大型排灌站高压电机就地无功补偿技术探讨

刘凯

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，武汉430061）

1 引言

大型排灌站中主要用电设备为水泵电机，大型排灌站具有机组台数不多、单机容量较大、功率因数较低等特点，排灌站通常属于季节性负荷，机组同时运行台数不固定。若采用集中补偿方式，在非汛期机组运行台数较少而总补偿容量较大时可能会引起过补偿。大型异步电机功率因数通常较低，若不补偿功率因数，则不能满足供电部门对用户功率因数的基本要求，而功率因数太低线路损耗会较大线路压降也较大。

2 项目背景

本文以安徽省马鞍山市华严湖排涝泵站为例，对高压异步电机就地无功补偿技术进行探讨。华严湖站配有10 kV高压异步电机5台，功率560 kW/台。泵站主要功能为城区汛期排涝，用电负荷为季节性负荷，泵站开机台数受来水量影响较大。泵站10 kV高压电机功率因数出厂值为0.73，功率因数没有达到电网合理运行要求，需进行无功补偿。

3 电气主接线

单机就地补偿即将无功补偿装置与单台水泵电机并联，一对一进地行补偿。补偿装置主要元器件包括投切开关、避雷设备、电容专用熔断器、电容器、电抗器和放电线圈等。对于10 kV无功补偿装置，利用真空接触器、真空断路器作为补偿装置投切开关。

图1 单机就地补偿装置接线图

4 无功补偿容量的计算

无功补偿容量既要满足供电部门的最低功率因数限制要求，同时也要避免过补偿。电机过补偿会使电机运行电压超出额定，对电机绝缘和电容器绝缘都不利[1]。根据规范要求，对于采用就地补偿的异步电动机，补偿电容器额定电流要低于电动机励磁电流的0.9倍。

1）根据满足供电部门要求计算最小补偿容量

式中，Qc为无功补偿容量，kvar；P1为电动机的输入功率，kW；tanφ1为补偿前功率因数正切值；tanφ2为按要求补偿后电动机功率因数正切值，一般按cosφ2不小于0.9取值。

在设计过程中，一些设计人员往往直接将电机的额定功率当作P1代入公式，同时电机的基本参数中也只给出了额定功率和效率，需要根据电机出厂效率值，计算出电机的输入功率。电机的输入功率是电机额定功率和效率的比值，额定功率要小于输入功率，对于低效率、大功率电机输入功率和额定功率相差较大，相对应的计算得到的补偿容量也相差较远。

2）按空载电流计算最大补偿容量

式中，Qc为无功补偿容量，kvar；Ue为电动机的额定电压，kV；I0为电动机空载电流，A。

电机空载电流是电机设备出厂参数，在设计初期，电机设备还没有制造完成，无法获得设备的准确空载电流，可根据0.2~0.4倍电动机额定电流估算空载电流，最终根据空载电流出厂值复核无功补偿容量[2]。

5 设备选型要点

5.1 电容器的选型

电容器是改善电力质量的核心元器件，电容器主要技术参数包括：额定电压、介质结构和过电压范围等。电容器额定电压既要与接入系统处的标称电压相适应，同时，也要考虑串入电抗器引起的电压升高对电容器的影响。电容器额定电压选取过高会造成无功补偿装置实际输出容量与设置容量偏差加，大功率因数补偿不到位；额定电压选取过低又会造成电容器过电压运行对电气设备造成损坏。

电容器额定电压的选取：

式中，Urc为电容器的额定电压；Un为电容器接入系统的标称电压，kV；S为电容器每相的串联段数，电压10 kV及以下时为1；K为串联电抗器的电抗率。

在GB 50227—2017《并联电容器装置设计规范》中给出了单体电容器额定容量优选值，单台电容器容量按照优选值选取。电容器额定容量优先值为：50 kvar、100 kvar、200 kvar、334 kvar、500 kvar[3]。

