电动机无功功率的就地补偿清华大学电机工程与应用电子技术系林永摘要介绍了电动机无功功率就地补偿时,电容器容量的选择方法和接线方式,分析了并联电容器损坏的原因,提出增加并联补偿电容器的额定标称电压是防止电容器损坏的有效方法。
关键词无功功率就地补偿电容器电动机电动机无功功率就地补偿技术是国家推广的一项节电项目。
大力推广这一新技术,对节能具有十分重要的意义。
在煤矿井下,由于低压供电负荷距离变压器较远,采用电动机无功功率就地补偿技术除了节约电能外,还可降低线路压降、使电动机易于起动。
1 电动机就地补偿容量的选择电动机就地补偿容量的选择,一般应以空载时补偿其功率因数至1为宜,不能以负荷情况计算。
因为以空载情况补偿,则满载时仍为滞后。
若以负荷情况补偿至cos =1,空载(或轻载)时势必过补偿(即功率因数超前)。
过补偿的电动机在切断电源后,由于电容器之放电供给电动机以励磁,能使仍在旋转的电动机成为感应发电机,而使电压超出额定电压好多倍,对电动机的绝缘和电容器的绝缘都不利,因此,感应电动机就地补偿的电容器容量可由下式确定:Q C≤1.732U N I0式中:Q C—就地补偿电容器的三相总容量,kW;U N—电动机的额定电压,kV;I0—电动机的空载电流,A。
防止电动机产生自激的电容器容量可按下式选用:Q C=0.9×1.732U N I0=1.5588U N I0就地补偿电容器容量选择的主要参数是电动机的励磁电流,因为不使用电容器可以造成电动机自激是选用电容器容量的必要条件。
由于电动机的功率因数与负载率、极数和容量有很大关系,负载率越低,功率因数越低;极数越多,功率因数也越低;同时,容量越小,功率因数也越低。
电动机的无功功率主要消耗在励磁电流上,随负载率变化不大,因此,就地补偿的电容器容量与电动机的容量和极数有关。
电动机就地补偿后的功率因数达到0.95～0.98就可以了。
2 电容器的过电压2.1电容器的无功功率与运行电压的平方成正比在正弦波电压条件下,电容的无功功率为:Q=UI=U2/XC=ωCU2从上式中可以清楚看出,Q与U 2成正比,当电容器的运行电压为额定电压的90%时,无功功率Q降低了19%,而当运行电压为额定电压的110%或120%时,无功功率分别增加了21%或44%。
2.2 运行电压升高,使电容器的发热和温升都增加电容器中由于介质损失引起的有功功率损失P S,可用下式表示:P S=ωCU2tgδ从上式中可以看出,电容器的功率损耗和发热量也随着电压值的平方变化,运行电压的升高,会使电容器的温度显著增大。
当过电压太高时,就会导致热不平衡,最后造成电容器损坏。
2.3 电容器的寿命随电压的升高而缩短电容器内部的绝缘介质在长期高电场作用下产生老化作用,使电容器绝缘强度逐渐降低而发生击穿。
电容器绝缘介质的电场强度愈高,老化愈快,电容器绝缘介质的寿命也愈短。
研究认为,当电压增加15%时,其寿命就可以缩短到运行于额定电压时的32.7%～37.6%左右。
因此,严格要求电容器运行电压在允许范围之内,是保证电容器安全运行的重要措施。
根据相电力电容器运行电压的标准规定,电容器不要在超过1.1倍额定电压下长期运行。
2.4 补偿电容器串联的影响当每相之间的电容器组是由几个单台电容器串联以后再接入电网时,由于各台电容值的差异,而承受的电压并不一致,也会引起过电压(制造标准上允许的误差为±10%,过电压即可达到20%)。
另外,对于中性点不接地的接线电容器组,相间电容差值也会产生三相电压的不平衡。
2.5 串联电抗器的影响当接入网络的电容器组采用串联6%的电抗器以防止高频谐波共振时,要考虑到加装电抗器后引起加于电容器组上端电压的升高,以免产生长期过电压运行。
2.6应提高补偿电容器的额定电压目前我国生产的移相电容器其额定电压是按照电力系统的标准电压而设计的,例如0.4kV/6.3kV/10.5kV等,如果这些电容器接在变电所或在变电所附近,由于送电端的关系,其母线运行电压往往高于电容器的标称电压,例如0.4kV或6.9kV或者11.5kV,在此基础上往往又可能在10%的过电压下持续运行,尤以轻负荷时更为严重,这样将严重地影响到电容器的使用寿命。
因此有必要向电力电容器制造厂订做6.9kV标称电压的高压电容器和0.45kV标称电压的低压电容器。
