中小型水利工程中排灌泵站的电容无功补偿方式设计
摘要：中小型水利工程是建设小康社会、发展农村经济的重要水利工程。但是由于中小型排灌泵站往往建设较早，不同程度上存在设计不规范，运行效率低、能耗大等缺点。在国家新农村建设的新形势下，应该依赖科技进步对中小型水利工程中的排灌泵站进行更新改造，降低能耗。
关键词：中小型水利工程；排灌泵站；无功补偿
我国国内目前有大中小型各类固定式排灌泵站接近50万座，其中中型泵站有4895座，其余大部分为小型泵站。这些提水排灌设施在防洪抗旱、减少自然灾害、解决某些地区生产生活用水方面发挥了极其重要的作用，在国民经济可持续发展和服务全面建设小康社会中占有非常重要的作用。但我国中小型泵站往往建设较早，使用时间较长，不同程度上存在着种种问题。
1. 中小型排灌泵站中的问题
由于认识方面或管理方面的原因，我国中小型排灌泵站存在以下的问题：
（1）设备陈旧老化、排灌效率低下
目前我国境内的中小型水利工程大部分建设较早，有超过两成的建设于六七十年代。尤其是部分排灌泵站都是边设计边施工，基本或完全没有考虑节能的问题。尽管部分泵站在八十年代进行了配套改造，更新了部分设备，但由于各种原因，泵站的装置效率仍不能达到国家标准。在泵扬程小于设计扬程的情况下，有些排灌泵站的流量只是设计流量的50-70%，效率很低。
（2）自动化程度低
由于泵的水力模型大多是六七十年代建立的，性能指标落后，新的模型难以引进。许多过时的机电设备不能得到及时更新，普遍缺少自动化监控设施和基本的信息化手段，难以实现泵站的优化调度和经济运行。
（3）未安装无功补偿装置
排灌泵站的电动机在使用中普遍存在的一个问题是没有安装合理的无功功率补偿。不仅浪费电能，而且因为功率因数不达标要多交电费。因为电动机的负载率与功率因数有着一一对应的关系，在电动机运行测试仪的基础上加装适当的控制部件后可作为无功补偿控制器动态投切低压电容进行就地无功补偿，能有效地提高功率因数，减少无功损耗，降低线损，节约电能。
由于我国中小型水利工程中排灌泵站中普遍存在的上述问题，导致泵站容易发生各式不良后果，主要体现在装置效率地下，能耗超标。我国机电排灌年平均耗电约180亿kWh，年平均耗油约250万吨，泵站平均装置效率只有40%左右，能源单耗高于国家标准20%-40%。
2. 无功补偿方式的设计
在电力系统中，由于电感、电容元件的存在，不仅系统中存在着有功功率，也存在着无功功率。虽然无功功率本身不消耗能量，只是在电源和负载间进行传输交换，但这种能量交换的过程会引起电能的损耗，使电网的实际功率增大，对系统产生一系列的负面影响。大多数平原地区兴建的排灌泵站选用轴流泵，其动力机采用鼠笼型感应电动机。由于设备时间较长，电机在正常运行时，均达不到其额定功率(约80%)，功率因数更低。过低的功率因数对电力系统的负面影响很大。首先，在保证变压器额定容量的前提下，负载的功率因数越低，变压器输出的有功功率越小，同时负载需变压器供给的无功功率越大。变压器的容量得不到充分利用，造成不必要的浪费;其次，过低的功率因数，使电路的电流越大，电路的电压损失和功率损失也就越大。提高功率因数的重要方法就是利用并联电容器进行无功功率补偿。由于其没有旋转部分，安装维修简单方便，无噪声，有功损耗小。
（1）无功补偿的原理
无功补偿的基本原理是把具有容性功率负荷的装置和感性负荷的装置并联在同一电路中，当容性负荷释放能量时，感性负荷吸收能量，而感性负荷释放能量时，容性负荷吸收能量，能量在两种负荷间交换。如图1所示，设电源的端电压为，感性负载的电流为，它超前电源电压90度，和的向量和为，由向量图可以知道，当并联电容器后，功率因数角减小，增加，也就是说功率因数提高，同时总电流减小，从而补偿了无功功率。
