電動機就地無功補償?shù)姆治鲅芯?/h1>
2024-07-14 16:21:30馬國強
機電信息 2024年13期
摘 要：電動機就地無功補償具有簡單易行、降低供電線路損耗等優(yōu)點，廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中，但是在實際運行中存在就地無功補償容量與電動機功率不匹配、電動機熱保護整定值不準確等問題。鑒于此，分析了電動機無功補償?shù)幕驹?，通過理論計算得出了就地補償容量與熱保護整定值的確定方法。
關(guān)鍵詞：電動機;就地無功補償;熱保護;電容器
中圖分類號：TM34? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）13-0017-03
DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.13.005
0? ? 引言
交流電動機屬于感性負載，在運行中需要從電網(wǎng)吸收無功功率來建立旋轉(zhuǎn)磁場，并通過電磁感應來變換和傳遞能量，這使得電網(wǎng)功率因數(shù)降低，各級線路損耗增大。在提倡綠色節(jié)能的新時代發(fā)展背景下，積極探尋有效的節(jié)能措施已刻不容緩。電動機就地無功補償作為一種簡單有效的措施，在電動機節(jié)能運行中越來越受重視。就地無功補償就是在電動機附近加裝一定容量的并聯(lián)電容器，就近補償電動機中的無功功率，就地補償?shù)哪康某颂岣吖β室驍?shù)，還能夠減小電動機供電線路的電流，這是集中補償方式達不到的效果。因此，對于電網(wǎng)節(jié)能而言，電動機就地無功補償具有很大的實際應用意義。
電動機就地無功補償原理簡單，也容易實現(xiàn)，對于容量較大、負荷平穩(wěn)且經(jīng)常使用的電動機，宜采取就地補償?shù)姆绞健５趯嵤┻^程中，經(jīng)常出現(xiàn)配置的電容器容量不合適造成補償效果差、電動機得不到及時有效的熱保護等問題。鑒于此，本文從無功補償?shù)幕驹怼⒗碚撚嬎愕确矫孢M行分析研究。
1? ? 無功補償?shù)幕驹?/p>
無功補償是利用并聯(lián)電容器為電網(wǎng)中的感性無功負荷提供無功功率，負載所需的無功功率由電容器提供，不再從電源處獲得，因此電網(wǎng)的功率因數(shù)提高，線路損失降低。負載的無功功率補償分為變壓器低壓側(cè)集中補償和就地補償兩種，兩種補償方式各有利弊。
1）變壓器低壓側(cè)集中補償。
如圖1所示，電容器組C1接于變壓器TM的0.4 kV母線，主要目的是提高變壓器低壓負荷的總體功率因數(shù)，實現(xiàn)變壓器低壓側(cè)無功平衡，對10 kV側(cè)線路和變壓器有降損作用，同時也可提高負荷側(cè)的電壓水平，補償效果較好。這種方式運行可靠，便于管理和維護，裝置壽命相對較長。缺點是供電線路中的電流還是有功電流Ip、無功電流Iq兩部分，變壓器至電動機之間的線路電流并沒有減少，因此無法降低電動機供電線路的損耗。
2）就地補償。
如圖1所示，電容器組C2直接裝設在電動機旁邊，與電動機同時投入或退出運行，使電動機消耗的無功功率得到及時就地補償。該方式使補償點以上線路輸送的無功功率減少，能獲得最明顯的降損效益，假設電容器能夠完全補償電動機的無功功率，此時供電線路的電流只存在有功電流Ip。補償電容器與設備同時投入或退出，無須頻繁調(diào)整補償容量，占位小、檢修方便、事故率低[1]。對于連續(xù)運行的大中型電動機，就地無功補償降損節(jié)電效果更加顯著。但這種方式只能作為輔助補償方式應用，因是逐臺補償，會使總投資增大，日常維護量也相應增加。
2? ? 就地無功補償容量的確定
應按全面規(guī)劃、合理布局、就地平衡的原則，確定最優(yōu)就地補償容量。不同的電網(wǎng)條件、補償目的、功能要求，應采用不同的計算方法。
2.1? ? 按照功率因數(shù)要求值確定補償容量
