高压电动机无功补偿容量的选择与分析
1.引言
三相异步电机是企业最常用的电气设备之一，在生产设备中占有相当的比例。由于他们都是电感性负荷,所以在生产运行中,功率因数都比较低,需要从电网中吸收大量的无功才能正常工作,这样就造成较大的电压损失和电能损失。因此必须提高电机的功率因数及回路的线损。要保证并联在机端的电容呈容性,就必须采用合适的容量,否则,过大的电容在回路中会呈现出感性,这样不但不能降低电能损耗,反而要消耗有功来抵消多出部分的电容容量所产生无功量。
提高功率因数的两种办法，一是提高电机的自然功率因数，二是安装人工补偿装置，即电容补偿装置。由于电机的自然功率因数与电路负荷性质有关，由设备负荷的性质决定，不可改，所以企业一般使用安装人工补偿装置来提高功率因数。电容补偿方式主要有三种：个别、分组和集中，三种补偿方式优缺点如表一
表一（补偿方式优缺点对比）
| 补偿方式 | 优点 | 缺点 |
|
个别 分组 集中 |
补偿效果好，投资省 补偿效果好 补偿效果好 |
产生自励现象及震荡 投资大 不能减少系统无功 |
泸湾江取水泵房电动机目前采用的是个别补偿的方式，采用个别补偿时，移相电容与电机一起并联在母线上，切断电源后，电机转速不能马上降为零，且因电容组对电机放电使得电机得到励磁，如果电容容量过大，有以下几个结果：①可能导致过补偿，倒送无功功率势必造成功率损耗增加；②可能产生幅值很大的过电压，该电压要经过相当长一段时间才能降下来，这就是励磁现象。③拉闸后，如果立即合闸，线路电压和自励磁产生的电压在相位上会有一个差角，此外，自励磁还有可能使电机产生瞬时扭矩，瞬时扭矩与电机转动方向相反，所以容易造成电机定子线圈、转轴和靠背轮的损坏。④容易击穿电容。
泸湾江的1#、3#高压电动机的功率为250KW、而4#、5#为160KW、但现在的无功就地补偿统一使用型号11/√3-50-1W的电容进行补偿，电容容量为50Kvar。实践说明，50Kvar的电容补偿对1#3#机组完全适合，则说明目前对4#、5#电机补偿容量是偏大的，造成功率损耗增加；同时导致电压升高的机率加大，有可能会危及到其他设备的安全以及补偿设备的自身安全。另外，对拉闸后立即合闸的操作所产生的设备损坏的机率也会增加。据近2年来的维修记录显示，1#、3#机组电容器共接地击穿了3台，因电容每两年更换一次，所以更换3台尚属于正常范围。而4#、5#机组电容器共接地击穿了10台，按正常损耗，每两年更换一次4#、5#机组总共需要更换6台。同时如果电容击穿维修更换过程需要用两个小时的时间，所以出现这样的设备故障，除了给公司带来一定的经济损失，还会影响正常供水。
针对这一情况，有必要通过计算分析，选择更为经济的电容容量，配套不同的就地补偿电容，使各电机的功率因数尽量接近0.99，降低电能损耗，同时保证设备的安全运行。
2.无功补偿的实施方案
2.1电机补偿容量的计算
设P1、P2为补偿前后的有功，P3为损耗值，则有P3=P1-P2
P=I＾２*Ｒ＝［Ｐ／（Ｕcosφ）］＾２*Ｒ(1)
由于设备不变，则Ｐ，Ｕ，Ｒ都不变，电机的自然功率因数cosφ也不变，即Ｐ１＝Ｐ２，所以补偿前后有功功率不变．如图１
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（图一）
设需要补偿Q2容量的无功，
由图可得Ｑ＝Ｐe*tanΦQ1=Ｐe*tanΦ1
则Q2=Q-Q1=Ｐe(tanΦ-tanΦ1)(2)
式中Ｐe为电机的额定功率，Q为电机运行在自然功率因数时的无功功率，Q1为加装人工补偿装置后的无功功率。假设加入Q2容量的电容，可把电机功率因数从0.82提到0.99。此时cosφ=0.82；cosφ1=0.99。由公式（2）得到需补偿的容量Q2=Ｐe*0.56（注1）。查看电机铭牌，Pe1=Pe3=250kw；Pe4=Pe5=160kw，由此得出1、3、4、5号机分别要补偿的容量为Q21=Q23=140Kvar，Q24=Q25=89.6Kvar由于电容柜接线方式是三相并电容补偿，所以四台机组单相补偿分别为46.7Kvar，46.7Kvar，29.9Kvar，29.9Kvar。由于10kv电容容量都是整数级，所以四台机组每相补偿的电容容量分别整定为50Kvar、50Kvar、30Kvar、30Kvar。
