摘要：介紹了電動機無功功率就地補償時,電容器容量的選擇方法和接線方式,分析了并聯電容器損壞的原因,提出增加并聯補償電容器的額定標稱電壓是防止電容器損壞的有效方法。
關鍵詞：無功功率就地補償電容器電動機
電動機無功功率就地補償技術是國家推廣的一項節電項目。大力推廣這一新技術,對節能具有十分重要的意義。在煤礦井下,由于低壓供電負荷距離變壓器較遠,采用電動機無功功率就地補償技術除了節約電能外,還可降低線路壓降、使電動機易于起動。
1、電動機就地補償容量的選擇
電動機就地補償容量的選擇,一般應以空載時補償其功率因數至1為宜,不能以負荷情況計算。因為以空載情況補償,則滿載時仍為滯后。若以負荷情況補償至cos=1,空載(或輕載)時勢必過補償(即功率因數超前)。過補償的電動機在切斷電源后,由于電容器之放電供給電動機以勵磁,能使仍在旋轉的電動機成為感應發電機,而使電壓超出額定電壓好多倍,對電動機的絕緣和電容器的絕緣都不利,因此,感應電動機就地補償的電容器容量可由下式確定:
QC≤1.732UNI0
式中:QC—就地補償電容器的三相總容量,kW;
UN—電動機的額定電壓,kV;
I0—電動機的空載電流,A。
防止電動機產生自激的電容器容量可按下式選用:
QC=0.9×1.732UNI0=1.5588UNI0
就地補償電容器容量選擇的主要參數是電動機的勵磁電流,因為不使用電容器可以造成電動機自激是選用電容器容量的必要條件。由于電動機的功率因數與負載率、極數和容量有很大關系,負載率越低,功率因數越低;極數越多,功率因數也越低;同時,容量越小,功率因數也越低。電動機電容器制造廠訂做6.9kV標稱電壓的高壓電容器和0.45kV標稱電壓的低壓電容器。
2、電容器的過電壓
2.1電容器的無功功率與運行電壓的平方成正比
在正弦波電壓條件下,電容的無功功率為:
Q=UI=U2/XC=ωCU2
從上式中可以清楚看出,Q與U2成正比,當電容器的運行電壓為額定電壓的90%時,無功功率Q降低了19%,而當運行電壓為額定電壓的110%或120%時,無功功率分別增加了21%或44%。
2.2運行電壓升高,使電容器的發熱和溫升都增加
電容器中由于介質損失引起的有功功率損失PS,可用下式表示:
PS=ωCU2tgδ
從上式中可以看出,電容器的功率損耗和發熱量也隨著電壓值的平方變化,運行電壓的升高,會使電容器的溫度顯著增大。當過電壓太高時,就會導致熱不平衡,最后造成電容器損壞。
2.3 電容器的壽命隨電壓的升高而縮短
電容器內部的絕緣介質在長期高電場作用下產生老化作用,使電容器絕緣強度逐漸降低而發生擊穿。電容器絕緣介質的電場強度愈高,老化愈快,電容器絕緣介質的壽 命也愈短。研究認為,當電壓增加15%時,其壽命就可以縮短到運行于額定電壓時的32.7%～37.6%左右。因此,嚴格要求電容器運行電壓在允許范圍之內,是保證電容器安全運行的重要措施。根據相電力電容器運行電壓的標準規定,電容器不要在超過1.1倍額定電壓下長期運行。
2.4 補償電容器串聯的影響
當每相之間的電容器組是由幾個單臺電容器串聯以后再接入電網時,由于各臺電容值的差異,而承受的電壓并不一致,也會引起過電壓(制造標準上允許的誤差為±10%,過電壓即可達到20%)。另外,對于中性點不接地的接線電容器組,相間電容差值也會產生三相電壓的不平衡。
2.5 串聯電抗器的影響
當接入網絡的電容器組采用串聯6%的電抗器以防止高頻諧波共振時,要考慮到加裝電抗器后引起加于電容器組上端電壓的升高,以免產生長期過電壓運行。
2.6 應提高補償電容器的額定電壓
目前我國生產的移相電容器其額定電壓是按照電力系統的標準電壓而設計的,例如0.4kV/6.3kV/10.5kV等,如果這些電容器接在變電所或在變電所附近,由于送電端的關系,其母線運行電壓往往高于電容器的標稱電壓,例如0.4kV或6.9kV或者11.5kV,在此基礎上往往又可能在10%的過電壓下持續運行,尤以輕負荷時更為嚴重,這樣將嚴重地影響到電容器的使用壽命。因此有必要向電力電容器制造廠訂做6.9kV標稱電壓的高壓電容器和0.45kV標稱電壓的低壓電容器。
3、電容器的過電流和過負荷
3.1電容器的過電流和過負荷
