文/于洪帥

1 概述

電網(wǎng)上的用電設(shè)備，需要適量無功功率才能運行，無功是維持電網(wǎng)正常工作的必不可少的因素，對電網(wǎng)的安全運行起到至關(guān)重要的作用。電網(wǎng)中的電力負(fù)荷如電動機、變壓器等，大部分屬于感性負(fù)荷，在運行過程中這些設(shè)備需要適量無功功率。在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器等無功補償設(shè)備以后，可以提供感性負(fù)載所消耗的無功功率，減少電網(wǎng)電源向感性負(fù)荷提供、由線路輸送的無功功率。由于減少了無功功率在電網(wǎng)中的流動，可以降低線路和變壓器因輸送無功功率造成的電能損耗。

無功功率補償裝置在電力系統(tǒng)中所承擔(dān)的作用是提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，降低供電變壓器及輸送線路的損耗、提高供電效率和改善供電質(zhì)量等。無功補償?shù)膫鹘y(tǒng)方式為直接在母線或線路上并聯(lián)電力電容器，通過合理的選擇電容器的容量，這種方式可以滿足電力系統(tǒng)對于補償后功率因數(shù)的要求，電氣設(shè)備數(shù)量較少，接線簡單明了，應(yīng)用廣泛。

在市政工程的大型城市排澇泵站中，主要用電設(shè)備是雨水泵的電機。根據(jù)樣本和現(xiàn)場經(jīng)驗數(shù)據(jù)，大型城市排澇泵站電機電壓為10kV，單臺電機功率在400kW～2000kW之間，功率因數(shù)一般在0.65～0.85之間，電機數(shù)量保持在3～10臺之間。在大型城市排澇泵站工程中，如果采用高壓母線上并聯(lián)電力電容器的方法，存在著控制不靈活、檢修不方便等缺點，因而在實際工程中，多采用在水泵電機現(xiàn)場進行就地補償。

就地補償具體實施方式是將高壓電容器組與電動機并聯(lián)在高壓配電柜的出線側(cè)，通過控制、保護裝置與電機同時投切。隨機補償適用于補償電動機的無功消耗，以補償磁無功為主，此種方式可有效減小開關(guān)、電纜回路的電流，適當(dāng)減輕開關(guān)和電纜的負(fù)擔(dān)。就地補償?shù)膬?yōu)點是用電設(shè)備運行時，無功補償投入，用電設(shè)備停運時，補償設(shè)備也退出，不需要頻繁調(diào)整補償容量。具有投資少、占空間小、安裝容易、配置方便靈活、維護簡單、事故率低等特點。

2 就地?zé)o功補償容量選擇

就地?zé)o功補償容量有多種計算方式，本文主要介紹目標(biāo)功率因數(shù)法和空載電流法兩種。下面對這兩種方法分別進行介紹：

2.1 目標(biāo)功率因數(shù)法

目標(biāo)功率因數(shù)法是最常見的無功補償容量計算方法，其計算原理是計算目標(biāo)功率因數(shù)對應(yīng)的無功容量與當(dāng)前電機實際功率因數(shù)對應(yīng)的無功容量進行差值計算，得到就地?zé)o功補償?shù)挠嬎闳萘俊?/p>

公式如下：

其中：

Q--------需要無功補償容量，即無功補償裝置輸出無功量，kVar；

P1---------電動機的輸入功率，kW；

cos -----電動機補償前的功率因數(shù)；

cos 1----電動機補償后目標(biāo)功率因數(shù)；

其中，P1電動機的輸入功率通過下式計算：

式中：

PN----電動機額定輸出功率，kW

β-----電動機負(fù)載率

η-----電動機效率

2.2 空載電流法

在無功就地補償中，由于在末端無功補償裝置與中壓電機末端進行并聯(lián)，如果無功補償容量和電機容量不匹配，在斷開電源時，電機端電壓不立即下降為0，有時反而異常升高，然后隨著轉(zhuǎn)速下降。這種現(xiàn)象稱為電動機的自勵磁現(xiàn)象，其原因是因為電源斷開后，已經(jīng)充電的電容器對電動機放電，此電流給異步電動機勵磁，使異步電動機變?yōu)楫惒桨l(fā)電機運行。