電動機在運行時，功率因數(shù)大都在0.75～0.85，供電部門要求的功率因數(shù)一般大于0.9。按照供電部門要求的功率因數(shù)進行就地補償時，補償容量的計算如下：
Qc=P（tan φ1-tan φ2）（1）
式中：Qc為補償容量;P為電動機功率;tan φ1為補償前功率因數(shù)角正切值;tan φ2為要求的功率因數(shù)角正切值（目標值）。
2.2? ? 按照防止電動機自勵磁過電壓確定補償容量
電動機在電源斷開自由停車時，如果電容器補償容量過大，電動機可能產(chǎn)生自勵磁，轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機狀態(tài)而產(chǎn)生過電壓。對于單臺電動機就地補償容量的選擇，為了防止產(chǎn)生自勵磁過電壓，補償容量不宜過大，應保證電動機在額定電壓下斷電時，電容器的放電電流不大于空載電流的90%[2]?？蛰d電流值可按電動機最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)推算[3]，見式（3）。
Qc≤0.9×UI0（2）
I0=Ie（sin φ-）（3）
式中：Qc為補償容量;U為電動機額定電壓;I0為電動機的空載電流;Ie為電動機的額定電流;sin φ為功率因數(shù)角正弦值;cos φ為功率因數(shù)角余弦值;b為最大轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩。
綜上所述，電動機就地無功補償容量Qc按式（1）計算后，還需按式（2）進行校驗，式（1）的計算值不應大于式（2）的計算值，否則Qc取式（2）的計算值。
3? ? 電動機熱保護整定值的確定
電動機過載時的熱保護元件通常是靠熱繼電器、馬達保護器來實現(xiàn)，電動機沒有就地補償電容器時，熱保護整定值是以電動機的額定電流作為基準，在此基礎上乘以一個過載系數(shù)，如1.05、1.1等。電動機配置就地無功補償后，電容器安裝位置不同，流經(jīng)熱保護元件的電流也不同，這是現(xiàn)場運行中容易忽視的地方，所以在進行熱保護元件電流整定時，應嚴謹對待、立足實際情況，以實際流過熱保護元件的電流為基準進行整定。
3.1? ? 就地補償點位于供電電源側(cè)
如圖2所示，電容器CA與電源母線L連接，電容器CA位于熱保護元件FR的上方，流經(jīng)熱保護元件FR的電流是電動機M的額定電流。這種情況下，熱保護元件的整定值以電動機額定電流作為基準進行整定即可。
3.2? ? 就地補償點位于電動機端子側(cè)
如圖3所示，電容器CA與電動機M的接線端子直接連接，電容器CA位于熱保護元件FR的下方，流經(jīng)熱保護元件FR的電流只有電網(wǎng)提供的電流，不含電容器CA提供的無功電流。因電容器CA不能完全補償電動機M的感性無功功率，電動機M還需要從電網(wǎng)吸收一定量的無功功率，流經(jīng)熱保護元件FR的電流為電網(wǎng)提供電動機有功電流和少量無功電流。這種情況下，熱保護元件的整定值應以流經(jīng)熱保護元件FR的實際電流（小于電動機的額定電流）作為基準進行整定。
4? ? 研究計算
為了更加清晰直觀地闡述電動機就地無功補償容量和熱保護元件整定值的問題，本文對一臺工業(yè)生產(chǎn)用的45 kW電動機進行研究計算，電動機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。
4.1? ? 就地補償容量的計算
1）假設供電部門要求功率因數(shù)至少達到0.92，按式（1）計算：
Qc=P（tan φ1-tan φ2）=45×（0.62-0.43）≈8.6 kvar
2）考慮自勵磁過電壓，按式（2）（3）計算：
I0=Ie（sin φ-）=84×（0.53-）≈28.3 A
Qc=Qc≤0.9×UI0=0.9××0.38×28.3≈16.8 kvar
