高壓電動機(jī)無功補(bǔ)償容量的選擇與分析
1.引言
三相異步電機(jī)是企業(yè)最常用的電氣設(shè)備之一，在生產(chǎn)設(shè)備中占有相當(dāng)?shù)谋壤。由于他們都是電感性?fù)荷,所以在生產(chǎn)運行中,功率因數(shù)都比較低,需要從電網(wǎng)中吸收大量的無功才能正常工作,這樣就造成較大的電壓損失和電能損失。因此必須提高電機(jī)的功率因數(shù)及回路的線損。要保證并聯(lián)在機(jī)端的電容呈容性,就必須采用合適的容量,否則,過大的電容在回路中會呈現(xiàn)出感性,這樣不但不能降低電能損耗,反而要消耗有功來抵消多出部分的電容容量所產(chǎn)生無功量。
提高功率因數(shù)的兩種辦法，一是提高電機(jī)的自然功率因數(shù)，二是安裝人工補(bǔ)償裝置，即電容補(bǔ)償裝置。由于電機(jī)的自然功率因數(shù)與電路負(fù)荷性質(zhì)有關(guān)，由設(shè)備負(fù)荷的性質(zhì)決定，不可改，所以企業(yè)一般使用安裝人工補(bǔ)償裝置來提高功率因數(shù)。電容補(bǔ)償方式主要有三種：個別、分組和集中，三種補(bǔ)償方式優(yōu)缺點如表一
表一（補(bǔ)償方式優(yōu)缺點對比）
| 補(bǔ)償方式 | 優(yōu)點 | 缺點 |
|
個別 分組 集中 |
補(bǔ)償效果好，投資省 補(bǔ)償效果好 補(bǔ)償效果好 |
產(chǎn)生自勵現(xiàn)象及震蕩 投資大 不能減少系統(tǒng)無功 |
瀘灣江取水泵房電動機(jī)目前采用的是個別補(bǔ)償?shù)姆绞剑捎脗別補(bǔ)償時，移相電容與電機(jī)一起并聯(lián)在母線上，切斷電源后，電機(jī)轉(zhuǎn)速不能馬上降為零，且因電容組對電機(jī)放電使得電機(jī)得到勵磁，如果電容容量過大，有以下幾個結(jié)果：①可能導(dǎo)致過補(bǔ)償，倒送無功功率勢必造成功率損耗增加；②可能產(chǎn)生幅值很大的過電壓，該電壓要經(jīng)過相當(dāng)長一段時間才能降下來，這就是勵磁現(xiàn)象。③拉閘后，如果立即合閘，線路電壓和自勵磁產(chǎn)生的電壓在相位上會有一個差角，此外，自勵磁還有可能使電機(jī)產(chǎn)生瞬時扭矩，瞬時扭矩與電機(jī)轉(zhuǎn)動方向相反，所以容易造成電機(jī)定子線圈、轉(zhuǎn)軸和靠背輪的損壞。④容易擊穿電容。
瀘灣江的1#、3#高壓電動機(jī)的功率為250KW、而4#、5#為160KW、但現(xiàn)在的無功就地補(bǔ)償統(tǒng)一使用型號11/√3-50-1W的電容進(jìn)行補(bǔ)償，電容容量為50Kvar。實踐說明，50Kvar的電容補(bǔ)償對1#3#機(jī)組完全適合，則說明目前對4#、5#電機(jī)補(bǔ)償容量是偏大的，造成功率損耗增加；同時導(dǎo)致電壓升高的機(jī)率加大，有可能會危及到其他設(shè)備的安全以及補(bǔ)償設(shè)備的自身安全。另外，對拉閘后立即合閘的操作所產(chǎn)生的設(shè)備損壞的機(jī)率也會增加。據(jù)近2年來的維修記錄顯示，1#、3#機(jī)組電容器共接地?fù)舸┝?臺，因電容每兩年更換一次，所以更換3臺尚屬于正常范圍。而4#、5#機(jī)組電容器共接地?fù)舸┝?0臺，按正常損耗，每兩年更換一次4#、5#機(jī)組總共需要更換6臺。同時如果電容擊穿維修更換過程需要用兩個小時的時間，所以出現(xiàn)這樣的設(shè)備故障，除了給公司帶來一定的經(jīng)濟(jì)損失，還會影響正常供水。
針對這一情況，有必要通過計算分析，選擇更為經(jīng)濟(jì)的電容容量，配套不同的就地補(bǔ)償電容，使各電機(jī)的功率因數(shù)盡量接近0.99，降低電能損耗，同時保證設(shè)備的安全運行。
2.無功補(bǔ)償?shù)膶嵤┓桨?/p>
2.1電機(jī)補(bǔ)償容量的計算
設(shè)P1、P2為補(bǔ)償前后的有功，P3為損耗值，則有P3=P1-P2
P=I＾２*Ｒ＝［Ｐ／（Ｕcosφ）］＾２*Ｒ(1)
由于設(shè)備不變，則Ｐ，Ｕ，Ｒ都不變，電機(jī)的自然功率因數(shù)cosφ也不變，即Ｐ１＝Ｐ２，所以補(bǔ)償前后有功功率不變．如圖１
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（圖一）
設(shè)需要補(bǔ)償Q2容量的無功，
由圖可得Ｑ＝Ｐe*tanΦQ1=Ｐe*tanΦ1
則Q2=Q-Q1=Ｐe(tanΦ-tanΦ1)(2)