在實際工程中，計算無功補償容量的設(shè)計階段，通常中標(biāo)設(shè)備廠家未確定，因而得不到準(zhǔn)確的電機空載電流參數(shù)，此時查閱廠家電機樣本值可得到類似工程項目的空載電流值Ιo作為計算參考依據(jù)，待后期得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)后再進行核驗。

按照空載電流法進行計算，得到電機空載運行時無功補償?shù)男枰萘浚?/p>

式中：Q----需要無功補償容量，kVar；

Uc-----額定電壓，kV；

Ιo-----電動機空載電流，A；

Kf----補償裕量系數(shù)，取0.9；

2.3 安裝容量與輸出容量換算

通過上面2.1目標(biāo)功率因數(shù)法和2.2空載電流法，可以得到無功補償容量值。實際工程中，一般采用目標(biāo)功率因數(shù)法計算，之后采用空載電流法進行復(fù)核，以確保無功補償裝置效果良好并避免自勵磁現(xiàn)象。

采用這兩種方法計算出來的無功補償容量為系統(tǒng)所需要無功補償容量，即該值為無功補償裝置的輸出值。而無功補償裝置，由于運行電壓、串聯(lián)電抗值等因素的存在，其安裝容量和輸出容量是有區(qū)別的。無功補償設(shè)備廠家一般是按照安裝容量來標(biāo)示，故應(yīng)根據(jù)無功補償?shù)妮敵鲋祦碛嬎銦o功補償?shù)陌惭b容量。

式中：

Ug----電容器裝置運行電壓值，kV；

Un----系統(tǒng)額定電壓值，kV；

K-----電容器裝置電抗率；

設(shè)電容器的實際需要無功補償容量為Q，設(shè)計容量為Qc，則有

式中：

Qc----電容器裝置設(shè)計無功補償容量，kVar；

Uc----電容器裝置設(shè)計電壓值，kV；

Un----系統(tǒng)額定電壓值，kV；

公式（5）計算得到的設(shè)計容量Qc就是無功補償裝置的安裝容量。

2.4 計算實例

例：以武漢某大型城市排澇泵站為例，已知水泵電機額定電壓10kV，功率630kW，額定負(fù)載時，電機效率為0.955，功率因數(shù)為0.82，額定電流為48.2A，空載電流為17.4A，試對無功補償容量進行選型。

第一步：采用目標(biāo)功率因數(shù)法，先確定補償后的功率因數(shù)，此處取0.95。并根據(jù)公式（2）計算得到電機的輸入功率。

第二步：采用目標(biāo)功率因數(shù)法，計算需要無功補償容量。

第三步：采用空載電流法公式（4），計算得到自勵磁時對應(yīng)的無功補償容量值。

第四步：判斷無功補償容量值是否會產(chǎn)生自勵磁。由于目標(biāo)功率因數(shù)法計算得到的無功補償輸出容量為243.4kVar＜271.2kVar；故避開了電機的自勵磁點，滿足要求。

第五步：計算無功補償裝置的安裝容量。

查閱廠家相應(yīng)樣本，與計算結(jié)果相近的安裝容量值為280kVar，故取無功補償裝置安裝容量為280kVar。從工程現(xiàn)場運行情況來看，該值較為合理，效果較好，額定負(fù)載運行時，無功補償裝置投入后功率因數(shù)達到了0.95，達到了設(shè)計要求。

3 結(jié)語

無功功率補償裝置在電力系統(tǒng)中起到十分重要的作用，它提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，降低供電變壓器及輸送線路的損耗、提高供電效率，無功功率補償裝置在電力配電系統(tǒng)中處在一個不可或缺的重要位置。本文結(jié)合市政建設(shè)中的大型城市排澇泵站中無功就地補償裝置的選型計算，對就地安裝無功容量的計算方法進行了梳理，希望對其他電氣同仁和類似工程產(chǎn)生幫助。