摘要：中小型水利工程是建設(shè)小康社會(huì)、發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的重要水利工程。但是由于中小型排灌泵站往往建設(shè)較早，不同程度上存在設(shè)計(jì)不規(guī)范，運(yùn)行效率低、能耗大等缺點(diǎn)。在國(guó)家新農(nóng)村建設(shè)的新形勢(shì)下，應(yīng)該依賴科技進(jìn)步對(duì)中小型水利工程中的排灌泵站進(jìn)行更新改造，降低能耗。
　　關(guān)鍵詞：中小型水利工程；排灌泵站；無功補(bǔ)償
　　我國(guó)國(guó)內(nèi)目前有大中小型各類固定式排灌泵站接近50萬座，其中中型泵站有4895座，其余大部分為小型泵站。這些提水排灌設(shè)施在防洪抗旱、減少自然災(zāi)害、解決某些地區(qū)生產(chǎn)生活用水方面發(fā)揮了極其重要的作用，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和服務(wù)全面建設(shè)小康社會(huì)中占有非常重要的作用。但我國(guó)中小型泵站往往建設(shè)較早，使用時(shí)間較長(zhǎng)，不同程度上存在著種種問題。
　　1. 中小型排灌泵站中的問題
　　由于認(rèn)識(shí)方面或管理方面的原因，我國(guó)中小型排灌泵站存在以下的問題：
　　（1）設(shè)備陳舊老化、排灌效率低下
　　目前我國(guó)境內(nèi)的中小型水利工程大部分建設(shè)較早，有超過兩成的建設(shè)于六七十年代。尤其是部分排灌泵站都是邊設(shè)計(jì)邊施工，基本或完全沒有考慮節(jié)能的問題。盡管部分泵站在八十年代進(jìn)行了配套改造，更新了部分設(shè)備，但由于各種原因，泵站的裝置效率仍不能達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。在泵揚(yáng)程小于設(shè)計(jì)揚(yáng)程的情況下，有些排灌泵站的流量只是設(shè)計(jì)流量的50-70%，效率很低。
　　（2）自動(dòng)化程度低
　　由于泵的水力模型大多是六七十年代建立的，性能指標(biāo)落后，新的模型難以引進(jìn)。許多過時(shí)的機(jī)電設(shè)備不能得到及時(shí)更新，普遍缺少自動(dòng)化監(jiān)控設(shè)施和基本的信息化手段，難以實(shí)現(xiàn)泵站的優(yōu)化調(diào)度和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
　　（3）未安裝無功補(bǔ)償裝置
　　排灌泵站的電動(dòng)機(jī)在使用中普遍存在的一個(gè)問題是沒有安裝合理的無功功率補(bǔ)償。不僅浪費(fèi)電能，而且因?yàn)楣β室驍?shù)不達(dá)標(biāo)要多交電費(fèi)。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)的負(fù)載率與功率因數(shù)有著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行測(cè)試儀的基礎(chǔ)上加裝適當(dāng)?shù)目刂撇考�后可作為無功補(bǔ)償控制器動(dòng)態(tài)投切低壓電容進(jìn)行就地?zé)o功補(bǔ)償，能有效地提高功率因數(shù)，減少無功損耗，降低線損，節(jié)約電能。
　　由于我國(guó)中小型水利工程中排灌泵站中普遍存在的上述問題，導(dǎo)致泵站容易發(fā)生各式不良后果，主要體現(xiàn)在裝置效率地下，能耗超標(biāo)。我國(guó)機(jī)電排灌年平均耗電約180億kWh，年平均耗油約250萬噸，泵站平均裝置效率只有40%左右，能源單耗高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)20%-40%。
　　2. 無功補(bǔ)償方式的設(shè)計(jì)
