馮家?guī)X泵站無功補(bǔ)償及諧波治理預(yù)案分析

孫世勇 臧煒穎

（吉林省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院 吉林長春 130021）

馮家?guī)X泵站無功補(bǔ)償及諧波治理預(yù)案分析

孫世勇 臧煒穎

（吉林省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院 吉林長春 130021）

簡要闡述無功補(bǔ)償及諧波治理的重要性和必要性，重點(diǎn)針對馮家?guī)X泵站的無功補(bǔ)償容量及諧波治理容量進(jìn)行分析計(jì)算，提出治理預(yù)案，同時(shí)對設(shè)備選型提出建議。

無功補(bǔ)償 諧波治理 預(yù)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，本工程的供水范圍為長春市、四平市、遼源市及所屬的九臺市、德惠市、農(nóng)安縣、公主嶺市、梨樹縣、伊通縣、東遼縣、長春雙陽區(qū)等11個(gè)市、縣、區(qū)的城區(qū)，以及供水線路附近可直接供水的26個(gè)鎮(zhèn)作為供水對象。輸水總干線采用自流輸水，總干線末端為馮家?guī)X分水樞紐調(diào)壓井，該調(diào)壓井同時(shí)為四平干線和遼源干線進(jìn)水調(diào)壓井。輸水總干線全長109.702km，其中隧洞長97.622km，預(yù)制管道長9.815km，現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力涵管長2.265km。

遼源干線與四平干線輸水線路取水口位于總干線末端馮家?guī)X分水樞紐。線路起點(diǎn)為總干線末端調(diào)壓井，馮家?guī)X調(diào)壓井后在樁號0+224.421m處設(shè)遼源、四平綜合加壓泵站（馮家?guī)X泵站）一座。

馮家?guī)X泵站是遼源干線和四平干線共同的提水泵站，站內(nèi)分四平干線功能區(qū)和遼源干線功能區(qū)，泵站通過管路從馮家?guī)X分水樞紐引水，是輸水工程中唯一的提水加壓泵站。

1.1 泵站接入系統(tǒng)方式

由于本泵站是遼源干線的起點(diǎn)提水泵站，也是整條干線唯一泵站，其運(yùn)行的安全可靠性直接影響整條輸水線路的安全性、穩(wěn)定性和可靠性。根據(jù)《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50052）第2.0.1條規(guī)定及《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T50265）10.1章的規(guī)定，本泵站用電負(fù)荷等級為二級，采用站變合一的供用電管理方式。伊通220kV變電站設(shè)66kV專用出口，建66kV架空線路22.9公里，作為泵站專用供電線路，調(diào)度通訊采用光纖通訊。

1.2 電氣主接線

泵站安裝12臺單級雙吸離心式水泵機(jī)組，其中四平功能區(qū)8臺、遼源功能區(qū)4臺。正常情況下運(yùn)行方式：當(dāng)四平功能區(qū)的高揚(yáng)程工況運(yùn)行時(shí)大機(jī)（1600kW）3臺工作，1臺備用，小機(jī)（710kW）不投入運(yùn)行；當(dāng)四平功能區(qū)的低揚(yáng)程工況運(yùn)行時(shí)小機(jī)3臺工作，1臺備用，大機(jī)不投入運(yùn)行。遼源功能區(qū)單機(jī)額定功率為2500kW（4臺），3臺工作1臺備用。四平功能區(qū)和遼源功能區(qū)水泵電機(jī)存在同時(shí)運(yùn)行的可能。

水泵電機(jī)機(jī)端母線采用單母線斷路器分段接線方式，遼源4臺（2500kW）機(jī)組聯(lián)結(jié)于Ⅰ段6kV母線；四平4臺高揚(yáng)程（1600kW）機(jī)組聯(lián)結(jié)于Ⅱ段6kV母線，四平4臺低揚(yáng)程（710kW）機(jī)組聯(lián)結(jié)于Ⅲ段6kV母線。3段母線通過3臺母線斷路器連接，Ⅰ段母線和Ⅱ段母線分別與1臺主變壓器連接，主變壓器容量為10000kVA，主變高壓側(cè)采用單母線接線方式，66kV專用供電線路進(jìn)線間隔1回；站用系統(tǒng)主電源分別取自Ⅰ段和Ⅲ段6kV母線容量為1000kVA，互為明備用，站用電備用電源取自近區(qū)10kV電網(wǎng)。主接線簡圖見圖1：

