无功补偿技术在供水水泵机组上的应用

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  摘要:随着电气自动化设备中的单相电力牵引负荷变化复杂和非线性因素增强,需要对电气自动化中的无功补偿技术进行深入研究。本文将以漳州开发区招商水务有限公司的水泵机组为例,分析无功补偿技术在水泵机组上的应用。可以看出无功补偿技术对于用户的降损节能具有重要作用,带来的经济效益是非常可观的。
  关键词:无功补偿 供水 水泵机组
  在水泵机组中,可以说变压器、异步电动机等电感性负荷是电网中消耗无功功率最多的设备。电网无功功率量消耗方面,变压器占20%左右,整流设备、电抗器及架空供电线路等占20%左右,其中异步电动机所占比例最多,达到了60%左右。可以看出,在水泵机组中,异步电动机、变压器及架空供电线路是消耗无功功率的主要因素。因此,需采用静态或动态无功补偿方式来提高企业的用电功率因数,以补偿水泵机组供用电设备所需的无功功率,促进企业的供用电设备经济合理运行,达到节约企业运营成本的目的。
  1 无功补偿的原理及方式
  1.1 无功补偿原理
  设Q为电感性负荷需要从电源吸取的无功功率,QC为加装电力电容器后的补偿无功功率,使电源输送的无功功率减少到Q′,功率因数cos?覬提高到cos?覬′,视在功率S减小到S′,可由图1看出。
  除以上叙述外,电力电容器所产生的无功补偿作用,还可以通过电流关系加以阐述。用电负荷的总电流由Ip(有功电流)及IQ(无功电流)两部分组成,以端电压U为基准,Ip与电压U的向量一致,Ic落后电压U90O,当电力电容器接入时,流入电力电容器的电流Ic将超前电压90O。容性电流Ic与感性电流IQ方向恰好相反,故可抵消一部分电感性电流,电感性无功电流由IQ降低为IQ′,总电流I减少到I′,功率因数角也由?覬变为?覬′,因此,功率因数得到了提高。如果补偿的电容电流等于电感电流,功率因数将等于1,这时无功功率全部由电力电容器供给,而电网只传输有功功率,电路图如图2所示、欠补偿向量如图3所示。
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  图2 电路图
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  图3 欠补偿向量图
  1.2 无功补偿的方式
  1.2.1 静态无功补偿
  ①就地补偿。该方式在低压网路中应用的比较广泛,一般在用电设备的附近直接接入电力电容器,并和用电设备合用一套开关,同时投入运行或断开。该方式的优点是补偿效果好,但电力电容器的利用率低。因此,该方式适用于连续运行的用电设备且容量较大时,所需补偿的无功负荷较大。②分散补偿。该方式一般在各车间配电盘的母线上分别安装电力电容器组。可以使变电所至车间的线路以及受电变压器由于无功负荷减少而得到补偿的效果。与就地补償方式相比,分散补偿所需容量较少,电容器组的利用率较高。③集中补偿。该方式通常是在变电所或配电所的高压或低压母线上接入电力电容器组,需按变配电所的总无功负荷来选择电容器组的容量,该方式的电力电容器组利用率较高,可减少供电线路及电网、用户变压器的无功负荷,但不能减少用户内部配电网路的无功负荷。对于以上所介绍的三种静态无功补偿方式,在实际应用过程中,在了解企业供电容量、供电电压等级以及负荷分布等情况的基础上,根据无功的需要来作出选择。对于大型企业,可综合应用以上三种方式,在采用就地补偿及分散补偿的基础上,再采用集中补偿,以补偿前两种方式未补偿的无功功率,以达到最佳的补偿效果。
  1.2.2 动态无功补偿.