移相電容器的過電流和過負荷主要是由于運行電壓的升高或高次諧波的畸變兩個原因引起的。第一機械工業部標準JB1629-75對移相電容器規定,必須能在由于電壓升高或高次諧波引起的不超過1.3倍的額定電流下長期工作。如果電容器組的過電流和過負荷超過廠家規定的允許范圍時,應將電容器組從電源上斷開,并采取相應措施加以解決后方可投入運行。
3.2電容器的電流和無功負荷的關系
三相電容器的額定電流和額定無功功率的關系如下:
IN=QC/1.732UN
運行中的三相電容器無功負荷功率和運行電流的關系如下:
Q=1.732UI
3.3防止諧波共振過電壓和電容器嚴重過負荷
若安裝地點運行電壓并不高,但電容器過流又很嚴重,則應主要考慮波形畸變的問題,首先應對附近用戶負荷性質進行了解,分析其諧波成分及比例,找出產生諧波的原因。當網絡有諧波源并影響到電容器安全運行時,可以在電容器回路中串聯一組電抗器,其感抗值的選擇應該在可能產生的任何諧波下均使電容器回路的總電抗為感抗而不是容抗,從根本上消除產生諧波的可能。電抗器感抗值XL按下式計算:
XL=KXC/n2
式中:XC—補償電容器的工頻容抗,Ω;
n—可能產生的最低諧波次數;
K—可靠系數,一般取1.2～1.5。
可能產生的最低諧波次數,一般取n=5,則:
XL=1.5X5/n2=0.06XC
我國用于6kV和10kV電容器的電抗器,一般為三相鐵芯式,電抗器的額定電流應稍大于電容器的電流。但應注意,由于串聯電抗器的結果,加于電容器上的電壓Uc升高了,其值為:
UC=UXC/(XC-XL)
如果系統電壓較高,要防止由于加裝電抗器引起的電容電壓長期過運行。
4、就地補償的接線方式
4.1直接起動和降壓起動的電動機的補償接線
對直接起動或以變阻器、電抗器、自耦變壓器起動的高低壓三相異步電動機,電動機無功功率就地補償裝置的電容器可以直接和它的出線端子相連接,電容器和電動機之間不需要裝設任何開關設備。當電動機和電源脫離之后其繞組即為電容器放電電阻,因此不必專設電容器的放電裝置。高壓電動機的就地補償裝置,一般串聯接入6%容抗值的三相電抗器,以防止高頻諧波共振對電容器造成的損害。
4.2星—三角起動器起動的電動機的補償接線
對于采用星—三角起動器起動的異步電動機,最好采用三臺單相電容器,每臺電容器直接并聯在電動機每相繞組的兩個端子上,使電容器的接法總是和電動機繞組的接法相一致,電容器和電動機之間也不需要裝設開關設備。
4.3煤礦井下中央變電所水泵電機的補償
根據《煤礦安全規程》,煤礦井下中央變電所水泵電動機需要裝設三組,一組使用,一組備用,一組檢修。而電容補償設備可以只裝設一組,三臺電動機共用,采用成套設備。當電動機起動時,其控制柜的輔助開關接點接通電容器柜的高壓真空接觸器,當電動機退出運行時,控制柜的輔助開關斷開電容器柜的高壓真空接觸器。由于電容器柜采用單獨的保護和控制,其可靠性較高,但應安裝專用電容放電裝置(一般用電壓互感器作為放電裝置)。
4.4起動困難的低壓電動機的補償接線
煤礦井下低壓電動機經常因供電距離太遠造成起動困難,這時可以采用電動機無功功率就地補償技術,為了提升負載端電壓,可以適當增加補償電容器的容量,當電容器的容量達到一定數量時(即過補償),負載端的電壓有可能達到或超過電源電壓。當然,正常使用時不必要做到負載端的電壓達到電源電壓,否則線路有功損耗將增大。為了避免造成電動機的自激,電容器組使用單獨的真空接觸器控制,真空接觸器由電動機控制接觸器的輔助接點控制通斷,當電動機脫離電源時電容器也脫離電動機。電容器組應設專用放電電阻或AD15型長壽節能電容放電信號燈。
5、結語
電動機無功功率就地補償裝置主要的應用范圍為單向旋轉的負載,如水泵、風機、壓風機、球磨機等,不適用于雙向旋轉的設備,也不適用于頻繁點動的設備。
電動機采用無功功率就地補償技術具有很多優點,可以節約有功電量8%～15%,節約無功功率50%～80%;還能夠減少線路輸送電流15%～30%,達到進一步節約線路損耗和變壓器損耗的目的。選用電容器時應提出訂貨的特殊要求,要求電容器標稱電壓比原來提高10%,即高壓為6.9kV或11.5kV,低壓為0.45kV,這樣做可以提高電容器的使用壽命,同時也簡化了電容器的保護,減少了電容器的事故率。
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