圖1 主接線簡圖

2 無功補(bǔ)償及諧波治理方案分析

無功補(bǔ)償，在供電系統(tǒng)中起提高電網(wǎng)的功率因數(shù)的作用，降低供電變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環(huán)境。所以無功功率補(bǔ)償裝置在電力供電系統(tǒng)中處在一個(gè)不可缺少的非常重要的位置。合理的選擇補(bǔ)償裝置，可以做到最大限度的減少網(wǎng)絡(luò)的損耗，使電網(wǎng)質(zhì)量提高。反之，如選擇或使用不當(dāng)，可能造成供電系統(tǒng)，電壓波動，諧波增大等諸多因素。無功功率對供、用電產(chǎn)生一定的不良影響，主要表現(xiàn)在：

（1）降低發(fā)電機(jī)有功功率的輸出。

（2）降低輸、變電設(shè)備的供電能力。

（3）造成線路電壓損失增大和電能損耗的增加。

（4）造成低功率因數(shù)運(yùn)行和電壓下降，使電氣設(shè)備容量得不到充分發(fā)揮。

大量的故障示例和實(shí)測分析表明諧波對于控制、通信網(wǎng)絡(luò)、繼電保護(hù)、電能計(jì)量等二次系統(tǒng)及電容器、電機(jī)、變壓器，開關(guān)設(shè)備等一次系統(tǒng)都可能造成影響和危害。一般而言，諧波電壓總畸變率控制在國標(biāo)范圍內(nèi)時(shí)，諧波對用電設(shè)備的影響已經(jīng)顯現(xiàn)但不會造成太大影響，較明顯的影響或危害通常和諧波嚴(yán)重超標(biāo)或出現(xiàn)諧波放大相關(guān)聯(lián)。諧波對系統(tǒng)的影響，最明顯的是補(bǔ)償電容器在某些條件下與系統(tǒng)產(chǎn)生的諧振，在小諧波源的激發(fā)下導(dǎo)致諧波嚴(yán)重放大。諧波對損耗以及對電能計(jì)量的影響也是非常顯見的。

所以馮家?guī)X泵站進(jìn)行無功補(bǔ)償及諧波治理是十分必要的。

2.1 無功補(bǔ)償及諧波治理設(shè)備安裝位置分析2.1.1 無功補(bǔ)償裝置安裝位置分析

馮家?guī)X泵站12臺水泵電機(jī)每臺電機(jī)配置一臺變頻調(diào)速裝置，機(jī)端電壓6kV，該調(diào)速裝置電網(wǎng)側(cè)（主變器低壓側(cè)）采用18至48脈沖二極管整流器，電機(jī)側(cè)采用帶有IGBT功率模塊的多電平逆變器（PWM），理論上輸入功率因數(shù)＞0.95。所以主水泵電機(jī)不需要無功補(bǔ)償。站用電負(fù)荷需要進(jìn)行無功補(bǔ)償。無功補(bǔ)償裝置可安裝在站用電0.4kV母線上，也可安裝在站用變高壓側(cè)6kV母線上。

2.1.2 諧波治理裝置安裝位置分析

從馮家?guī)X泵站電氣設(shè)備設(shè)置來看，主要諧波源為以下設(shè)備：變頻調(diào)速裝置、直流系統(tǒng)的逆變電源、節(jié)能燈具。顯而易見這其中最主要的諧波源是變頻調(diào)速裝置。泵站諧波治理的目的主要有兩個(gè)，一是泵站用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波應(yīng)達(dá)國標(biāo)，避免對電網(wǎng)產(chǎn)生污染，供電管理部門則不會對泵站實(shí)施罰款，從而降低運(yùn)行成本；二是泵站內(nèi)部變配電系統(tǒng)諧波污染應(yīng)低于國標(biāo)，避免對泵站控制、通信網(wǎng)絡(luò)、繼電保護(hù)、電能計(jì)量等二次系統(tǒng)及電機(jī)、變壓器、開關(guān)設(shè)備等一次系統(tǒng)造成影響和危害。所以諧波治理裝置安裝在6kV母線側(cè)是合理的。

2.1.3 無功補(bǔ)償及諧波治理設(shè)備最終位置確定

上述分析表明，無功補(bǔ)償裝置可安裝在站用電0.4kV母線上，也可安裝在站用變高壓側(cè)6kV母線上，諧波治理裝置安裝在6kV母線側(cè)最為合理。從當(dāng)前技術(shù)發(fā)展趨勢看，一般都將無功補(bǔ)償和諧波治理合二為一治理，故該裝置安裝在6kV母線側(cè)是合理的。