  对于企业而言,其用电负荷处在一个不断变化的状态中,随着用电负荷的变化,进而也造成了用电功率因数的变化,在这种状态下,若无功补偿容量不随着变化,就会产生无功补偿容量过补或欠补的现象。因此,需采用动态无功补偿装置来自动调节企业无功补偿容量,以保证企业用电功率因数的实时合理化。动态无功补偿装置可将一定的动态补偿容量分成若干个由相等容量或不等容量电力电容器构成的组,每个组可通过控制无功功率或无功电流来实现自动投切控制,以调节无功补偿容量。低压动态无功补偿装置所体现的功能主要包括以下几个方面:①取样信号测量系统为三相电子测量或三相模拟测量,补偿精确度及节能效果较好。②取样物理量为无功电流,满量程动态跟踪补偿,没有投切振荡及补偿呆区。③可模糊逻辑控制或用户自行整定投切门限。④可实时自动跟踪无功功率,且响应速度快,对于冲击负荷的补偿和频繁波动的负荷特别适用,实现电容器投切智能化。⑤采用大功率电力电子器件组成无触点交流开关,可无过渡投切电容器。⑥在投切过程中,无操作过电压、浪涌冲击、电弧重燃等现象,系统电压稳定,电压闪变得到抑制,谐波分量可被部分吸
  收。
  2 招商水务水泵机组无功补偿系统存在的问题
  2.1 招商水务现有水泵机组为:电压等级380V、165KW和250KW的异步电动机各一台,380V、49KW的异步电动机两台。165KW和250KW的水泵机组采取变频启动,49KW机组采用软启动控制。变压器10kv/0.4kv、800KVAR。招商水务主要用电设备主要是电感性设备(如电机、变压器),电感性设备工作时需要先建立一个工作磁场,但是建立这个磁场,需要一个能量(或者说:需要一个功率),这个能量在电机工作中不会损耗,但是一直得存在,这个能量就是无功电能,它不对外做功,也不损耗。由于存在这个无功功率的需求,所以感性负载的功率因数底,而且感性设备(电机、变压器等等)越是空载功率因数就越低。由感性负载的存在,造成整个交流点系统的功率因数过低,直接影响电能的利用率,也增加了企业的经济负担。
  2.2 招商水务水泵机组原配电系统采用高压集中补偿方式。在招商水务厂内变电所加装10kV高压电容柜进行补偿,为了使补偿后的配电系统功率因数达到《功率因数调整电费办法》及相关规范要求,需要投放较高的电容容量。这就造成了过补偿、电压质量变坏、母线电压升高等现象的产生,甚至是用电设备的损坏。
  2.3 招商水务无功补偿采用延时投切方式即俗称的“静态”补偿方式。该方法的采用造成了无功补偿容量配置不合理,补偿电容为整组投切,低负荷时过补偿产生,高负荷时功率因数太低,不能根据负荷变化做到就地平衡。
  从上述问题可以看出,对于负荷较大的公用变压器,要在配变低压侧加装电容器组进行无功补偿。在受电端安装无功补偿装置,可以避免高压集中补偿引起补偿不到位甚至过补偿,也能在源头上减少负荷的无功功率损耗,提高电能的利用率,节约能源,减少企业电费开支。
  3 无功补偿技术在水泵机组的应用要点
  3.1 影响水泵机组功率的主要因素
  3.1.1 异步电动机及电力变压器是消耗无功功率的主要设备。其中,对于异步电动机而言,其定子与转子之间的气隙是造成其消耗较多无功功率的决定性因素。电动机无功功率消耗分工为:电动机消耗无功功率=空载时无功功率+一定负载下的无功功率,因此,需要防止电动机空载运行,以提高其负载率。变压器的无功功率消耗主要因素是其空载无功功率与负载率,因此,需要防止变压器空载运行或长期低负载运行。
  3.1.2 功率因数也受到供电电压的影响,若供电电压超出所规定的范围,无功功率会增长较快,一般供电电压若高于额定值10%,无功功率受磁路饱和影响会快速增长,若增到35%左右,则应采取相关措施来维持电力系统供电电压的稳定。
  3.1.3 异步电动机和变压器磁化无功功率也会受到电网频率波动的影响,因此需要采取相关措施来防止电网频率的波动。
  3.1.4 大规模集成化控制电路。实现大规模集成化控制电路是无功补偿装置的发展趋势。可使无功补偿装置更加智能、简便、迅速、专业、经济、合理。
  3.2 無功补偿技术在供水公司水泵机组的应用