由計算結(jié)果可知，補償電容器的最大容量不能超過16.8 kvar，在電容器選型時，按照標準序列容量向下取值，就近選擇容量為15 kvar的電容器，如果此時向上選擇20 kvar的電容器，則有可能會產(chǎn)生自勵磁過電壓。
4.2? ? 熱保護元件的整定計算
1）就地補償點位于供電電源側(cè)。
此時流經(jīng)熱保護元件FR的電流為電動機M的額定電流，即IFR=Ie，若過載系數(shù)取1.05，則熱保護元件FR的整定值：IZ=1.05IFR=1.05×84=88.2 A。
2）就地補償點位于電動機端子側(cè)。
此時電容器的補償電流直接進入電動機M，不流經(jīng)熱保護元件FR，流過熱保護元件FR的電流為電動機M的有功電流與無功差額電流的矢量和，即：
IFR=（4）
式中：IFR為流經(jīng)熱保護元件的電流;Ip為電動機的額定有功電流;Iq為電動機的額定無功電流;Ic為就地補償無功電流;Iq-Ic為無功差額電流。
根據(jù)表1的技術(shù)參數(shù)，得出以下計算數(shù)值：
Ip=Ie×cos φ=84×0.85=71.4 A
Iq=Ie×sin φ=84×0.53≈44.5 A
電動機額定運行時需要的無功功率Q=P×tan φ=45×0.62=27.9 kvar。
就地補償電容器的容量已選定為15 kvar，則電動機還需要從電網(wǎng)中吸收12.9 kvar的無功功率，此時Iq-Ic=≈19.6 A。
將上述數(shù)值代入式（4）中，IFR==≈74.0 A，若過載系數(shù)取1.05，則熱保護元件FR的整定值：IZ=1.05×IFR=1.05×74.0=77.7 A。
通過比較發(fā)現(xiàn)，就地補償電容器安裝位置不同，熱保護元件整定值差別較大，電容器安裝在電動機端子處時，熱保護元件的整定電流小很多。如果在實際運行中，不注意此處細節(jié)，仍按照電動機額定電流來確定熱保護元件的整定值，會使電動機過熱后，熱保護元件無法及時動作而燒毀電動機。
5? ? 結(jié)束語
電動機就地無功補償節(jié)能效果好且實施簡單，應用較為廣泛，在現(xiàn)場的實際應用中，人們對于補償容量的選取和熱保護元件的整定問題存在一定的誤區(qū)。本文通過原理分析和實際計算，對問題做了較為嚴謹細致的探討，得出了相應的計算方法，提供了一種分析計算的思路，這對電動機就地無功補償?shù)脑O計、現(xiàn)場運行具有較大的參考意義。
[參考文獻]
[1] 中國航空規(guī)劃設計研究總院有限公司.工業(yè)與民用供配電設計手冊[M].4版.北京：中國電力出版社，2016.
[2] 供配電系統(tǒng)設計規(guī)范：GB 50052—2009[S].
[3] 《鋼鐵企業(yè)電力設計手冊》編委會.鋼鐵企業(yè)電力設計手冊（上冊）[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1996.
作者簡介：馬國強（1990—），男，山東濟南人，電氣工程師，研究方向：電氣工程及其自動化。
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關(guān)鍵詞：電動機;就地無功補償;熱保護;電容器
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0? ? 引言
交流電動機屬于感性負載，在運行中需要從電網(wǎng)吸收無功功率來建立旋轉(zhuǎn)磁場，并通過電磁感應來變換和傳遞能量，這使得電網(wǎng)功率因數(shù)降低，各級線路損耗增大。在提倡綠色節(jié)能的新時代發(fā)展背景下，積極探尋有效的節(jié)能措施已刻不容緩。電動機就地無功補償作為一種簡單有效的措施，在電動機節(jié)能運行中越來越受重視。就地無功補償就是在電動機附近加裝一定容量的并聯(lián)電容器，就近補償電動機中的無功功率，就地補償?shù)哪康某颂岣吖β室驍?shù)，還能夠減小電動機供電線路的電流，這是集中補償方式達不到的效果。因此，對于電網(wǎng)節(jié)能而言，電動機就地無功補償具有很大的實際應用意義。