　　在電力系統(tǒng)中，由于電感、電容元件的存在，不僅系統(tǒng)中存在著有功功率，也存在著無功功率。雖然無功功率本身不消耗能量，只是在電源和負(fù)載間進(jìn)行傳輸交換，但這種能量交換的過程會(huì)引起電能的損耗，使電網(wǎng)的實(shí)際功率增大，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生一系列的負(fù)面影響。大多數(shù)平原地區(qū)興建的排灌泵站選用軸流泵，其動(dòng)力機(jī)采用鼠籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。由于設(shè)備時(shí)間較長(zhǎng)，電機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，均達(dá)不到其額定功率(約80%)，功率因數(shù)更低。過低的功率因數(shù)對(duì)電力系統(tǒng)的負(fù)面影響很大。首先，在保證變壓器額定容量的前提下，負(fù)載的功率因數(shù)越低，變壓器輸出的有功功率越小，同時(shí)負(fù)載需變壓器供給的無功功率越大。變壓器的容量得不到充分利用，造成不必要的浪費(fèi);其次，過低的功率因數(shù)，使電路的電流越大，電路的電壓損失和功率損失也就越大。提高功率因數(shù)的重要方法就是利用并聯(lián)電容器進(jìn)行無功功率補(bǔ)償。由于其沒有旋轉(zhuǎn)部分，安裝維修簡(jiǎn)單方便，無噪聲，有功損耗小。
　　（1）無功補(bǔ)償?shù)脑��?br /> 　　無功補(bǔ)償?shù)幕�本原理是把具有容性功率�?fù)荷的裝置和感性負(fù)荷的裝置并聯(lián)在同一電路中，當(dāng)容性負(fù)荷釋放能量時(shí)，感性負(fù)荷吸收能量，而感性負(fù)荷釋放能量時(shí)，容性負(fù)荷吸收能量，能量在兩種負(fù)荷間交換。如圖1所示，設(shè)電源的端電壓為，感性負(fù)載的電流為，它超前電源電壓90度，和的向量和為，由向量圖可以知道，當(dāng)并聯(lián)電容器后，功率因數(shù)角減小，增加，也就是說功率因數(shù)提高，同時(shí)總電流減小，從而補(bǔ)償了無功功率。
　　圖1無功補(bǔ)償?shù)碾娐吩�理圖
　　（2）補(bǔ)償方式的選擇和優(yōu)化
　　無功補(bǔ)償?shù)姆绞揭话憧梢苑譃榧�中補(bǔ)償、分組補(bǔ)償和就地補(bǔ)償，其主要特點(diǎn)和適用范圍如表1所示。高壓電容無功補(bǔ)償對(duì)提高總回路功率因數(shù)的效果最為顯著。在功率、頻率相同的條件下，電壓較高時(shí)就可以用較小的電容量較大幅度地提高電網(wǎng)的功率因數(shù)。但對(duì)排灌泵站的節(jié)電效果不如低壓供網(wǎng)和用電設(shè)備的直接補(bǔ)償。集中補(bǔ)償分為固定容量補(bǔ)償和自動(dòng)補(bǔ)償，均可最大限度地挖掘變壓器的容量潛力，增大負(fù)載能力。根據(jù)公式，當(dāng)功率因數(shù)=1，有功功率等于變壓器的視在功率S，而一般自然功率因數(shù)在0.6～0.7之間，如不進(jìn)行補(bǔ)償，泵站變壓器的效率就很難提高。例如，1000kVA的變壓器僅能提供600～700kW的有效功率。特別是自動(dòng)補(bǔ)償，功率因數(shù)可控制到0.95～0.98，其增容效果更為顯著。電容器的充、放電功能，可以有效地穩(wěn)定電壓，提高供電質(zhì)量。電容器的安裝環(huán)境也可以選擇有利于日常維護(hù)、保養(yǎng)的地方，有利于延長(zhǎng)電容器的使用壽命。
