污水處理廠無功補(bǔ)償和功率因數(shù)調(diào)節(jié)分析

鐘文娟

摘 要

污水處理廠普遍存在功率因數(shù)偏低的現(xiàn)象，會(huì)加大電能損耗，降低內(nèi)部配電網(wǎng)的電能質(zhì)量。基于此，本文從污水處理廠無功功率的內(nèi)涵與影響要素入手，以某污水處理廠為例，借鑒其成功經(jīng)驗(yàn)，闡述無功補(bǔ)償、提升功率因數(shù)的措施，為其他污水處理廠提高電能質(zhì)量提供幫助。

關(guān)鍵詞

污水處理廠;無功補(bǔ)償;功率因數(shù)

中圖分類號(hào)： X703;TM714.3 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： 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

在污水處理廠運(yùn)行中，涉及鼓風(fēng)機(jī)、攪拌機(jī)與水泵等感性負(fù)荷設(shè)備，導(dǎo)致異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生較多無功功率，使部分設(shè)備表現(xiàn)出輕載或不滿載運(yùn)行狀況，降低功率因數(shù)，使其不滿足供電部門的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。就此，污水處理廠需提高對(duì)無功功率的重視，通過有效的無功補(bǔ)償措施，調(diào)節(jié)功率因數(shù)，節(jié)能降耗。

1 污水處理廠無功補(bǔ)償分析

在配電系統(tǒng)中，如果容量過大，技術(shù)人員會(huì)配置無功補(bǔ)償裝置，用于提升設(shè)備的功率因數(shù)，減少配電網(wǎng)的損耗。在某污水處理廠中，檢測(cè)人員對(duì)變壓器進(jìn)行短時(shí)間檢測(cè)，雖然檢測(cè)結(jié)果表明，變壓器在負(fù)載低于25%的工況下，功率因數(shù)大于0.9，總諧波畸變率低于5%，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。但結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果與檢測(cè)數(shù)據(jù)，分析該污水處理廠在無功補(bǔ)償方面仍存在不足。

1.1 存在諧波源與沖擊負(fù)荷

在該污水處理廠采用的生產(chǎn)設(shè)備中，變頻器會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的非線性符合，導(dǎo)致諧波電流的出現(xiàn)。根據(jù)檢測(cè)人員的檢查結(jié)果，該污水處理廠的電流總諧波畸變率含量高，會(huì)影響配電系統(tǒng)的正常運(yùn)行，降低電能質(zhì)量，導(dǎo)致電力得不到有效應(yīng)用，引發(fā)能耗現(xiàn)象，還會(huì)降低供電系統(tǒng)的供電可靠性、連續(xù)性與安全性。需要注意的是，在該污水處理廠的檢測(cè)中，技術(shù)人員是在負(fù)荷低于25%的工況下采集數(shù)據(jù)，未來該污水處理廠擴(kuò)大生產(chǎn)，或者設(shè)備負(fù)荷增加時(shí)，諧波造成的影響更為顯著，需技術(shù)人員采取有效措施抑制諧波污染，保障供電穩(wěn)定性。

1.2 無功補(bǔ)償設(shè)備不完善

通常來說，工業(yè)企業(yè)會(huì)將無功補(bǔ)償電容器組配置于線性負(fù)荷場(chǎng)所，如普通交流電動(dòng)機(jī)等，用于補(bǔ)償無功功率，提高運(yùn)行效率。但在實(shí)踐運(yùn)行中，受有諧波與參數(shù)設(shè)置的影響，電容器組會(huì)引發(fā)諧波放大現(xiàn)象，對(duì)電容器及配電系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成影響，引發(fā)安全事故。以污水處理廠為例，該企業(yè)選用天正電氣公司的電容和電抗組合，設(shè)備投入使用的時(shí)間較短，但已經(jīng)出現(xiàn)電容器損毀或電纜燒毀等電氣事故（如圖1所示），影響設(shè)備的安全運(yùn)行。可見，在配電網(wǎng)存在諧波污染情況下，僅通過普通電容補(bǔ)償柜，實(shí)施無功補(bǔ)償，并不能有效補(bǔ)償無功功率，反而會(huì)出現(xiàn)諧波放大或諧振問題，加劇諧波污染。

同時(shí)，諧波污染也會(huì)導(dǎo)致電容器出現(xiàn)過電流現(xiàn)象，產(chǎn)生如下危害：（1）影響電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行，縮短其使用壽命，甚至造成難以挽回的損壞;（2）加大配電系統(tǒng)銅損與鐵損的概率;（3）降低生產(chǎn)系統(tǒng)中測(cè)量?jī)x表的準(zhǔn)確性，影響生產(chǎn)質(zhì)量與效率;（4）導(dǎo)致配電系統(tǒng)的電壓或電流出現(xiàn)正弦波形畸變現(xiàn)象，為無功補(bǔ)償裝置遺留安全隱患。

2 污水處理廠無功補(bǔ)償及功率因數(shù)調(diào)節(jié)策略

2.1 功率因數(shù)調(diào)節(jié)策略

就工業(yè)企業(yè)而言，其無功功率損耗的部分集中于異步電動(dòng)機(jī)、變壓器及線路三個(gè)部分。其中，異步電動(dòng)機(jī)的損耗約占70%;變壓器的損耗約占20%;線路的損耗約占10%。就此，該污水處理廠通過異步電動(dòng)機(jī)和變壓器的參數(shù)調(diào)節(jié)，降低設(shè)備的感抗，提高自然功率因數(shù)，提高電網(wǎng)的運(yùn)行效率，降低能耗，具體實(shí)施措施如下。

