，为其他污水处理厂提高电能质量提供帮助。

关键词

污水处理厂;无功补偿;功率因数

中图分类号： X703;TM714.3           文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 31

Abstract

Low power factor generally exists in sewage treatment plants， which will increase the power loss and reduce the power quality of the internal distribution network. Based on this， this paper starts with the connotation and influencing factors of reactive power in sewage treatment plants， taking a sewage treatment plant as an example， drawing on its successful experience， describing measures for reactive power compensation and improving the power factor， and improving power quality for other sewage treatment plants provide help.

Key word

Sewage treatment plant; Reactive power compensation; The power factor

0 前言

在污水处理厂运行中，涉及鼓风机、搅拌机与水泵等感性负荷设备，导致异步电动机产生较多无功功率，使部分设备表现出轻载或不满载运行状况，降低功率因数，使其不满足供电部门的标准规范。就此，污水处理厂需提高对无功功率的重视，通过有效的无功补偿措施，调节功率因数，节能降耗。

1 污水处理厂无功补偿分析

在配电系统中，如果容量过大，技术人员会配置无功补偿装置，用于提升设备的功率因数，减少配电网的损耗。在某污水处理厂中，检测人员对变压器进行短时间检测，虽然检测结果表明，变压器在负载低于25%的工况下，功率因数大于0.9，总谐波畸变率低于5%，满足国家标准。但结合现场勘查结果与检测数据，分析该污水处理厂在无功补偿方面仍存在不足。

1.1 存在谐波源与冲击负荷

在该污水处理厂采用的生产设备中，变频器会产生一定数量的非线性符合，导致谐波电流的出现。根据檢测人员的检查结果，该污水处理厂的电流总谐波畸变率含量高，会影响配电系统的正常运行，降低电能质量，导致电力得不到有效应用，引发能耗现象，还会降低供电系统的供电可靠性、连续性与安全性。需要注意的是，在该污水处理厂的检测中，技术人员是在负荷低于25%的工况下采集数据，未来该污水处理厂扩大生产，或者设备负荷增加时，谐波造成的影响更为显著，需技术人员采取有效措施抑制谐波污染，保障供电稳定性。

1.2 无功补偿设备不完善

通常来说，工业企业会将无功补偿电容器组配置于线性负荷场所，如普通交流电动机等，用于补偿无功功率，提高运行效率。但在实践运行中，受有谐波与参数设置的影响，电容器组会引发谐波放大现象，对电容器及配电系统的正常运行造成影响，引发安全事故。以污水处理厂为例，该企业选用天正电气公司的电容和电抗组合，设备投入使用的时间较短，但已经出现电容器损毁或电缆烧毁等电气事故（如图1所示），影响设备的安全运行。可见，在配电网存在谐波污染情况下，仅通过普通电容补偿柜，实施无功补偿，并不能有效补偿无功功率，反而会出现谐波放大或谐振问题，加剧谐波污染。

同时，谐波污染也会导致电容器出现过电流现象，产生如下危害：（1）影响电动机的正常运行，缩短其使用寿命，甚至造成难以挽回的损坏;（2）加大配电系统铜损与铁损的概率;（3）降低生产系统中测量仪表的准确性，影响生产质量与效率;（4）导致配电系统的电压或电流出现正弦波形畸变现象，为无功补偿装置遗留安全隐患。

2 污水处理厂无功补偿及功率因数调节策略

2.1 功率因数调节策略

就工业企业而言，其无功功率损耗的部分集中于异步电动机、变压器及线路三个部分。其中，异步电动机的损耗约占70%;变压器的损耗约占20%;线路的损耗约占10%。就此，该污水处理厂通过异步电动机和变压器的参数调节，降低设备的感抗，提高自然功率因数，提高电网的运行效率，降低能耗，具体实施措施如下。

（1）优化异步电动机容量的选择，确保异步电动机始终保持趋近于满载的运行状态。在该污水处理厂中，异步电动机在保持空载运行工况时，功率因数cosφ的数值在0.2-0.3之间;在保持满载运行工况时，其功率因数cosφ的数值在0.7-0.9之间。就此，技术人员将污水厂中平均负荷低于40%的异步电动机，进行更换处理，替换为小容量的异步电动机，确保异步电动机可在低负荷下保持满载运行，提高功率因数。

（2）优化污水处理厂的生产工艺流程，创新用电设备的运行方式，避免设备出现空载运行，提升功率运输。例如，针对耗能较大的设备，技术人员对其进行就地补偿优化，为鼓风机提供就地补偿电力电容器，将功率因数提升到0.95。

（3）定期开展异步电动机的运维检修工作，保障异步电动机各器件的质量，避免异步电动机的零件间隙过大，加大运行负荷。

（4）针对污水处理厂的部分特定工艺条件，如引入大容量低转速的水泵等，技术人员引入同步电动机补偿措施，通过同步电动机的引入，使设备的过励磁超前运行成为可能，用于补偿系统的感性无功功率，提高功率因数[1]。

2.2 无功补偿措施

第一，抑制谐波。为避免谐波引发安全问题，采取多项措施抑制谐波，保障电网运行安全。（1）在变频器电源中配置电抗器，用于控制变频器的开关次数，实现其安全可靠运行;（2）在电网系统中配置无源或有源滤波器，并将电抗器与电容器串联，吸收谐波电流，提升配电网的供电质量，保障电压参数的规范。在电抗器与电容器串联操作中，技术人员将原本的无功补偿柜为基础，将电容器更换为抑制谐波性无功补偿电容器，提高谐波电流抑制效率，保障企业运行安全。

第二，明确电抗器电抗率。在采取电抗器与电容器串联方案后，技术人员需结合污水处理厂配电网的现场谐波源，明确电抗器的电抗率。根据技术人员检测的数据，污水处理厂车间配电系统中产生的高次谐波主要为五次谐波，还含有7次谐波与3次谐波，后两者出现的概率偏低。在谐波抑制中，5次以上的谐波需采取6%及以上电抗率的电抗器，由于3次波会在6%电抗率的电抗器中出现放大现象，引发谐振。所以技术人员将电抗器的电抗率设定为7%。

第三，明确电容器补偿容量。在以往的工作中，污水处理厂的电容器容量由變压器容量决定，取为变压器容量的30%。但在电抗器与电容器串联后，为避免无功补偿容量不足或浪费，技术人员重新计算无功需量，将泵的目标功率因数设定为0.95，按照标准公式计算无功功率，最终选择八组30kvar 450V的无功补偿装置，并配置抑制谐波电抗器，实现无功补偿柜的有效改造[2]。

采取上述改造方案后，5次波下降显著，其他谐波也有所降低，且补偿电容器不再出现过电流现象。另外，技术人员需结合其他变压器的运行工况，分析其是否存在谐波污染，并采取相应的谐波抑制措施，提升污水处理厂的电能质量，促进其可持续发展。

3 结论

综上所述，污水处理厂需提高对无功功率及功率因数的重视，采取有效措施提升功率因数，强化运营效益。借鉴该污水处理厂的成功经验，通过谐波抑制，改造无功补偿装置，保障配网的安全运行;通过自然因数提高措施，降低配网的能耗，提高设备运行效益。

参考文献

[1]张悦.试论污水处理厂电气控制与变配电设备管理[J].中小企业管理与科技（下旬刊），2019（10）：14-15.

[2]马建彬，韩海宁，邱俊华，郝华.有源电力滤波器在污水处理厂中的应用[J].天津冶金，2016（05）：44-46.