图1无功补偿的电路原理图
（2）补偿方式的选择和优化
无功补偿的方式一般可以分为集中补偿、分组补偿和就地补偿，其主要特点和适用范围如表1所示。高压电容无功补偿对提高总回路功率因数的效果最为显著。在功率、频率相同的条件下，电压较高时就可以用较小的电容量较大幅度地提高电网的功率因数。但对排灌泵站的节电效果不如低压供网和用电设备的直接补偿。集中补偿分为固定容量补偿和自动补偿，均可最大限度地挖掘变压器的容量潜力，增大负载能力。根据公式，当功率因数=1，有功功率等于变压器的视在功率S，而一般自然功率因数在0.6～0.7之间，如不进行补偿，泵站变压器的效率就很难提高。例如，1000kVA的变压器仅能提供600～700kW的有效功率。特别是自动补偿，功率因数可控制到0.95～0.98，其增容效果更为显著。电容器的充、放电功能，可以有效地稳定电压，提高供电质量。电容器的安装环境也可以选择有利于日常维护、保养的地方，有利于延长电容器的使用寿命。
为了提供较好的补偿效果并且降低投入，需要根据排灌泵站的供电形式进行全面细致的分析，针对生产中存在的问题，综合性地全方位考虑选择无功补偿的方式。当线路中只有高压电机时，可选择高压无功补偿，以提高功率因数为主要目的。而农田排灌一般是季节性用电，一般泵站功率较大，对电网冲击较大；有的水泵原理配电房，适合选用就地补偿的方式。
就地补偿的方式通过在电机等感性负载旁和电容器直接并联，与电机等同开、同停，停机后电容器通过电机直接放电，电容器不再另需放电装置。运行时，电机所需无功由电容器就地供给，能量交换距离最短，可以最大限度的降低线路的电流。在线路相同的条件下，线路损耗和电流的平方成正比，所以电容就地补偿，节电效果最好，投资也小，能够有效抑制设备瞬间出现的电流波动冲击电网。特别适合中小型水利工程中的排灌泵站应用。
表1并联电容器的补偿方式
补偿方式 安装地点 主要特点 适用范围
集中补偿 电容器一般装设在单独的高压电容器室内 前期投资较少，运行维护方便，但只能补偿高压母线以上的无功功率 大、中型工厂变配电所作高压无功补偿
分组补偿 接变电所低压母线，其电容器柜装设在低压配电室内 能补偿低压母线以上的无功功率，可使变压器的无功功率得到补偿，运行维护较方便 中、小型工厂作低压侧基本无功的补偿
就地补偿 装在用电设备附近，与用电设备并联 补偿范围最大，补偿效果最好。可减小配电线路截面，节省线路投资。但电容器的利用率一般不高，初期投资和维护费用较大 负荷相当平稳且长时间使用的大容量用电设备及某些容量虽小但数量多而分散的用电设备
并联电容器作无功补偿时应遵循分层分区、就地平衡的原则，具体说来，无功补偿总容量应满足整体(上一级)电力网对该配电网的无功补偿的要求，集中补偿与分散补偿相结合，同时还要注意与降低线路损耗、调整电压等其他措施相结合。
（3）补偿电容的计算
应根据其排灌泵站的负荷性质采用适当的无功补偿方式和容量，在任何情况下，不应向电网反送无功电力，并保证在电网负荷高峰时不从电网吸收无功电力。补偿电容一般可以按照下列公式计算：
上式也可以简化为：
其中为感性负载的实际功率，为补偿前的功率因数，为补偿后的功率因数。为补偿前负荷的自然功率因数，为补偿后的自然功率因数。这些数值的大小可以根据需要补偿的泵站参数得到，有些可以从电工手册上查表得到。以装机容量为2000kW的一个中小型泵站为例，若该站装设有2台变压器，单台容量1500kVA，假设补偿前功率因数为0.75，补偿后按电力部门规定的0.9计算，需要电容器补偿容量Q为
因此每台变压器的补偿容量为397.6kvar。此时可以选择3块BJ(F)型电容补偿盘，其中主盘1块，辅盘2块。