　　為了提供較好的補(bǔ)償效果并且降低投入，需要根據(jù)排灌泵站的供電形式進(jìn)行全面細(xì)致的分析，針對(duì)生產(chǎn)中存在的問題，綜合性地全方位考慮選擇無功補(bǔ)償?shù)姆绞健．?dāng)線路中只有高壓電機(jī)時(shí)，可選擇高壓無功補(bǔ)償，以提高功率因數(shù)為主要目的。而農(nóng)田排灌一般是季節(jié)性用電，一般泵站功率較大，對(duì)電網(wǎng)沖擊較大；有的水泵原理配電房，適合選用就地補(bǔ)償?shù)姆绞健?br /> 　　就地補(bǔ)償?shù)姆绞酵ㄟ^在電機(jī)等感性負(fù)載旁和電容器直接并聯(lián)，與電機(jī)等同開、同停，停機(jī)后電容器通過電機(jī)直接放電，電容器不再另需放電裝置。運(yùn)行時(shí)，電機(jī)所需無功由電容器就地供給，能量交換距離最短，可以最大限度的降低線路的電流。在線路相同的條件下，線路損耗和電流的平方成正比，所以電容就地補(bǔ)償，節(jié)電效果最好，投資也小，能夠有效抑制設(shè)備瞬間出現(xiàn)的電流波動(dòng)沖擊電網(wǎng)。特別適合中小型水利工程中的排灌泵站應(yīng)用。
　　表1并聯(lián)電容器的補(bǔ)償方式
　　補(bǔ)償方式 安裝地點(diǎn) 主要特點(diǎn) 適用范圍
　　集中補(bǔ)償 電容器一般裝設(shè)在單獨(dú)的高壓電容器室內(nèi) 前期投資較少，運(yùn)行維護(hù)方便，但只能補(bǔ)償高壓母線以上的無功功率 大、中型工廠變配電所作高壓無功補(bǔ)償
　　分組補(bǔ)償 接變電所低壓母線，其電容器柜裝設(shè)在低壓配電室內(nèi) 能補(bǔ)償?shù)蛪耗妇�以上的無功功率，可使變壓器的無功功率得到補(bǔ)償，運(yùn)行維護(hù)較方便 中、小型工廠作低壓側(cè)基本無功的補(bǔ)償
　　就地補(bǔ)償 裝在用電設(shè)備附近，與用電設(shè)備并聯(lián) 補(bǔ)償范圍最大，補(bǔ)償效果最好。可減小配電線路截面，節(jié)省線路投資。但電容器的利用率一般不高，初期投資和維護(hù)費(fèi)用較大 負(fù)荷相當(dāng)平穩(wěn)且長(zhǎng)時(shí)間使用的大容量用電設(shè)備及某些容量雖小但數(shù)量多而分散的用電設(shè)備
　　并聯(lián)電容器作無功補(bǔ)償時(shí)應(yīng)遵循分層分區(qū)、就地平衡的原則，具體說來，無功補(bǔ)償總?cè)萘繎?yīng)滿足整體(上一級(jí))電力網(wǎng)對(duì)該配電網(wǎng)的無功補(bǔ)償?shù)囊�求，集中補(bǔ)償與分散補(bǔ)償相結(jié)合，同時(shí)還要注意與降低線路損耗、調(diào)整電壓等其他措施相結(jié)合。
　　（3）補(bǔ)償電容的計(jì)算
　　應(yīng)根據(jù)其排灌泵站的負(fù)荷性質(zhì)采用適當(dāng)?shù)臒o功補(bǔ)償方式和容量，在任何情況下，不應(yīng)向電網(wǎng)反送無功電力，并保證在電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)不從電網(wǎng)吸收無功電力。補(bǔ)償電容一般可以按照下列公式計(jì)算：
　　上式也可以簡(jiǎn)化為：
　　其中為感性負(fù)載的實(shí)際功率，為補(bǔ)償前的功率因數(shù)，為補(bǔ)償后的功率因數(shù)。為補(bǔ)償前負(fù)荷的自然功率因數(shù)，為補(bǔ)償后的自然功率因數(shù)。這些數(shù)值的大小可以根據(jù)需要補(bǔ)償?shù)谋谜緟��?shù)得到，有些可以從電工手冊(cè)上查表得到。以裝機(jī)容量為2000kW的一個(gè)中小型泵站為例，若該站裝設(shè)有2臺(tái)變壓器，單臺(tái)容量1500kVA，假設(shè)補(bǔ)償前功率因數(shù)為0.75，補(bǔ)償后按電力部門規(guī)定的0.9計(jì)算，需要電容器補(bǔ)償容量Q為
　　因此每臺(tái)變壓器的補(bǔ)償容量為397.6kvar。此時(shí)可以選擇3塊BJ(F)型電容補(bǔ)償盤，其中主盤1塊，輔盤2塊。
　　（4）變壓器消耗無功的計(jì)算
　　其中，，為變壓器無功總損耗，為變壓器鐵損中的無功損耗，為變壓器銅損中的無功損耗，為變壓器空載電流的百分?jǐn)?shù)，為變壓器額定容量，為變壓器負(fù)荷電流，A，X為變壓器的等值電抗。變壓器鐵損中的無功損耗與負(fù)荷電流大小無關(guān)，且一經(jīng)帶上電壓即產(chǎn)生固定損耗無功損耗；變壓器銅損中的無功損耗隨負(fù)荷電流的大小變化而變化，且與負(fù)荷電流的平方成正比。