（1）優(yōu)化異步電動(dòng)機(jī)容量的選擇，確保異步電動(dòng)機(jī)始終保持趨近于滿載的運(yùn)行狀態(tài)。在該污水處理廠中，異步電動(dòng)機(jī)在保持空載運(yùn)行工況時(shí)，功率因數(shù)cosφ的數(shù)值在0.2-0.3之間;在保持滿載運(yùn)行工況時(shí)，其功率因數(shù)cosφ的數(shù)值在0.7-0.9之間。就此，技術(shù)人員將污水廠中平均負(fù)荷低于40%的異步電動(dòng)機(jī)，進(jìn)行更換處理，替換為小容量的異步電動(dòng)機(jī)，確保異步電動(dòng)機(jī)可在低負(fù)荷下保持滿載運(yùn)行，提高功率因數(shù)。

（2）優(yōu)化污水處理廠的生產(chǎn)工藝流程，創(chuàng)新用電設(shè)備的運(yùn)行方式，避免設(shè)備出現(xiàn)空載運(yùn)行，提升功率運(yùn)輸。例如，針對(duì)耗能較大的設(shè)備，技術(shù)人員對(duì)其進(jìn)行就地補(bǔ)償優(yōu)化，為鼓風(fēng)機(jī)提供就地補(bǔ)償電力電容器，將功率因數(shù)提升到0.95。

（3）定期開展異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)維檢修工作，保障異步電動(dòng)機(jī)各器件的質(zhì)量，避免異步電動(dòng)機(jī)的零件間隙過大，加大運(yùn)行負(fù)荷。

（4）針對(duì)污水處理廠的部分特定工藝條件，如引入大容量低轉(zhuǎn)速的水泵等，技術(shù)人員引入同步電動(dòng)機(jī)補(bǔ)償措施，通過同步電動(dòng)機(jī)的引入，使設(shè)備的過勵(lì)磁超前運(yùn)行成為可能，用于補(bǔ)償系統(tǒng)的感性無功功率，提高功率因數(shù)[1]。

2.2 無功補(bǔ)償措施

第一，抑制諧波。為避免諧波引發(fā)安全問題，采取多項(xiàng)措施抑制諧波，保障電網(wǎng)運(yùn)行安全。（1）在變頻器電源中配置電抗器，用于控制變頻器的開關(guān)次數(shù)，實(shí)現(xiàn)其安全可靠運(yùn)行;（2）在電網(wǎng)系統(tǒng)中配置無源或有源濾波器，并將電抗器與電容器串聯(lián)，吸收諧波電流，提升配電網(wǎng)的供電質(zhì)量，保障電壓參數(shù)的規(guī)范。在電抗器與電容器串聯(lián)操作中，技術(shù)人員將原本的無功補(bǔ)償柜為基礎(chǔ)，將電容器更換為抑制諧波性無功補(bǔ)償電容器，提高諧波電流抑制效率，保障企業(yè)運(yùn)行安全。

第二，明確電抗器電抗率。在采取電抗器與電容器串聯(lián)方案后，技術(shù)人員需結(jié)合污水處理廠配電網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)諧波源，明確電抗器的電抗率。根據(jù)技術(shù)人員檢測(cè)的數(shù)據(jù)，污水處理廠車間配電系統(tǒng)中產(chǎn)生的高次諧波主要為五次諧波，還含有7次諧波與3次諧波，后兩者出現(xiàn)的概率偏低。在諧波抑制中，5次以上的諧波需采取6%及以上電抗率的電抗器，由于3次波會(huì)在6%電抗率的電抗器中出現(xiàn)放大現(xiàn)象，引發(fā)諧振。所以技術(shù)人員將電抗器的電抗率設(shè)定為7%。

第三，明確電容器補(bǔ)償容量。在以往的工作中，污水處理廠的電容器容量由變壓器容量決定，取為變壓器容量的30%。但在電抗器與電容器串聯(lián)后，為避免無功補(bǔ)償容量不足或浪費(fèi)，技術(shù)人員重新計(jì)算無功需量，將泵的目標(biāo)功率因數(shù)設(shè)定為0.95，按照標(biāo)準(zhǔn)公式計(jì)算無功功率，最終選擇八組30kvar 450V的無功補(bǔ)償裝置，并配置抑制諧波電抗器，實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償柜的有效改造[2]。

采取上述改造方案后，5次波下降顯著，其他諧波也有所降低，且補(bǔ)償電容器不再出現(xiàn)過電流現(xiàn)象。另外，技術(shù)人員需結(jié)合其他變壓器的運(yùn)行工況，分析其是否存在諧波污染，并采取相應(yīng)的諧波抑制措施，提升污水處理廠的電能質(zhì)量，促進(jìn)其可持續(xù)發(fā)展。

3 結(jié)論

綜上所述，污水處理廠需提高對(duì)無功功率及功率因數(shù)的重視，采取有效措施提升功率因數(shù)，強(qiáng)化運(yùn)營(yíng)效益。借鑒該污水處理廠的成功經(jīng)驗(yàn)，通過諧波抑制，改造無功補(bǔ)償裝置，保障配網(wǎng)的安全運(yùn)行;通過自然因數(shù)提高措施，降低配網(wǎng)的能耗，提高設(shè)備運(yùn)行效益。

參考文獻(xiàn)

[1]張悅.試論污水處理廠電氣控制與變配電設(shè)備管理[J].中小企業(yè)管理與科技（下旬刊），2019（10）：14-15.

[2]馬建彬，韓海寧，邱俊華，郝華.有源電力濾波器在污水處理廠中的應(yīng)用[J].天津冶金，2016（05）：44-46.