高壓無功就地補(bǔ)償裝置在蘭州石油儲備基地及生產(chǎn)運行原油儲備庫上的應(yīng)用

王前，沙玉珍，竇凱，樓文耀

(1.隴南供電公司武都區(qū)供電局，甘肅 隴南 746010;2.蘭州石化公司，甘肅 蘭州 730060)

1 引言

在高壓工頻交流配電系統(tǒng)中，直接將并聯(lián)電容器與交流異步電動機(jī)連接，以補(bǔ)償電動機(jī)的感性無功，提高配電系統(tǒng)功率因數(shù)，并裝有保護(hù)器件等的裝置即為高壓無功就地補(bǔ)償裝置，隨著感性負(fù)載特別是交流異步電動機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，諸如市政上的給排水、冶金或水泥行業(yè)上的抽排風(fēng)或空氣壓縮，石油化工的管道輸油以及原油儲備庫等，高壓無功就地補(bǔ)償裝置的應(yīng)用可以提高功率因數(shù)，降低無功電流，降低電動機(jī)的起動電流對電網(wǎng)的沖擊，降低線路和變壓器損耗，增加供配電系統(tǒng)的帶負(fù)荷能力。輸油泵是原油儲備庫給發(fā)油的關(guān)鍵部件，大部分輸油泵的拖動均由交流異步電動機(jī)來完成，交流異步電動機(jī)的工作勢必要吸收電力系統(tǒng)的無功，使系統(tǒng)的功率因數(shù)降低，無功電流增大，從而使線路損耗增大，系統(tǒng)和變壓器帶負(fù)荷能力下降。對于在給發(fā)油過程中起作關(guān)鍵作用的輸油泵一旦運行，在其工作過程中除電源和其本身的故障外，諸如外圍如無功補(bǔ)償裝置等發(fā)生故障不得影響其工作，這就要求作為無功補(bǔ)償裝置一方面選擇合適的補(bǔ)償容量，另一方面裝置具有完善的保護(hù)，確保補(bǔ)償裝置發(fā)生故障能從電源脫開，不影響輸油泵的工作。

2 補(bǔ)償用電容器組額定容量的確認(rèn)

高壓交流異步電動機(jī)的補(bǔ)償容量確認(rèn)方法有很多，主要有目標(biāo)功率因數(shù)法和空載電流法，通過兩種方法確認(rèn)補(bǔ)償容量，驗算電機(jī)空載電流，防止產(chǎn)生自勵磁現(xiàn)象，并確保無功補(bǔ)償和目標(biāo)功率因數(shù)的需要。

2.1 實際補(bǔ)償容量

2.1.1 按目標(biāo)功率因數(shù)法計算

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB12497-1995《三相異步電動機(jī)經(jīng)濟(jì)運行》，在該標(biāo)準(zhǔn)中“6.4.1電動機(jī)無功功率補(bǔ)償?shù)挠嬎恪敝幸呀o出公式:

該公式可以轉(zhuǎn)換為:

式中:

P1—電動機(jī)輸入功率(kW);

Q1—目標(biāo)功率因數(shù)法計算的補(bǔ)償容量(kvar);

cosΦe—電動機(jī)額定功率因數(shù);

cosΦ—補(bǔ)償后的目標(biāo)功率因數(shù);

tan arc cosΦe電動機(jī)額定功率因數(shù)角的正切值;

tan arc cosΦ補(bǔ)償后的目標(biāo)功率因數(shù)角的正切值。

其中:P1=P×β/η;

P—電動機(jī)額定功率(kW);

β—電動機(jī)負(fù)載率;

η—電動機(jī)效率。

2.1.2 空載電流法

式中:

Q2—空載電流法計算的補(bǔ)償容量(kvar);US—母線電壓(kV);

I0—電動機(jī)的空載電流(A);

K1—補(bǔ)償系數(shù)。

為了防止發(fā)生電動機(jī)自激，電容器額定電流須小于電動機(jī)的空載電流，故一般情況要求取補(bǔ)償系數(shù)K1不大于0.9。

2.2 補(bǔ)償用電容器組額定電壓確認(rèn)

根據(jù)GB/T50227-2008《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計規(guī)范》可知串入電抗器時，接入并聯(lián)電容器處相電壓將升高為:式中:

US—母線電壓 (kV);

S—電容器組的每相串聯(lián)段數(shù);

K2—電抗器的電抗率。

按GB50227-2008《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計規(guī)范》中對電容器額定電壓的選取要求，應(yīng)考慮電網(wǎng)系統(tǒng)平均約5%的電壓波動，即電容器額定電壓應(yīng)選為實際運行時承受電壓的1.05倍。故電容器實際額定電壓應(yīng)為:

2.3 補(bǔ)償用電容器組額定電壓確認(rèn)

實際輸出的補(bǔ)償容量Q與其標(biāo)稱電壓(線電壓)UC、電容器組的標(biāo)稱容量QC和母線電壓US及串聯(lián)電抗器的電抗率K2可以通過相關(guān)推導(dǎo)得到式(3)來表示:

3 實例分析

蘭州國家石油儲備基地及生產(chǎn)運行原油儲備庫利用西部原油管道和石蘭管道以及新安裝的管線收、發(fā)原油，該工程安裝了輸油泵12臺，需要補(bǔ)償拖動輸油泵的6kV高壓三相交流異步電動機(jī)10臺，采用就地補(bǔ)償方式。裝置的共同要求:電動機(jī)帶額定負(fù)載運行補(bǔ)償后，目標(biāo)功率功率因數(shù)不低于0.94，避免因功率因數(shù)過低帶來的罰款;電容器組應(yīng)串聯(lián)電抗率為6%的鐵芯電抗器，一方面抑制合閘時產(chǎn)生的涌流，另一方面避免系統(tǒng)存在的5次諧波的放大。裝置發(fā)生故障應(yīng)該自行從電源脫開，避免對輸油泵工作的影響。筆者通過高壓無功就地補(bǔ)償裝置容量和主接線圖確認(rèn)，強(qiáng)調(diào)高壓無功就地補(bǔ)償裝置電容器組選用和配置應(yīng)多方面考慮，對于重要負(fù)荷的無功補(bǔ)償應(yīng)加裝完善的保護(hù)措施，確保補(bǔ)償裝置發(fā)生故障時能自行從電源上脫開，以免影響重要負(fù)荷的正常工作。

表1 電動機(jī)技術(shù)參數(shù)表

(由于輸油泵電機(jī)較多，僅以B-1201號電動機(jī)為例進(jìn)行分析)

3.1 裝置實際補(bǔ)償容量確定

分別按目標(biāo)功率因數(shù)法和空載電流法計算可得補(bǔ)償容量Q1和Q2

計算補(bǔ)償容量(kvar)電動機(jī)位號Q1 Q2實際補(bǔ)償容量取值(kvar)B-1201 100.5 128.7 100.5～128.7

(其他輸油泵電機(jī)的補(bǔ)償可按同樣方法進(jìn)行計算)

3.2 裝置選用電容器組的額定電壓和額定容量確定

3.2.1 電容器額定電壓

由于并聯(lián)電容器的標(biāo)準(zhǔn)電壓為6.3、6.6、6.9和7.2kV等幾個標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)JB/T7111《高壓并聯(lián)電容器裝置》附錄A說明，并且考慮到電容器實際運行電壓，確認(rèn)電容器標(biāo)稱額定電壓為6.6kV(線電壓)。

3.2.2 電容器額定容量

從以上式中，我們可以選擇電容器標(biāo)稱額定容量為114.3～146.4kvar，最后確認(rèn)補(bǔ)償容量為120kvar。

根據(jù)式(3)還可以計算120kvar電容器組在實際系統(tǒng)電壓6kV和串接電抗率6%的電抗器情況下實際輸出補(bǔ)償容量:

4 主接線確認(rèn)

4.1 電源開關(guān)選擇

作為給發(fā)油的關(guān)鍵部件——輸油泵，一旦開始工作，作為對其拖動電動機(jī)進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)某商籽b置不能影響其運行，則需要增加電源開關(guān)，對于開關(guān)的要求是電動的，具有開斷容性電流能力，滿足頻繁操作，真空接觸器則具有上述要求。

4.2 主回路輔助元件選擇

由于真空接觸器具有電動操作功能，一旦發(fā)生過流、過壓、欠壓和開口三角形不平衡電壓保護(hù)，真空接觸器須事故跳閘，要求裝有電流互感器、電壓互感器等輔助元件;還有真空接觸器開斷能力一般較小，最大只有6.3kA，故還應(yīng)裝有開斷短路電流大的限流式熔斷器，與真空接觸器組成F-C組合電器;事實上由于電容器內(nèi)部單元發(fā)生故障時，事故電流較小，此時還應(yīng)裝有電容器保護(hù)專用的噴逐式熔斷器來完成此功能。

4.3 主接線確認(rèn)

從以上兩點可以確認(rèn)以下主接線，真空接觸器和其他輔助元件的額定電氣參數(shù)應(yīng)與之對應(yīng)的電容器相匹配。

圖1

5 實際效果驗證

5.1 補(bǔ)償效果驗證

以下是輸油泵電動機(jī)B-1201在不同的負(fù)載率時投入高壓無功就地補(bǔ)償裝置前后實際測量的運行電流和功率因數(shù)數(shù)值變化對照表。

表1

從以上對照表可以看出，輸油泵電動機(jī)在實際運行過程中，即使安裝高壓無功就地補(bǔ)償裝置后，隨著負(fù)載率下降，電動機(jī)輸出功率的減少，補(bǔ)償后功率因數(shù)亦隨之下降。實際上輸油泵大多數(shù)情況負(fù)載率均在70%以上，補(bǔ)償裝置投入運行后，功率因數(shù)均達(dá)到0.92以上。

5.2 安全運行情況

由于采用多種保護(hù)，假如由于系統(tǒng)電壓的不平衡，裝置出現(xiàn)保護(hù)跳閘，也不影響輸油泵的正常工作。

6 結(jié)束語

選擇高壓無功就地補(bǔ)償裝置對原油儲備庫上的輸油泵拖動電動機(jī)進(jìn)行無功補(bǔ)償，提高系統(tǒng)功率因數(shù)時，應(yīng)注意如下幾點:

(1)選擇電容器組時應(yīng)保證其在系統(tǒng)額定電壓下輸出補(bǔ)償容量滿足目標(biāo)功率因數(shù)的要求;

(2)裝置選擇合適的電源開關(guān)，保護(hù)措施應(yīng)齊全，確保補(bǔ)償裝置發(fā)生故障時自動從電源上脫開，不能影響其它輸油泵的運行。

［1］GB12497-1995.三相異步電動機(jī)經(jīng)濟(jì)運行［S］.中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.

［2］工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊［M］.中國電力出版社.

［3］高壓無功就地補(bǔ)償裝置說明書［Z］.深圳三和電力科技有限公司.