排灌泵站供配電系統(tǒng)建設中無功補償方式的探討

甘衛(wèi)國

隨著異步交流電動機等電感性負載的廣泛使用，供配電系統(tǒng)中經常流動著大量的感性無功電流。這些無功電流占用大量的設備容量，同時增加了線路輸送電流，增加了線路損耗，使電力設備得不到充分利用。

無功補償裝置在供配電系統(tǒng)中能起到提高電網的功率因數，降低配電變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環(huán)境的作用，是供配電系統(tǒng)中不可或缺的重要設施。合理地選擇無功補償裝置容量與補償方式，可以有效減少供電網絡的損耗，提高受電端電壓質量。反之，如選擇或使用不當，可能造成供電系統(tǒng)電壓波動、諧波增大等諸多問題。

一、電力行業(yè)對功率因數的要求

《電力系統(tǒng)無功補償及調壓設計技術導則》（DL/T 5554-2019）對電力用戶的無功補償要求：高壓供電的用戶在最大負荷時功率因數宜為0.90 以上，小負荷時不應向電網倒送無功。其他100kVA（kW）及以上電力用戶和大中型電力排灌站，功率因數宜為0.85 以上。

電力用戶應根據其負荷的無功需求，設計和安裝無功補償設備，其功率因數應達到0.95 以上。為此泵站應在提高用電自然功率因數的基礎上，設計和裝設無功補償設備，并做到隨負荷和電壓變動及時投入和切除，提高功率因數，并且防止無功電力倒送。

二、無功補償裝置分類

無功補償設備主要分靜態(tài)無功補償和動態(tài)無功補償兩種類型。靜態(tài)無功補償設備包括并聯(lián)電容器、并聯(lián)電抗器；動態(tài)無功補償設備包括靜止無功補償器、靜止無功發(fā)生器、調相機、可控高壓并聯(lián)電抗器等。排灌泵站一般采用靜態(tài)無功補償設備可滿足無功補償需求。在排灌泵站電動機型式選擇中，單機容量在630kVA 及以上電動機，一般選用同步電動機；單機容量在630kVA 以下的電動機，通常選用異步電動機。

1.同步電動機無功補償裝置

同步電動機的電樞繞組一般在定子上，勵磁繞組在轉子上。勵磁繞組由直流電流激勵，直流勵磁電流通過靜止的碳刷與集電環(huán)之間的滑動接觸而被導入勵磁繞組。同步電動機需要配備獨立的勵磁直流電源，形成不變磁場，使得轉子與定子旋轉磁場同步，故在額定負載中可保持功率因數在0.95 以上，同時在負載變化時可通過調整勵磁電流保持功率因數恒定。此類電機無需配置專用的無功補償裝置。

2.異步電機無功補償裝置

異步電機是定子送入交流電，產生旋轉磁場，而轉子受感應而產生磁場，磁場作用使得轉子跟著定子的旋轉磁場而轉動。其中轉子比定子旋轉磁場慢，兩者不同步。異步電動機的轉子主要有兩種：繞線式轉子與鼠籠式轉子。異步電動機在額定負載中的功率因數通常在0.6～0.90 之間，極對數不同功率因數相差較大，同時在負載變化時功率因數也會出現(xiàn)較大波動，為滿足電力系統(tǒng)對用戶側功率因數要求，此類電機必須配置專用的無功補償裝置。

三、現(xiàn)行主要無功補償的安裝方式與優(yōu)缺點

目前，泵站無功補償方式主要有：集中補償、就地補償兩種。兩種補償方式比較如表1。

表1 補償方式的比較表

四、泵站無功補償的方式選擇

1.低壓電動機無功補償方式

對于電動機電壓等級為380V 的泵站，由于國產控制器可以做到20 路，且性能穩(wěn)定，建議采用集中無功補償方式。

2.10kV 電動機的無功補償方式

對于總裝機臺數較少，運行工況穩(wěn)定、啟停不頻繁的異步電動機，建議采用單機就地補償方式。補償容量確定時，需充分考慮可能的運行負荷波動時機組功率因數的變化，建議設計工況下按功率因數在0.94～0.96 之間來確定容量，避免電容器和電動機產生自激電壓。

泵站總裝機臺數較多、啟停較為頻繁的異步電動機，建議采用集中補償方式。但在設計補償裝置分組容量與總容量時，需充分考慮泵站各種運行工況下，通過投切不同容量的分組補償裝置，保證始終滿足電力系統(tǒng)的要求。

五、電容器選擇注意事項及效益分析

1.合理選擇電容器電壓等級

選擇電容器時，應按《并聯(lián)電容器裝置設計規(guī)范》（GB50227-2017）第5.2.2 條要求合理確定電容器電壓與線路電壓相匹配，一般不得低于線路電壓的1.1 倍。

2.考慮線路電壓對電容器容量的影響

電容器的容量與電壓的平方成正比，故在進行補償容量計算時，必須考慮電容器的電壓對電容器容量的影響，以免造成無功補償容量不足，從而造成功率因數不能滿足當地供電部門的要求。如：額電電壓為0.45kV、額定容量為10kVar 的電容器在0.4kV 線路中，其實際容量只有7.90kVar。

3.無功補償效益分析

某中型排灌泵站，裝機為5 臺560kW 異步電動機，額定功率因數0.77，額定效率0.935。按照將本站功率因數補償至0.95 計算，需要配置一套2000kVar 的集中補償裝置，購置費用約為25 萬元。

按照《功率因數調整電費辦法》規(guī)定，各功率因數電能費用增減情況如表2。

表2 各功率因數電能費用增減情況表

如本站不裝設無功補償裝置，電動機額定功率因數為0.77，實際執(zhí)行電價為原價的1.065 倍；如本站裝設無功補償裝置，補償后電動機額定功率因數為0.95，實際執(zhí)行電價為原價的0.925 倍。

按照泵站年利用小時數300 小時、基準電費 0.54 元/kW·h 計算，補償前年電費約為67.1 萬元，補償后年電費約為58.3萬元，年節(jié)省電費約8.8萬元。按照無功補償設備費用25 萬元折算，3年后即可收回投資。因此，在本泵站中配置無功補償裝置經濟效益突出。

六、結語

異步電動機是中小型電力排灌站的主要用電設備。針對運行過程中異步電動機較低的功率因數，選擇一種合理高效的無功補償方式，對降運行成本、提高設備效率、滿足電力系統(tǒng)要求都有重要的意義。綜上，集中補償、就地補償各有優(yōu)劣，在條件具備的前提下，盡量采用集中補償方式