综合以上分析，分别采集了补偿容量为50Kvar和30Kvar的两组仪表上的实际数据。
表二补偿容量为50Kvar，机组运行有功表数据
| 设备名称 | 有功率 | |||||
| 1#进线柜 | 480 | 315 | 315 | 325 | 319 | 321 |
| 320 | 481 | 311 | 486 | 322 | 313 | |
| 1#机组启动柜 | 200 | 204 | 202 | 200 | 202 | 199 |
| 198 | 203 | 196 | 201 | 198 | ||
| 3#机组启动柜 | ||||||
| 4#机组启动柜 | 156 | 150 | 154 | 152 | ||
| 152 | 157 | 157 | ||||
| 5#机组启动柜 | 156 | 159 | 155 | 150 | ||
| 154 | 155 | 150 | 152 | |||
表三补偿容量为30Kvar，机组运行有功表数据。
| 设备名称 | 有功率 | |||||
| 1#进线柜 | 479 | 316 | 314 | 323 | 319 | 322 |
| 320 | 482 | 310 | 485 | 320 | 312 | |
| 1#机组启动柜 | 201 | 204 | 202 | 200 | 200 | 199 |
| 197 | 201 | 200 | 201 | 201 | ||
| 3#机组启动柜 | ||||||
| 4#机组启动柜 | 155 | 151 | ||||
| 151 | 156 | 153 | 156 | 153 | ||
| 5#机组启动柜 | 154 | 153 | 151 | |||
| 154 | 157 | 154 | 153 | 153 | ||
3.结论
通过以上两组数据的对比得知，补偿容量为50Kvar的时候，4#机组的有功功率平均值为154KW，5#机组的有功功率平均值为153.87KW；补偿容量为30Kvar的时候，4#的有功功率平均值为153.71KW，5#机组的有功功率平均值为153.63KW，每台机组有功功率降低了0.2KW，按目前调度开机运行时间数据统计得知，4#机组平均每天运行24个小时，5#机组平均每天运行12个小时，一年能降低的电能为：0.2KW*（12+24）*365=2628KW，节省的电费为：2628*0.6546=1720（元）。
经过试验及计算分析，泸湾江电容无功补偿，1#、3#机组电容容量不变选用50Kvar；4#、5#机组电容容量应改选用30Kvar的，50Kvar电容价格为900元，30Kvar电容价格为800元，电容成本下降100元/台。按正常预计，4#、5#机组的高压电容每两年更换一次，合计为6台，而近两年由于容量偏高而总计更换了10台，比正常多更换了4台，则平均每年节约的费用为（10*900-6*800）/2=2100元。
综上所述，更换电容容量后，每年能节省的费用为：1720+2100=3820元。虽然此电费节省不多，但是可以看出改变电容容量，即改变了无功功率，从而保证了电压稳定性。确保电力系统运行的稳定性。改变电容投加容量，能降低一定的能耗，但是最重要的是机组停机瞬间的自励磁现象得到比较好的遏制，延长了电容的使用年限，避免了设备因此而受到损坏，造成重大损失。在安全方面，已经很大程度保证了设备的正常运行，确保了设备和人身的安全。
参考文献：
《进网作业电工培训教材》
《中国水能及电气化》
《谐波抑制及无功功补偿》
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