對電動機進行無功補償應注意諧波危害
江鈞祥
(安徽省電力試驗研究所，安徽 合肥 230022)
摘 要： 通過實例分析說明，在對電動機進行無功補償時，有可能發生因電動機產生的諧波得到放大，而導致電容器早期損壞的現象。
關鍵詞：電動機；無功補償；諧波
三相交流異步電動機具有一系列優點，作為動力設備在各行業中獲得極廣泛的應用，它在運行中依靠磁場傳遞進行能量轉換來工作，不僅消耗有功功率，也需要無功工率。屬感性負荷，因此功率因數較低，約為0.76～0.89，一般需要并聯電容器進行補償，以提高功率因數，同時也提高了端電壓，有利于電動機的起動。
電動機進行無功補償具有增容、節能、提高出力等優點，經濟效益顯著，目前已得到推廣應用，但在推廣中，對某些可能存在的問題(例如諧波的危害等)并沒給予足夠的重視與研究，現筆者通過下面實例說明，電動機進行無功補償時，若條件合適，同樣存在因諧波放大而造成的危害，應引起我們的注意。
1 概況
我省境內某抽水站，安裝運行3臺180kW電動機，由于該站地處電網末端，電壓較低，電機經常起動困難，為了提高功率因數和電壓，用自愈式并聯電容器(電容器回路中未串聯電抗器)進行無功補償，但是當電容器接入電網運行后，時間不長，就出現電容器損壞現象，隨著運行時間增加，損壞的電容器越來越多，當時，懷疑電容器質量不良，就更換了電容器，但更后，仍出現同樣問題，有關方面才懷疑是否存在其他原因，向我們提出咨詢。
我們根據情況進行分析后認為，雖然該站地處農村，附近沒有任何諧波源存在，電動機本身一般不作為諧波負荷處理，也沒有見到過電動機進行無功補償后發生諧波危害的報導，但還是不應排除存在諧波危害的可能，應先進行諧波測試與分析。
2 電動機是產生高次諧波電流的諧波源
為了了解系統諧波情況，在低壓母線上僅有3臺電動機的運行工況時，進行了諧波測試與分析，為便于比較，將測試數據列于表1。
從表1中所列數據可以看到，諧波電流以3次及17次為主，根據測試數據，進行諧波功率計算后可知，3次諧波功率與基波功率方向相反，而17次諧波功率與基波功率方向相反，由此可判斷3次諧波電流系由電源的3次諧波電壓所產生，而17次諧波電流則由電動機所產生。對其他各次諧波進行計算，即可知16次等部分諧波電流亦由電動機所產生，因此電動機是產生高次諧波電流的諧波源，17次及其他各次諧波注入電網，使電網電壓波形畸變，其中17次諧波電壓高達4.727%，超過了GB／T14549-1993《電能質量公用電網諧波》中不大于4%的限值，同時也導致電壓總諧波率達到5.563%，也超過了不大于5%的規定。
3 無功補償裝置投入后產生了諧波放大現象
在低壓母線運行著3臺電動機的工況下投入無功補償裝置，對電容器回路進行諧波測試，發現由于諧波放大，通過電容器的高次諧波電流很大，表2中列出了測試數據。
從表2中所列數據不難看出，無功補償裝置投運后，發生了嚴重的諧波放大現象，其中16次與17次諧波電流已分別達到基波電流的129.2%與237.1%，而自愈式并聯電容器國標中規定，包括諧波電流在內的允許過電流為1.3倍額定電流，因此，這時的諧波電流值是相當大的。
同時，電網的電壓波形畸變加劇，低壓母線電壓的16與17次諧波電壓含有率，分別由電容器投入前的1.886%與4.727%，增大到6.998%與11.34%，母線電壓總畸變率亦由5.563%增大到14.71%，大大超過諧波國標的有關限制值，諧波電壓的增大，說明注入電網的諧波電流也相應增大。
諧波電壓的增大，將直接影響連接于該母線的各種電氣設備的安全運行，資料表明，電動機在較高的諧波電壓作用下，將發熱燒壞，壽命縮短。
4 電容器早期損壞的原因
4.1 畸變的電壓波形使電容器局部放電性能下降
由于諧波的存在，電壓波形發生畸變，使電壓峰值增高，呈鋸齒狀尖頂波。圖1所示為實側的電壓波形。
一些試驗表明，尖頂波電壓易在介質中誘發局部放電，而且因電壓變化速率快，引起的局部放電強度也較大，這將對電容器絕緣介質的老化起加速作用。
電容器的局部放電性能一般可用起始放電場強與局放熄滅場強兩個參數來表征，若局放熄滅場強低于工作場強那么由于操作過電壓所誘發的局部放電就可能在工作場強下不能熄滅，而形成長時間的局部放電。
試驗表明，當電源電壓含有諧波時，電容器的局部放電起始電壓和熄滅電壓均相應下降，而且當諧波含量較大，諧波次數越高，下降幅值越大。
雖然自愈式并聯電容器國標中對局部放電性能未作明確要求，但是局部放電對絕緣介質的影響是客觀存在的，長時間的局部放電，必然加速絕緣介質的老化，使其自愈性能惡化，最終導致電容器損壞。
4.2 嚴重的諧波過電流使電容器損耗功率增加，導致電容器異常發熱
在電容器的標準中，允許通過電容器的穩態過電流，應不超過電容器在額定頻率，額定正弦電壓下產生的電流的1.3倍，這個穩態過電流是由諧波和過電壓共同作用的結果。
在本次測試中，電壓沒有超過額定電壓，故過電流僅是諧波作用下的結果，現根據實際參數計算其過流情況，根據測試時基波電壓為181.5V（相電壓）諧波電流為基波電流的304.6％，電容器額定電壓400V，三相三角接法，由此可計算得其穩態過電流對額定電流的比值為：
式中：Ie為通過電容器的穩態過電流；
Ie1為電容器在額定頻率，額定電壓下產生的電流
過電流對電容器的影響主要是熱效應，而熱效應決定于損耗功率的大小，損耗功率與通過的電流平方成正比。
根據電容器允許過電流條件，可計算得實際損耗增加倍率S：
即電容器的實際損耗功率為允許值的3.76倍，因此，在如此大的損耗功率下，電容器將異常發熱，必然使其絕緣迅速老化而早期損壞。
5 小結
5.1 電動機會產生高次諧波，用電容器進行無功補償時，有可能會產生諧波放大現象，對此應引起我們的注意；
5.2 電動機進行無功補償時，應進行諧波測試與分析，以便采取相應的技術指施，防止諧波危害的發生。
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