高压电动机无功就地补偿装置开发和应用的若干问题

摘要：从实践出发，介绍高压电动机无功就地补偿装置的应用情况、量化分析，并就补偿装置的选择、成套装置的电气接线和配套设备、节能及经济效益分析、防止谐振和电机自激磁等问题加以研讨。
关键词：高压 无功功率 就地补偿 开发 应用

1　前言
　　电动机无功就地补偿是一项重要的节能措施，低压异步电动机的就地补偿技术以三机一泵（风机、空气压缩机、球磨机和水泵）为重点，在我国已较为广泛地推广应用，并取得良好节能效果和经济效益，是实施国家标准GB／T12497－1990《三相异步电动机经济运行》，推动节能工作的一项重要措施。高压电动机的额定容量较大，年运行小时数较多，如实施无功就地补偿，则节能效果更为显著，但就国内目前情况来看，还处于刚起步阶段，方兴未艾。为此，对高压异步电动机的无功功率就地补偿问题进行一次调研分析和研究，实属十分必要。这项新技术的进一步推广应用，必将获得显著的经济效益。
2　应用状况量化分析
　　国家标准GB／T12497－1990《三相异步电动机经济运行》第5．1条对电动机，额定电压的选择规定：单台容量在200kW以下时，选用低压异步电动机；容量在200～355kW之间，如条件许可，宜选用高压异步电动机；容量在355kW以上时必需选用高压异步电动机。高压异步电动机价格高，控制设备昂贵，但效率和功率因数较高，低压异步电动机及控制设备的价格便宜，但损耗较大，电能利用率低。国产Y系列6kV三相异步电动机的容量为220～2000kW，因此高压就地补偿装置亦在上述范围内相应加以考虑。
　　为了从实际出发进行量化分析，我们调查了现场中实际使用的229组高压无功就地补偿装置，其结果量化分析如下：
　　（1）229组高压就地补偿装置中6kV电压等级的80组占35％，10kW电压等级的149组占65％。
　　（2）按使用高压就地补偿装置的行业分：用于自来水公司及引水工程泵站154组占67％，水泥企业25组占11％，钢铁企业11组占5％，造纸企业5组占2％，化工企业4组占1．7％，采矿企业3组占1．3％，其它27组占12％。
　　（3）按高压就地补偿装置的单组容量分：75～700kvar的226组，其中以100、150、200、250、300kvar五个容量等级使用最为广泛，共占总共229组的72．6％。非标的大容量组3组，其中：1200kvar的一组，1400kvar的2组。各不同单组容量的组数及所占比例，见表1。
3　电气接线和结构特点
　　用于无功就地补偿的高压并联电容器装置的结构十分简单，其电气接线如图1所示，为了节约柜体的空间，尽量选用带内部放电电阻的三相并联电容器，由于补偿装置与电动机绕组直接相连接，以电动机绕组作为切断后的放电装置，不需另行附装放电线圈。用户可根据装设地点的条件，选择所需的配套设备。在被调查的229组补偿装置中，有84组带1％～13％的串联电抗器L，占总组数的36．7％。小容量的干式电抗器可装于补偿箱内，油浸式串联电抗器则装于箱外。附装氧化锌避雷器的补偿装置有71组，占总组数的31％。附装电流互感器和电流表的补偿装置有87组，占总组数的38％。就地补偿装置也可以根据实际需要，同时选择两种或三种的上述配套设备。

　　某公司带串联电抗器的就地补偿箱内部结构断面图如图2所示，其外形尺寸见表2。

就是补偿装置和电动机之间不再装设开关设备，为了显示其运行状态，均装有高压带电显示装置，其显示器和电流表装于相面。
4　补偿容量的选择
国家标准GB50052-1995《供配电系统设计规范》第5.0.10条规定：“接在电动机控制设备侧电容器的额定电流，不应超过电动机励磁电流的0.9倍，其馈电线截面和过电流保护装置的整定值，应按电动机一电容器组的电流确定。”上述规定与IEC标准831的规定相一致，其原因是为了防止当电动机切断电源后，尚未停止转动的过程中，由于电容器产生的自激磁造成的过电压，使电机受到损坏。
选择就地补偿装置容量QC的计算公式有二。
（1）按电动机的空载电流选择