（4）变压器消耗无功的计算
其中，，为变压器无功总损耗，为变压器铁损中的无功损耗，为变压器铜损中的无功损耗，为变压器空载电流的百分数，为变压器额定容量，为变压器负荷电流，A，X为变压器的等值电抗。变压器铁损中的无功损耗与负荷电流大小无关，且一经带上电压即产生固定损耗无功损耗；变压器铜损中的无功损耗随负荷电流的大小变化而变化，且与负荷电流的平方成正比。
3. 电容补偿装置的配置
（1）固定容量补偿器
固定容量电容器的容量为变压器所需补偿的无功与负荷的总和。变压器消耗的无功中有一部分是与负荷电流的平方成比例的，而负荷所需的补偿容量更是与负荷的大小直接相关，即达到规定的功率因数所需的补偿容量是一个随负荷变化的量，而实际的补偿容量却是一个固定的量，不能调节．这样在负荷变化较大，选择在低值补偿时，由于无功补偿量不足，在重负荷时为欠补偿状态，影响电压质量。电压降增大，线路损耗增加，效果不明显。选择在高值补偿时，则在轻负荷时会出现过补偿、无功倒送等问题。
（2）可自动调节容量电容器
可自动调节的电容器补偿装置以电力系统无功功率平衡为目标。在高峰、平峰、低谷不同时段．采取了高峰时段投入备用无功量，无备用无功量时降低主变压器电压，减少负荷的无功需求；低谷时段退出全部无功补偿量仍处于过补偿状态时，提高主变压器电压，增加负荷的无功需求，促进系统的无功平衡。同时也使电源线路无功功率潮流减到最小值，取得最佳降损效果。常用的无功自动调节装置从原理上分为分组自动投切的无功补偿装置和调节电容器端电压的自动无功补偿装置两类。
4. 电容补偿的注意事项
在供电线路中，电阻、电感、电容三个参数相互影响，如果电容器的容量配置不当，不但起不到节电的作用，反而影响设备的安全运行，所以要注意防止过补或出现纯电阻电路，一般功率因数控制在0.93左右较好。另外，当需要补偿的容量相同时，采用△接线比采用Y接线可节约2/3的电容。高、低压及就地补偿各级所需补偿容量的大小，应按所带设备的实际情况，针对存在的主要问题综合考虑。尤其是自动补偿方式不能解决低压网络内部无功电流的流动，补偿容量大，投入资金高。固定补偿虽然投资小，但如果补偿的容量过大，在低负荷时，易出现过补现象。在开、停过程中电路涌流较大，容易损坏设备。
5. 结束语
中小型排灌泵站是重要的水利工程，目前普遍存在能耗高的缺点。采用无功补偿可以减少电费开支，改善用电质量，提高泵站设备动力。特别是采用就地补偿后，电力线路中的电流可以大大降低，电压损失减少，电动机和控制开关均很少发生故障，延长了使用寿命，是一项很好的节能增效措施，值得大力推广。我国中小型排灌泵站数量众多，多数没有安装电容补偿措施，应尽早作出补偿安排。
参考文献：
[1] 陈群.电网中的无功补偿及其经济效益[J].龙岩师专学报，2004，(S1)
[2] 曹金友.抽水泵站电容无功补偿的计算和推广[J].网络财富，2008，(08)
[3] 姚志学.无功补偿方式与节能效果[J].应用能源技术，1997，(03)
[4] DENGYM，RENXJ.Optimalcapacitorswitchingwithfuzzyloadmodelforradialdistributionsystem[J].IEEProc-GenerTransmandDistrib，2003，150(2):190-194.
[5] 吴沁园.企业并联电容无功补偿方式及容量的确定[J].供用电，2007，(02)
[6] 刘宏雄.综合性电容无功补偿方式的应用[J].节能，2002，(04)
[7] 李宝庆.电容无功补偿自动投切系统的简化设计[J].福州师专学报，1999，(03)