5.2 电抗器的选型

无功补偿装置中串联电抗器可以有效抑制谐波放大和合闸涌流，起到改善系统电能质量的作用，对电网安全运行十分重要。电抗器电抗率的选取需要分析连接系统所包含的谐波源，谐波源通常有换流设备、铁芯设备、电弧炉、照明设备等非线性电气设备。电抗率选取值见表1。

表1 电抗率选取值%

5.3 熔断器的选型

选用电容器专用熔断器对单台电容器进行保护，熔断器的熔丝额定电流可按电容器额定电流的1.37～1.50倍选择。熔断器的额定值应优先按表2数值选取。

表2 熔断器额定值优先选取数值

5.4 放电线圈的选型

补偿装置中的电容器接入放电线圈可以实现电容器快速放电缩短放电时间。电容器在断电后仍有残余电荷依靠自身放电，放电时间会较长且不能满足二次投运或检修的要求[4]。如果电容器仍有残余电荷时，合闸会产生过电压和过电流，对运行人员和产品设备造成危害。放电线圈额定电压和放电容量应与相并联电容器组相适应，放电线圈应能保证在5 s内将电容器剩余电压降至50 V及以下[5]。

6 设备布置要求

为防止电容器发生火灾或者爆炸引起其他设备的损坏，电容器一般单独分配房间布置，当无功补偿装置与高压柜布置在同一房间时，相互间距应不小于1.5 m。电容器室门窗应采取措施防止小动物进入和雨雪飘入。

7 无功补偿计算实例

华严湖泵站补偿前功率因数0.73，设计功率因数目标值0.92，单机额定功率560 kW，额定电压10 kV。

电动机输入功率：

式中，PN为电动机的额定功率，kW；η为电动机效率。

将数据代入式（1）计算，得：Qc=615×（0.94-0.43）=314 kvar

按照空载电流计算无功补偿容量：电机额定电流IN=49 A，电机空载电流按I0=0.4IN，代入式（2）得无功补偿容量

由计算结果可知，无功补偿容量最大值为305 kvar。本工程设有软启动柜，柜内含有晶闸管等非线性设备，为主要谐波源。晶闸管等设备主要产生的5次和7次谐波[6]。根据电抗率选取值表1选取电抗率，电抗率取5%，额定电压与系统标称电压一致取10 kV。根据式（3）计算电容器额定电压

从电容器标准系列中挑选接近计算值的额定电压，电容器额定电压取单台电容器额定容量优先值为100 kvar，电容器过电流能力1.5In。单台电容器额定电流为5.77 A，电容器保护专用熔断器熔丝额定电流取8 A。

计入电容器运行电压和额定电压差异，以及串入电控器后的影响，并联电容器装置实际输出容量为：

式中，Qc为实际输出容量，kV·A；Qr为补偿容量，kvar；Uav为平均运行电压，kV，取1.5倍系统标称电压；Ur为并联电容器装置额定电压，kV；K为串联电抗器的电抗率。

代入式（5）得Qc=300×（10.5/11）2×（1-0.05）=259 kvar

补偿后功率因数：cosφ=cos{arctan-1[615tan(arccos0.73)-259]/615}=0.89。从计算结果可看出，由于电容器运行电压与额定电压的差异和串入电抗器的影响，补偿后功率因数与功率因数目标值仍存在差距。若按照350 kvar来选取无功补偿容量，实际输出容量Qc=350（10.5/11）2×（1-0.05）=302 kvar，满足空载电流计算的最大无功补偿容量305 kvar，此时，补偿后的功率因数为cosφ=cos{arctan-1[615×tan(arccos0.73)-303]/615}=0.915，可见，补偿后的功率因数接近目标值。就地无功补偿装置无功补偿的容量，需要按照电机空载电流进行校验。与此同时，受电容器运行电压和额定电压的差异及串入电抗器的影响，电容实际输出容量和补偿后的功率因数需核算。

8 结语

对于单机容量大、功率因数低、机组运行台数又不固定的电气设计中，采用单机就地补偿可很好地满足供电部门要求的功率因数值，同时也可避免过补偿情况。设计者还需要在补偿容量计算过程中考虑电机空载电流、电容器额定电压以及串入电抗器对补偿容量的影响。