3 电容器的过电流和过负荷3.1 电容器的过电流和过负荷移相电容器的过电流和过负荷主要是由于运行电压的升高或高次谐波的畸变两个原因引起的。
第一机械工业部标准JB1629-75对移相电容器规定,必须能在由于电压升高或高次谐波引起的不超过1.3倍的额定电流下长期工作。
如果电容器组的过电流和过负荷超过厂家规定的允许范围时,应将电容器组从电源上断开,并采取相应措施加以解决后方可投入运行。
3.2 电容器的电流和无功负荷的关系三相电容器的额定电流和额定无功功率的关系如下:I N=Q C/1.732U N运行中的三相电容器无功负荷功率和运行电流的关系如下:Q=1.732UI3.3 防止谐波共振过电压和电容器严重过负荷若安装地点运行电压并不高,但电容器过流又很严重,则应主要考虑波形畸变的问题,首先应对附近用户负荷性质进行了解,分析其谐波成分及比例,找出产生谐波的原因。
当网络有谐波源并影响到电容器安全运行时,可以在电容器回路中串联一组电抗器,其感抗值的选择应该在可能产生的任何谐波下均使电容器回路的总电抗为感抗而不是容抗,从根本上消除产生谐波的可能。
电抗器感抗值XL按下式计算:X L =KXC/n2式中:XC—补偿电容器的工频容抗,Ω; n—可能产生的最低谐波次数;K—可靠系数,一般取1.2～1.5。
可能产生的最低谐波次数,一般取n=5,则:X L =1.5X 5/n 2=0.06X C我国用于6kV 和10kV 电容器的电抗器,一般为三相铁芯式,电抗器的额定电流应稍大于电容器的电流。
但应注意,由于串联电抗器的结果,加于电容器上的电压U c 升高了,其值为:U C =UX C /(X C -X L )如果系统电压较高,要防止由于加装电抗器引起的电容电压长期过运行。
4 就地补偿的接线方式4.1 直接起动和降压起动的电动机的补偿接线对直接起动或以变阻器、电抗器、自耦变压器起动的高低压三相异步电动机,电动机无功功率就地补偿装置的电容器可以直接和它的出线端子相连接,电容器和电动机之间不需要装设任何开关设备。
当电动机和电源脱离之后其绕组即为电容器放电电阻,因此不必专设电容器的放电装置。
高压电动机的就地补偿装置,一般串联接入6%容抗值的三相电抗器,以防止高频谐波共振对电容器造成的损害。
4.2 星—三角起动器起动的电动机的补偿接线对于采用星—三角起动器起动的异步电动机,最好采用三台单相电容器,每台电容器直接并联在电动机每相绕组的两个端子上,使电容器的接法总是和电动机绕组的接法相一致,电容器和电动机之间也不需要装设开关设备。
4.3 煤矿井下中央变电所水泵电机的补偿根据《煤矿安全规程》,煤矿井下中央变电所水泵电动机需要装设三组,一组使用,一组备用,一组检修。
而电容补偿设备可以只装设一组,三台电动机共用,采用成套设备。
当电动机起动时,其控制柜的辅助开关接点接通电容器柜的高压真空接触器,当电动机退出运行时,控制柜的辅助开关断开电容器柜的高压真空接触器。
由于电容器柜采用单独的保护和控制,其可靠性较高,但应安装专用电容放电装置(一般用电压互感器作为放电装置)。
4.4 起动困难的低压电动机的补偿接线煤矿井下低压电动机经常因供电距离太远造成起动困难,这时可以采用电动机无功功率就地补偿技术,为了提升负载端电压,可以适当增加补偿电容器的容量,当电容器的容量达到一定数量时(即过补偿),负载端的电压有可能达到或超过电源电压。
当然,正常使用时不必要做到负载端的电压达到电源电压,否则线路有功损耗将增大。
为了避免造成电动机的自激,电容器组使用单独的真空接触器控制,真空接触器由电动机控制接触器的辅助接点控制通断,当电动机脱离电源时电容器也脱离电动机。
电容器组应设专用放电电阻或AD15型长寿节能电容放电信号灯。
5 结语电动机无功功率就地补偿装置主要的应用范围为单向旋转的负载,如水泵、风机、压风机、球磨机等,不适用于双向旋转的设备,也不适用于频繁点动的设备。
电动机采用无功功率就地补偿技术具有很多优点,可以节约有功电量8%～15%,节约无功功率50%～80%;还能够减少线路输送电流15%～30%,达到进一步节约线路损耗和变压器损耗的目的。
选用电容器时应提出订货的特殊要求,要求电容器标称电压比原来提高10%,即高压为6.9kV或11.5kV,低压为0.45kV,这样做可以提高电容器的使用寿命,同时也简化了电容器的保护,减少了电容器的事故率。