電動機就地無功補償原理簡單，也容易實現(xiàn)，對于容量較大、負荷平穩(wěn)且經(jīng)常使用的電動機，宜采取就地補償?shù)姆绞健５趯嵤┻^程中，經(jīng)常出現(xiàn)配置的電容器容量不合適造成補償效果差、電動機得不到及時有效的熱保護等問題。鑒于此，本文從無功補償?shù)幕驹怼⒗碚撚嬎愕确矫孢M行分析研究。
1? ? 無功補償?shù)幕驹?/p>
無功補償是利用并聯(lián)電容器為電網(wǎng)中的感性無功負荷提供無功功率，負載所需的無功功率由電容器提供，不再從電源處獲得，因此電網(wǎng)的功率因數(shù)提高，線路損失降低。負載的無功功率補償分為變壓器低壓側(cè)集中補償和就地補償兩種，兩種補償方式各有利弊。
1）變壓器低壓側(cè)集中補償。
如圖1所示，電容器組C1接于變壓器TM的0.4 kV母線，主要目的是提高變壓器低壓負荷的總體功率因數(shù)，實現(xiàn)變壓器低壓側(cè)無功平衡，對10 kV側(cè)線路和變壓器有降損作用，同時也可提高負荷側(cè)的電壓水平，補償效果較好。這種方式運行可靠，便于管理和維護，裝置壽命相對較長。缺點是供電線路中的電流還是有功電流Ip、無功電流Iq兩部分，變壓器至電動機之間的線路電流并沒有減少，因此無法降低電動機供電線路的損耗。
2）就地補償。
如圖1所示，電容器組C2直接裝設在電動機旁邊，與電動機同時投入或退出運行，使電動機消耗的無功功率得到及時就地補償。該方式使補償點以上線路輸送的無功功率減少，能獲得最明顯的降損效益，假設電容器能夠完全補償電動機的無功功率，此時供電線路的電流只存在有功電流Ip。補償電容器與設備同時投入或退出，無須頻繁調(diào)整補償容量，占位小、檢修方便、事故率低[1]。對于連續(xù)運行的大中型電動機，就地無功補償降損節(jié)電效果更加顯著。但這種方式只能作為輔助補償方式應用，因是逐臺補償，會使總投資增大，日常維護量也相應增加。
2? ? 就地無功補償容量的確定
應按全面規(guī)劃、合理布局、就地平衡的原則，確定最優(yōu)就地補償容量。不同的電網(wǎng)條件、補償目的、功能要求，應采用不同的計算方法。
2.1? ? 按照功率因數(shù)要求值確定補償容量
電動機在運行時，功率因數(shù)大都在0.75～0.85，供電部門要求的功率因數(shù)一般大于0.9。按照供電部門要求的功率因數(shù)進行就地補償時，補償容量的計算如下：
Qc=P（tan φ1-tan φ2）（1）
式中：Qc為補償容量;P為電動機功率;tan φ1為補償前功率因數(shù)角正切值;tan φ2為要求的功率因數(shù)角正切值（目標值）。
2.2? ? 按照防止電動機自勵磁過電壓確定補償容量
電動機在電源斷開自由停車時，如果電容器補償容量過大，電動機可能產(chǎn)生自勵磁，轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機狀態(tài)而產(chǎn)生過電壓。對于單臺電動機就地補償容量的選擇，為了防止產(chǎn)生自勵磁過電壓，補償容量不宜過大，應保證電動機在額定電壓下斷電時，電容器的放電電流不大于空載電流的90%[2]?？蛰d電流值可按電動機最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)推算[3]，見式（3）。
Qc≤0.9×UI0（2）
I0=Ie（sin φ-）（3）
式中：Qc為補償容量;U為電動機額定電壓;I0為電動機的空載電流;Ie為電動機的額定電流;sin φ為功率因數(shù)角正弦值;cos φ為功率因數(shù)角余弦值;b為最大轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩。
綜上所述，電動機就地無功補償容量Qc按式（1）計算后，還需按式（2）進行校驗，式（1）的計算值不應大于式（2）的計算值，否則Qc取式（2）的計算值。