　　3. 電容補(bǔ)償裝置的配置
　　（1）固定容量補(bǔ)償器
　　固定容量電容器的容量為變壓器所需補(bǔ)償?shù)臒o功與負(fù)荷的總和。變壓器消耗的無功中有一部分是與負(fù)荷電流的平方成比例的，而負(fù)荷所需的補(bǔ)償容量更是與負(fù)荷的大小直接相關(guān)，即達(dá)到規(guī)定的功率因數(shù)所需的補(bǔ)償容量是一個(gè)隨負(fù)荷變化的量，而實(shí)際的補(bǔ)償容量卻是一個(gè)固定的量，不能調(diào)節(jié)．這樣在負(fù)荷變化較大，選擇在低值補(bǔ)償時(shí)，由于無功補(bǔ)償量不足，在重負(fù)荷時(shí)為欠補(bǔ)償狀態(tài)，影響電壓質(zhì)量。電壓降增大，線路損耗增加，效果不明顯。選擇在高值補(bǔ)償時(shí)，則在輕負(fù)荷時(shí)會(huì)出現(xiàn)過補(bǔ)償、無功倒送等問題。
　　（2）可自動(dòng)調(diào)節(jié)容量電容器
　　可自動(dòng)調(diào)節(jié)的電容器補(bǔ)償裝置以電力系統(tǒng)無功功率平衡為目標(biāo)。在高峰、平峰、低谷不同時(shí)段．采取了高峰時(shí)段投入備用無功量，無備用無功量時(shí)降低主變壓器電壓，減少負(fù)荷的無功需求；低谷時(shí)段退出全部無功補(bǔ)償量仍處于過補(bǔ)償狀態(tài)時(shí)，提高主變壓器電壓，增加負(fù)荷的無功需求，促進(jìn)系統(tǒng)的無功平衡。同時(shí)也使電源線路無功功率潮流減到最小值，取得最佳降損效果。常用的無功自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置從原理上分為分組自動(dòng)投切的無功補(bǔ)償裝置和調(diào)節(jié)電容器端電壓的自動(dòng)無功補(bǔ)償裝置兩類。
　　4. 電容補(bǔ)償?shù)淖⒁馐马?xiàng)
　　在供電線路中，電阻、電感、電容三個(gè)參數(shù)相互影響，如果電容器的容量配置不當(dāng)，不但起不到節(jié)電的作用，反而影響設(shè)備的安全運(yùn)行，所以要注意防止過補(bǔ)或出現(xiàn)純電阻電路，一般功率因數(shù)控制在0.93左右較好。另外，當(dāng)需要補(bǔ)償?shù)娜萘肯嗤瑫r(shí)，采用△接線比采用Y接線可節(jié)約2/3的電容。高、低壓及就地補(bǔ)償各級(jí)所需補(bǔ)償容量的大小，應(yīng)按所帶設(shè)備的實(shí)際情況，針對(duì)存在的主要問題綜合考慮。尤其是自動(dòng)補(bǔ)償方式不能解決低壓網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部無功電流的流動(dòng)，補(bǔ)償容量大，投入資金高。固定補(bǔ)償雖然投資小，但如果補(bǔ)償?shù)娜萘窟^大，在低負(fù)荷時(shí)，易出現(xiàn)過補(bǔ)現(xiàn)象。在開、停過程中電路涌流較大，容易損壞設(shè)備。
　　5. 結(jié)束語
　　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點(diǎn)。采用無功補(bǔ)償可以減少電費(fèi)開支，改善用電質(zhì)量，提高泵站設(shè)備動(dòng)力。特別是采用就地補(bǔ)償后，電力線路中的電流可以大大降低，電壓損失減少，電動(dòng)機(jī)和控制開關(guān)均很少發(fā)生故障，延長(zhǎng)了使用壽命，是一項(xiàng)很好的節(jié)能增效措施，值得大力推廣。我國(guó)中小型排灌泵站數(shù)量眾多，多數(shù)沒有安裝電容補(bǔ)償措施，應(yīng)盡早作出補(bǔ)償安排。
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