式中Ｐe為電機(jī)的額定功率，Q為電機(jī)運行在自然功率因數(shù)時的無功功率，Q1為加裝人工補(bǔ)償裝置后的無功功率。假設(shè)加入Q2容量的電容，可把電機(jī)功率因數(shù)從0.82提到0.99。此時cosφ=0.82；cosφ1=0.99。由公式（2）得到需補(bǔ)償?shù)娜萘縌2=Ｐe*0.56（注1）。查看電機(jī)銘牌，Pe1=Pe3=250kw；Pe4=Pe5=160kw，由此得出1、3、4、5號機(jī)分別要補(bǔ)償?shù)娜萘繛镼21=Q23=140Kvar，Q24=Q25=89.6Kvar由于電容柜接線方式是三相并電容補(bǔ)償，所以四臺機(jī)組單相補(bǔ)償分別為46.7Kvar，46.7Kvar，29.9Kvar，29.9Kvar。由于10kv電容容量都是整數(shù)級，所以四臺機(jī)組每相補(bǔ)償?shù)碾娙萑萘糠謩e整定為50Kvar、50Kvar、30Kvar、30Kvar。
綜合以上分析，分別采集了補(bǔ)償容量為50Kvar和30Kvar的兩組儀表上的實際數(shù)據(jù)。
表二補(bǔ)償容量為50Kvar，機(jī)組運行有功表數(shù)據(jù)
| 設(shè)備名稱 | 有功率 | |||||
| 1#進(jìn)線柜 | 480 | 315 | 315 | 325 | 319 | 321 |
| 320 | 481 | 311 | 486 | 322 | 313 | |
| 1#機(jī)組啟動柜 | 200 | 204 | 202 | 200 | 202 | 199 |
| 198 | 203 | 196 | 201 | 198 | ||
| 3#機(jī)組啟動柜 | ||||||
| 4#機(jī)組啟動柜 | 156 | 150 | 154 | 152 | ||
| 152 | 157 | 157 | ||||
| 5#機(jī)組啟動柜 | 156 | 159 | 155 | 150 | ||
| 154 | 155 | 150 | 152 | |||
表三補(bǔ)償容量為30Kvar，機(jī)組運行有功表數(shù)據(jù)。
| 設(shè)備名稱 | 有功率 | |||||
| 1#進(jìn)線柜 | 479 | 316 | 314 | 323 | 319 | 322 |
| 320 | 482 | 310 | 485 | 320 | 312 | |
| 1#機(jī)組啟動柜 | 201 | 204 | 202 | 200 | 200 | 199 |
| 197 | 201 | 200 | 201 | 201 | ||
| 3#機(jī)組啟動柜 | ||||||
| 4#機(jī)組啟動柜 | 155 | 151 | ||||
| 151 | 156 | 153 | 156 | 153 | ||
| 5#機(jī)組啟動柜 | 154 | 153 | 151 | |||
| 154 | 157 | 154 | 153 | 153 | ||
3.結(jié)論
通過以上兩組數(shù)據(jù)的對比得知，補(bǔ)償容量為50Kvar的時候，4#機(jī)組的有功功率平均值為154KW，5#機(jī)組的有功功率平均值為153.87KW；補(bǔ)償容量為30Kvar的時候，4#的有功功率平均值為153.71KW，5#機(jī)組的有功功率平均值為153.63KW，每臺機(jī)組有功功率降低了0.2KW，按目前調(diào)度開機(jī)運行時間數(shù)據(jù)統(tǒng)計得知，4#機(jī)組平均每天運行24個小時，5#機(jī)組平均每天運行12個小時，一年能降低的電能為：0.2KW*（12+24）*365=2628KW，節(jié)省的電費為：2628*0.6546=1720（元）。
經(jīng)過試驗及計算分析，瀘灣江電容無功補(bǔ)償，1#、3#機(jī)組電容容量不變選用50Kvar；4#、5#機(jī)組電容容量應(yīng)改選用30Kvar的，50Kvar電容價格為900元，30Kvar電容價格為800元，電容成本下降100元/臺。按正常預(yù)計，4#、5#機(jī)組的高壓電容每兩年更換一次，合計為6臺，而近兩年由于容量偏高而總計更換了10臺，比正常多更換了4臺，則平均每年節(jié)約的費用為（10*900-6*800）/2=2100元。
綜上所述，更換電容容量后，每年能節(jié)省的費用為：1720+2100=3820元。雖然此電費節(jié)省不多，但是可以看出改變電容容量，即改變了無功功率，從而保證了電壓穩(wěn)定性。確保電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。改變電容投加容量，能降低一定的能耗，但是最重要的是機(jī)組停機(jī)瞬間的自勵磁現(xiàn)象得到比較好的遏制，延長了電容的使用年限，避免了設(shè)備因此而受到損壞，造成重大損失。在安全方面，已經(jīng)很大程度保證了設(shè)備的正常運行，確保了設(shè)備和人身的安全。
參考文獻(xiàn)：
《進(jìn)網(wǎng)作業(yè)電工培訓(xùn)教材》
《中國水能及電氣化》
《諧波抑制及無功功補(bǔ)償》
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