1 基本情況

該碼頭主要為煤炭裝卸碼頭，主要用電設(shè)備為皮帶機及輔助生產(chǎn)設(shè)施，其變電所供電系統(tǒng)原設(shè)計情況如下：高壓側(cè)設(shè)置了兩段10kV母線，運行方式為單母線分段運行，互為備用。高壓主要用電設(shè)備為8臺皮帶輸送機，總負荷3430kW，每段負荷1715kW，單段補償300kVar；低壓負荷主要為輔助電機類，計算負荷418kW，變壓器容量630kVA,低壓無功補償175kVar。

2 問題情況

碼頭試運行一個月以來，整個電氣系統(tǒng)運行穩(wěn)定，但發(fā)現(xiàn)變電所10kV段電能計量功率因數(shù)低，無功功率負荷較大。試運行期間內(nèi)，10kV A段母線有功電量為111417 kWh，無功電量為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 對原設(shè)計參數(shù)分析

根據(jù)各個設(shè)備銘牌參數(shù)，采用需要系數(shù)法進行有功、無功功率核算，核算情況如下：

表1 無功補償核算表

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

3.2 對供配電系統(tǒng)設(shè)備進行現(xiàn)場檢測

1)檢查就地電能表顯示的有功電量、無功電量值，與供電電源處10kV綜保裝置統(tǒng)計值比對，數(shù)據(jù)吻合；現(xiàn)場實測電能表的電壓電流相角差無誤。

2)檢查10kVA、B段所帶無功補償裝置，發(fā)現(xiàn)A、B段補償裝置手動自動、手動方式下均運行正常。

3)檢測低壓段無功補償，發(fā)現(xiàn)低壓無功補償裝置運行正常，補償后功率因數(shù)為0.93。

由現(xiàn)場檢測推斷，供配電系統(tǒng)本身無問題，原因可能在于用電設(shè)備本身。

3.3 對變電所10kV高壓側(cè)用電設(shè)備進行檢測

空載啟動各皮帶機進行檢測，首先檢測功率因數(shù)更低的B段母線：僅#2和#3皮帶電機開啟空載運行時（此時B段無其他負荷）。觀察無功補償裝置投入前后電能表記錄的無功功率變化，補償前二次有功功率0.014kW、無功功率0.026kVar、功率因數(shù)0.48，補償后二次有功功率0.014 kW、無功功率0.007 kVar、功率因數(shù)提高至0.89，即無功補償裝置補償值（300kVar）不足以將整段負荷的功率因數(shù)提高至0.9。

當(dāng)B段上的皮帶電機空載全開時，補償后無功功率降至0.56；以同樣的方式檢測A段：全部空載后功率因數(shù)降至0.65。因此，皮帶電機空載運行明顯惡化功率因數(shù)。

在碼頭試運行時對皮帶機回路進行輕負載運行(1000t/h)和額定負載(1500t/h)運行檢測，測得的皮帶電機帶載運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計如下。

表2 A皮帶電機帶載運行數(shù)據(jù)

表3 B皮帶電機帶載運行數(shù)據(jù)

3.4 結(jié)論

（1）皮帶電機空載或低貨物荷載時，自身功率因數(shù)很低，無功補償后仍較低。

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

（3）隨著皮帶機貨物荷載的進一步提高，直到接近額定荷載時，A段10kV母線無功補償容量足以將總功率因數(shù)改善至0.9以上，但B段10kV母線無功功率補償仍有較大缺口。

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

（5）皮帶電機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、空載無功功率、空載功率因數(shù)等差距很大。表明B路皮帶電機制造工藝不良，漏磁通大，主磁路磁導(dǎo)小、建立主磁場所需的無功電流大，致無功消耗更多，同等條件下相比對應(yīng)的A路皮帶電機無功消耗增大約50%。

4 對策及其分析

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，從而提高皮帶機的運行荷載，減少皮帶機空載或輕載的運行時間，從而改善現(xiàn)在功率因數(shù)偏低的情況。方法是提高門機操作人員的熟練程度，提高整個輸送系統(tǒng)的維護程度，根據(jù)氣象情況合理安排船舶靠泊時間。

第二種方案是從設(shè)備方面解決，根據(jù)現(xiàn)有運行情況，最大補償容量按照各皮帶機空載運行時所需無功補償容量，計算數(shù)據(jù)如下。

表4 最大無功容量計算

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

4.2 對策的效果分析

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

第二種方案所需時間短，雖然需要一次性投資購置相關(guān)設(shè)備，但是可通過后期電費獎勵來抵除投資費用。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)整電費月增減率為7.5%。

按第二種方案改造后，以試運行階段的電量為參照， 14個月即可抵消改造費用。因此，最終方案確定為立刻實施第二方案，同時逐步推進第一方案。

5 結(jié)語

目前該碼頭10kV供配電系統(tǒng)的無功補償已改造完畢并投入使用，經(jīng)實際驗證，功率因數(shù)基本上保持在0.95左右，完全滿足電業(yè)部門及使用方的需要。同時也可為同類工程提供了一個借鑒，即在電容補償相關(guān)計算的時候，不僅需要根據(jù)設(shè)備銘牌參數(shù)來進行計算，同時還用將設(shè)備將來的運行情況一并考慮。

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)偏低原因分析及對策”