1 基本情況

該碼頭主要為煤炭裝卸碼頭，主要用電設(shè)備為皮帶機(jī)及輔助生產(chǎn)設(shè)施，其變電所供電系統(tǒng)原設(shè)計(jì)情況如下：高壓側(cè)設(shè)置了兩段10kV母線，運(yùn)行方式為單母線分段運(yùn)行，互為備用。高壓主要用電設(shè)備為8臺(tái)皮帶輸送機(jī)，總負(fù)荷3430kW，每段負(fù)荷1715kW，單段補(bǔ)償300kVar；低壓負(fù)荷主要為輔助電機(jī)類(lèi)，計(jì)算負(fù)荷418kW，變壓器容量630kVA,低壓無(wú)功補(bǔ)償175kVar。

2 問(wèn)題情況

碼頭試運(yùn)行一個(gè)月以來(lái)，整個(gè)電氣系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，但發(fā)現(xiàn)變電所10kV段電能計(jì)量功率因數(shù)低，無(wú)功功率負(fù)荷較大。試運(yùn)行期間內(nèi)，10kV A段母線有功電量為111417 kWh，無(wú)功電量為98654kVarh，功率因數(shù)僅為0.75，處罰7.5%；10kV B段母線有功電量為183135 kWh，無(wú)功電量為249635kVarh，功率因數(shù)僅為0.59。處罰27%。

3 原因分析

3.1 對(duì)原設(shè)計(jì)參數(shù)分析

根據(jù)各個(gè)設(shè)備銘牌參數(shù)，采用需要系數(shù)法進(jìn)行有功、無(wú)功功率核算，核算情況如下：

表1 無(wú)功補(bǔ)償核算表

由上表核算可知，若設(shè)備均正常運(yùn)行，理論上10kV電源進(jìn)線處功率因數(shù)應(yīng)不低于0.93，完全滿(mǎn)足要求。

3.2 對(duì)供配電系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

1)檢查就地電能表顯示的有功電量、無(wú)功電量值，與供電電源處10kV綜保裝置統(tǒng)計(jì)值比對(duì)，數(shù)據(jù)吻合；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)電能表的電壓電流相角差無(wú)誤。

2)檢查10kVA、B段所帶無(wú)功補(bǔ)償裝置，發(fā)現(xiàn)A、B段補(bǔ)償裝置手動(dòng)自動(dòng)、手動(dòng)方式下均運(yùn)行正常。

3)檢測(cè)低壓段無(wú)功補(bǔ)償，發(fā)現(xiàn)低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置運(yùn)行正常，補(bǔ)償后功率因數(shù)為0.93。

由現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)推斷，供配電系統(tǒng)本身無(wú)問(wèn)題，原因可能在于用電設(shè)備本身。

3.3 對(duì)變電所10kV高壓側(cè)用電設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)

空載啟動(dòng)各皮帶機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，首先檢測(cè)功率因數(shù)更低的B段母線：僅#2和#3皮帶電機(jī)開(kāi)啟空載運(yùn)行時(shí)（此時(shí)B段無(wú)其他負(fù)荷）。觀察無(wú)功補(bǔ)償裝置投入前后電能表記錄的無(wú)功功率變化，補(bǔ)償前二次有功功率0.014kW、無(wú)功功率0.026kVar、功率因數(shù)0.48，補(bǔ)償后二次有功功率0.014 kW、無(wú)功功率0.007 kVar、功率因數(shù)提高至0.89，即無(wú)功補(bǔ)償裝置補(bǔ)償值（300kVar）不足以將整段負(fù)荷的功率因數(shù)提高至0.9。

當(dāng)B段上的皮帶電機(jī)空載全開(kāi)時(shí)，補(bǔ)償后無(wú)功功率降至0.56；以同樣的方式檢測(cè)A段：全部空載后功率因數(shù)降至0.65。因此，皮帶電機(jī)空載運(yùn)行明顯惡化功率因數(shù)。

在碼頭試運(yùn)行時(shí)對(duì)皮帶機(jī)回路進(jìn)行輕負(fù)載運(yùn)行(1000t/h)和額定負(fù)載(1500t/h)運(yùn)行檢測(cè)，測(cè)得的皮帶電機(jī)帶載運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如下。

表2 A皮帶電機(jī)帶載運(yùn)行數(shù)據(jù)

表3 B皮帶電機(jī)帶載運(yùn)行數(shù)據(jù)