  3.2.1 采用SCOTT(斯科特)变压器等特殊供电方式。可将功补滤波装置装设在SCOTT(斯科特)变压器上以提高配电系统的功率因数,补偿装置电路接于主变压器的牵引绕组上,由串联的电抗器和电容器组成,并用晶闸管电子开关投切。对于低次谐波频率(3、5、7次),补偿电路呈低阻抗性,它吸收整流桥返回的低次谐波电流,降低了输出谐波的电流分量;对于50Hz的工频,补偿电路呈容性,向电网返回超前的无功电流,起到无功补偿的作用。
  3.2.2 低压随器补偿。低压随器补偿是指将低压电容器通过低压保险接在配电变压器二次侧,以补偿配电变压器空载无功的补偿方式。低压随器补偿的采用主要是为了解决变压器容量不足问题,以在水泵机组低压配电室内进行低压无功补偿。由于配变空载无功是用电单位无功负荷的主要部分,因此需要采用该方法以减少总体供电量损耗。
  3.2.3 集中跟踪补偿。集中跟踪补偿是以无功补偿投切装置作为控制保护装置,将低压电容器组补偿在0.4KV母线上的无功补偿装置。其优点是运行灵活、可靠稳定、维护量小、寿命长、补偿效果佳,但也存在缺点,那就是前期投入较大。
  3.2.4 结合片区情况确定变电站无功补偿容量。应该增强220kV 变电站的无功调节能力,使功率因数在高峰负荷时达到0.98 左右,但调节容量因地而异。变电站的无功补偿应立足于对变低侧负荷和变压器的无功补偿,配置合理的补偿容量,防止无功倒送的发生,从表1、表2可看出功率因数调整所产生的经济效益。
  3.2.5 控制器的设计。为了满足跟踪补偿的要求,控制器的设计要考虑到检测方法的快速与简单;同时为了提高装置的可靠性,还应考装置闭锁及虑晶闸管的可靠触发、抗干扰等问题。无功功率补偿装置的响应时间是补偿装置性能的重要指标之一,因此,电容器的投切装置可用晶闸管代替传统的接触器,因为晶闸管投切装置从网络检测、运算到触发晶闸管模块,直至投切电容器组实现无功补偿,总的响应时间≤20ms,大大优于接触器投切装置的响应时间。另外,安装使用无功补偿控制器,可提高供电系统配电线路功率因数,降低线路损耗。
  动态无功功率补偿装置采用电流过零触发技术也可防止和减小在电容器投入时所产生的浪涌电流(浪涌电流过大会影响电容器的寿命),以避免浪涌电流对电容器及电子开关等器件所造成损伤,延长晶闸管模块及电容器的使用寿命。
  4 招商水务净水厂0.4KV侧补偿方案
  为保证供水可靠性,招商水务净水厂0.4KV侧采用了集中跟踪电容器补偿方式。安装了两套20Kvar×12电容器补偿装置,共投入资金24.52万元人民币。将0.4KV侧功率因数0.8左右提高至0.93左右。经济效益计算如下:
  4.1 250KW电动机每小时节省电费:250×K1×K2×1.3%=250×0.8×0.77×1.3%=2.002(元)
  K1—电动机综合负荷系数;K2—综合平均电价(元/Kw.h)
  250KW电动机每年节省电费:2.002×8760=17537.5(元)
  4.2 160KW电动机每小时节省电费:160×K1×K2×1.3%=250×0.8×0.77×1.3%=1.28128(元)
  K1—电动机综合负荷系数;K2—综合平均电价(元/Kw.h)
  160KW电动机每年节省电费:1.28128×8760=11224(元)
  4.3 两台49KW电动机每小时节省电费:2×49×K1×K2×1.3%=250×0.8×0.77×1.3%=0.784784(元)
  K1—电动机综合负荷系数;K2—综合平均电价(元/Kw.h)
  两台49KW电动机每年节省电费:0.784784×8760=6874.8(元)
  4.4 电动机每年一共节省电费:
  17537.5+11224+6874.8=35636.3(元)
  4.5 投次收回年限:245200÷35636.3=6.88(年)
  由此可见,招商水务净水厂采用集中跟踪补偿方式取得不错的经济效益,同时提高了工厂电能质量,提高了供水可靠性。
  5 结论
  文章在介绍无功补偿的原理及方式的基础上,分析了影响水泵机组功率因数的主要因素以及提高功率因数的方法,并探讨无功补偿技术在供水公司水泵机组的应用以及应用后所带来的经济效益和社会效益,以促进供水公司节能生产,提高供水公司经营成本,并为其它企业类似问题的解决提供参考和借鉴。
  参考文献:
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