式中：QC—补偿容量，kvar；
U—电动机额定电压，kV；
I0—电动机空载电流，A
（2）按电动机补偿前后的功率因数选择

式中：P—电动机的额定功率，kW；
cosΦ1—补偿前的功率因数；
cosΦ2—补偿后的功率因数
　　两种计算方法取得的QC值结果往往并不一致，如按第二种方法算出的QC值小于第一种方法的计算结果，则以第二种方法计算结果为准，如第二种方法算出的QC值大于第一种方法的计算结果时，以第一种计算方法算出的结果为准，补偿率KB＝QC／P。
　　对Y系列6kV三相异步电动机的补偿容量和补偿率的推荐值亦可从表3中查得。　　表3中的QC值是按公式（2）取cosΦ2＝0．95时计算出来的，为了充分利用制造厂现成规格的产品，QC增减±2kvar对补偿结果影响不大。另外，表3中查得的数值仍应与公式（1）计算所得的QC值相比较，如大于公式（1）计算结果时，仍以公式（1）的计算值为准。对YR系列异步电动机亦可用表3进行QC值的选择，作为参考。
KB值与电动机容量的关系：
　　电动机容量越大，其功率因数越高，则tanΦ1值越小，KB值也越小。例如6kV 4级的220kW电动机QC＝90kvar，KB＝0．41而2000kW电动机QC＝500kvar，KB＝0．25。
KB值与电动机转速的关系：
　　极数越高则补偿率越高，以6kV500kW电动机为例，4极时QC＝170kvar，KB＝0．34；6极时QC＝200kvar，KB＝0．4；8极时QC＝250kvar，KB＝0．50；10极时QC＝270kvar，KB＝0．54；12极时QC＝290kavr，KB＝0．58。

5　高压无功就地补偿的经济效益
　　高压电动机无功就地补偿的经济效益主要有以下四个方面：（1）由于提高功率因数减少的电费支出；（2）由于无功电流分量的减少，降低了电能传输的损耗；（3）有利于充分利用供电设备的容量，减少用电贴费的支出；（4）减少了电能传输产生的电压损失。其中以第1、2项为主。有关补偿设备的投资回收期，与年利用小时有关，对经常处于运行状态的水泵类设备来讲，就地补偿设备的投资回收期一般为0．5～1年左右，举两个实例加以说明：
　　（1）上海某水厂三泵站，装有6kV、630kW、8极异步电动机4台，每台装设250kvar的就地补偿电容器装置，装设后功率因数由0．8上升到0．946，电流值由48A下降为40．7A，每小时可节电58．8kW·h，每年节电5．08×105 kW·h，节约电费约14万元。
　　（2）温州某水厂泵站，装有6kV、1000kW、10极异步电动机4台，每台装设400kvar的就地补偿电容装置，装设后功率因数由0．823上升到0．957，电流值由50．9A下降为32．1A，补偿后每小时可节电73．6kW·h，每年节电6．35×105 kW·h，节约电费约18万元。
6　防止自激磁和谐振的措施
（1）防止自激磁的措施
　　采用电容器就地补偿的电动机，切断电源后，电动机仍会在惯性作用下继续转动一段时间，此时电容器的放电电流成为激磁电流，可使电动机的磁场因自激磁而产生电压，电动机即运行于发电状态，可能导致对电机及电容器绝缘的损坏，防止的措施是：补偿设备的容性电流值应不大于电动机空载电流值的90％。
（2）防止产生谐振的措施
　　防止产生谐振的条件是：如（3）式中所示的n值为整数时，电容器将在n次谐波下产生谐振，必须加以避免。

式中：Sk—电容器安装处的短路容量，MVA；
　　QC—补偿电容器的容量，Mvar。

参考文献：

［1］　国家标准GB／T12497－1990三相异步电动机经济运行［S］．
［2］　国家标准GB50052－1995供配电系统设计规范［S］．

  来源:零八我的爱