3.4 結(jié)論

（1）皮帶電機(jī)空載或低貨物荷載時(shí)，自身功率因數(shù)很低，無(wú)功補(bǔ)償后仍較低。

（2）隨著皮帶機(jī)貨物荷載的提高，皮帶電機(jī)自身功率因數(shù)提高，補(bǔ)償后總功率因數(shù)提高。

（3）隨著皮帶機(jī)貨物荷載的進(jìn)一步提高，直到接近額定荷載時(shí)，A段10kV母線無(wú)功補(bǔ)償容量足以將總功率因數(shù)改善至0.9以上，但B段10kV母線無(wú)功功率補(bǔ)償仍有較大缺口。

（4）在皮帶空載或輕載條件下，無(wú)功補(bǔ)償裝置容量嚴(yán)重不足；在皮帶負(fù)荷升高至一定水平時(shí)，情況有所改善。

（5）皮帶電機(jī)1A和1B、2A和2B、3A和3B、4A和4B的額定功率、額定電流、額定功率因數(shù)等參數(shù)完全一致，但兩者的制造廠家不同、空載電流、空載有功功率、空載無(wú)功功率、空載功率因數(shù)等差距很大。表明B路皮帶電機(jī)制造工藝不良，漏磁通大，主磁路磁導(dǎo)小、建立主磁場(chǎng)所需的無(wú)功電流大，致無(wú)功消耗更多，同等條件下相比對(duì)應(yīng)的A路皮帶電機(jī)無(wú)功消耗增大約50%。

4 對(duì)策及其分析

4.1 根據(jù)上述原因分析，為改善現(xiàn)有功率因數(shù)偏低的狀況，可考慮以下兩種方案：

第一種方案是提高裝卸效率，從而提高皮帶機(jī)的運(yùn)行荷載，減少皮帶機(jī)空載或輕載的運(yùn)行時(shí)間，從而改善現(xiàn)在功率因數(shù)偏低的情況。方法是提高門(mén)機(jī)操作人員的熟練程度，提高整個(gè)輸送系統(tǒng)的維護(hù)程度，根據(jù)氣象情況合理安排船舶靠泊時(shí)間。

第二種方案是從設(shè)備方面解決，根據(jù)現(xiàn)有運(yùn)行情況，最大補(bǔ)償容量按照各皮帶機(jī)空載運(yùn)行時(shí)所需無(wú)功補(bǔ)償容量，計(jì)算數(shù)據(jù)如下。

表4 最大無(wú)功容量計(jì)算

根據(jù)上述計(jì)算和現(xiàn)有情況，補(bǔ)償方案如下：將原設(shè)置于B段10kV母線的無(wú)功補(bǔ)償裝置（300kVar）變更移至A段10kV母線，與原設(shè)置于A段10kV母線的無(wú)功補(bǔ)償裝置（300kVar）共同構(gòu)成A段10kV母線的高壓無(wú)功補(bǔ)償容量，共計(jì)補(bǔ)償容量600kVar；B段10kV母線的所需無(wú)功補(bǔ)償容量為750kVar，因此考慮新增設(shè)容量為750kVar無(wú)功補(bǔ)償裝置一套，采用300kVar+450kVar分兩組投切的方式。

4.2 對(duì)策的效果分析

第一種方案經(jīng)濟(jì)效益最好，在提高了碼頭的裝卸運(yùn)輸效率同時(shí)又提高了功率因數(shù)，達(dá)到雙贏的局面，但是缺點(diǎn)是需要時(shí)間較長(zhǎng)，在一段時(shí)間內(nèi)功率因數(shù)偏低的情況無(wú)法得到有效改善，而且易收到氣象、人員調(diào)度原因影響。

第二種方案所需時(shí)間短，雖然需要一次性投資購(gòu)置相關(guān)設(shè)備，但是可通過(guò)后期電費(fèi)獎(jiǎng)勵(lì)來(lái)抵除投資費(fèi)用。設(shè)備安裝完畢之后，功率因數(shù)最高可提高至0.95，功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)月增減率為7.5%。

按第二種方案改造后，以試運(yùn)行階段的電量為參照， 14個(gè)月即可抵消改造費(fèi)用。因此，最終方案確定為立刻實(shí)施第二方案，同時(shí)逐步推進(jìn)第一方案。

5 結(jié)語(yǔ)

目前該碼頭10kV供配電系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償已改造完畢并投入使用，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，功率因數(shù)基本上保持在0.95左右，完全滿(mǎn)足電業(yè)部門(mén)及使用方的需要。同時(shí)也可為同類(lèi)工程提供了一個(gè)借鑒，即在電容補(bǔ)償相關(guān)計(jì)算的時(shí)候，不僅需要根據(jù)設(shè)備銘牌參數(shù)來(lái)進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)還用將設(shè)備將來(lái)的運(yùn)行情況一并考慮。

本文編自《電氣技術(shù)》，作者為劉為迅，論文標(biāo)題為“某碼頭供電系統(tǒng)10kV段功率因數(shù)偏低原因分析及對(duì)策”