2.2 無功補(bǔ)償及諧波治理容量分析

2.2.1 無功補(bǔ)償容量分析

由于馮家?guī)X泵站主水泵電機(jī)不需無功補(bǔ)償，只是站用系統(tǒng)需要無功補(bǔ)償，但在設(shè)計(jì)階段站用電各負(fù)荷功率因數(shù)不確切，根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)暫按照站用變壓器容量的30%進(jìn)行無功補(bǔ)償，補(bǔ)償容量為333kvar。

站用變?nèi)萘繛?000kVA，共2臺，分別連接在Ⅰ段和Ⅲ段6kV母線上。Ⅱ段母線與Ⅲ段母線由一臺主變供電，但這兩段母線不存在同時(shí)運(yùn)行的工況，所以需要每段母線上設(shè)置333kvar無功補(bǔ)償設(shè)備。Ⅰ段母線設(shè)置333kvar無功補(bǔ)償裝置。三段母線每段母線的補(bǔ)償容量均為333kvar。

2.2.2 諧波治理裝置容量分析

由于泵站變頻器電網(wǎng)側(cè)采用了18至48脈沖二極管整流器，電機(jī)側(cè)采用帶有IGBT功率模塊的多電平逆變器（PWM），該技術(shù)諧波引起的電壓畸變率小于4%，符合《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》（GB/T14549-93）中關(guān)于6kV系統(tǒng)諧波電壓限值為4%的規(guī)定。根據(jù)多家企業(yè)實(shí)際應(yīng)測量結(jié)果表明，采用IGBT變頻調(diào)速裝置時(shí)諧波電流的含量大約占額定電流的30%左右，情況好的也在20%以上，考慮該泵站還有其它少量諧波源，設(shè)計(jì)階段總諧波含量按所有變頻調(diào)速機(jī)組總電流的30%（THD值）假定。據(jù)多個(gè)類似工程實(shí)際檢測結(jié)果表明，該類工程5至25奇次諧波都會發(fā)生。根據(jù)泵站實(shí)際運(yùn)行工況，諧波治理裝置按照每段母線最大運(yùn)行方式計(jì)算容量，Ⅰ段母線是3臺2500kW機(jī)組同時(shí)運(yùn)行，Ⅱ段母線是3臺1600kW機(jī)組同時(shí)運(yùn)行，Ⅲ段母線3臺710kW機(jī)組同時(shí)運(yùn)行。每段母線機(jī)組總額定電流諧波電流如下：

其中Pe=2500kW為機(jī)組額定容量，Ue=6kV為機(jī)組額定電壓，cosθ=0.95為變頻調(diào)速裝置輸入功率因數(shù)。則：

THD=30%，則Ⅰ段母線諧波電流IH1=227.9A。

THD=30%，則Ⅱ段母線諧波電流為IH1=145.86A

THD=30%，則Ⅲ段母線諧波電流為：

根據(jù)《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》（GB/T14549-93）中關(guān)于諧波電流允許值及本工程修正值見表1，泵站6kV母線短路電流容量為80MVA，諧波電流修正采用公式如下：

式中：Sk1—連接點(diǎn)處最小短路容量，MVA；Sk2—基準(zhǔn)短路容量，MVA；Ihp—h次諧波允許值，A。

諧波電流允許值計(jì)算采用如下公式：

將表1各次諧波電流允許值代入公式求得IH=78.33A，即總諧波電流允許值。

各段母線諧波電流與總諧波電流允許值78.33A的差即為需要濾出的諧波電流Ihz。

Ⅰ段母線諧波電流為227.9A，則需濾除的諧波電流Ihz=227.9-78.33=149.57A。

Ⅱ段母線諧波電流為145.86A，則需濾除的諧波電流Ihz=145.86-78.33=64.47A。

Ⅲ段母線諧波電流為IH1=64.72A，小于總諧波電流允許值78.33A，不需裝設(shè)諧波治理裝置。

2.3 無功補(bǔ)償及諧波治理容量計(jì)算

上述分析可知各段母線諧波電流IH和無功補(bǔ)償電流Iw值，在選取無功補(bǔ)償及諧波治理裝置時(shí)應(yīng)根據(jù)無功補(bǔ)償電流與諧波電流的總電流，即裝置電流Iz，公式如下：段母線諧波電流為IH1=227.9A，無功補(bǔ)償電流Iw=32A，Iz=230.13A;Ⅱ段母線諧波電流為IH1=145.86A，無功補(bǔ)償電流Iw=32A，Iz=149.32A；Ⅲ段母線Iw=Iz=32A。

裝置容量計(jì)算公式：

表1 諧波電流允許值及修正值表

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.04.012

TV136

B

1672-2469(2014)04-0040-03

孫世勇（1972年—），男，高級工程師。