3? ? 電動機熱保護整定值的確定
電動機過載時的熱保護元件通常是靠熱繼電器、馬達保護器來實現(xiàn)，電動機沒有就地補償電容器時，熱保護整定值是以電動機的額定電流作為基準，在此基礎上乘以一個過載系數(shù)，如1.05、1.1等。電動機配置就地無功補償后，電容器安裝位置不同，流經(jīng)熱保護元件的電流也不同，這是現(xiàn)場運行中容易忽視的地方，所以在進行熱保護元件電流整定時，應嚴謹對待、立足實際情況，以實際流過熱保護元件的電流為基準進行整定。
3.1? ? 就地補償點位于供電電源側(cè)
如圖2所示，電容器CA與電源母線L連接，電容器CA位于熱保護元件FR的上方，流經(jīng)熱保護元件FR的電流是電動機M的額定電流。這種情況下，熱保護元件的整定值以電動機額定電流作為基準進行整定即可。
3.2? ? 就地補償點位于電動機端子側(cè)
如圖3所示，電容器CA與電動機M的接線端子直接連接，電容器CA位于熱保護元件FR的下方，流經(jīng)熱保護元件FR的電流只有電網(wǎng)提供的電流，不含電容器CA提供的無功電流。因電容器CA不能完全補償電動機M的感性無功功率，電動機M還需要從電網(wǎng)吸收一定量的無功功率，流經(jīng)熱保護元件FR的電流為電網(wǎng)提供電動機有功電流和少量無功電流。這種情況下，熱保護元件的整定值應以流經(jīng)熱保護元件FR的實際電流（小于電動機的額定電流）作為基準進行整定。
4? ? 研究計算
為了更加清晰直觀地闡述電動機就地無功補償容量和熱保護元件整定值的問題，本文對一臺工業(yè)生產(chǎn)用的45 kW電動機進行研究計算，電動機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。
4.1? ? 就地補償容量的計算
1）假設供電部門要求功率因數(shù)至少達到0.92，按式（1）計算：
Qc=P（tan φ1-tan φ2）=45×（0.62-0.43）≈8.6 kvar
2）考慮自勵磁過電壓，按式（2）（3）計算：
I0=Ie（sin φ-）=84×（0.53-）≈28.3 A
Qc=Qc≤0.9×UI0=0.9××0.38×28.3≈16.8 kvar
由計算結(jié)果可知，補償電容器的最大容量不能超過16.8 kvar，在電容器選型時，按照標準序列容量向下取值，就近選擇容量為15 kvar的電容器，如果此時向上選擇20 kvar的電容器，則有可能會產(chǎn)生自勵磁過電壓。
4.2? ? 熱保護元件的整定計算
1）就地補償點位于供電電源側(cè)。
此時流經(jīng)熱保護元件FR的電流為電動機M的額定電流，即IFR=Ie，若過載系數(shù)取1.05，則熱保護元件FR的整定值：IZ=1.05IFR=1.05×84=88.2 A。
2）就地補償點位于電動機端子側(cè)。
此時電容器的補償電流直接進入電動機M，不流經(jīng)熱保護元件FR，流過熱保護元件FR的電流為電動機M的有功電流與無功差額電流的矢量和，即：
IFR=（4）
式中：IFR為流經(jīng)熱保護元件的電流;Ip為電動機的額定有功電流;Iq為電動機的額定無功電流;Ic為就地補償無功電流;Iq-Ic為無功差額電流。
根據(jù)表1的技術(shù)參數(shù)，得出以下計算數(shù)值：
Ip=Ie×cos φ=84×0.85=71.4 A
Iq=Ie×sin φ=84×0.53≈44.5 A
電動機額定運行時需要的無功功率Q=P×tan φ=45×0.62=27.9 kvar。
就地補償電容器的容量已選定為15 kvar，則電動機還需要從電網(wǎng)中吸收12.9 kvar的無功功率，此時Iq-Ic=≈19.6 A。
將上述數(shù)值代入式（4）中，IFR==≈74.0 A，若過載系數(shù)取1.05，則熱保護元件FR的整定值：IZ=1.05×IFR=1.05×74.0=77.7 A。
通過比較發(fā)現(xiàn)，就地補償電容器安裝位置不同，熱保護元件整定值差別較大，電容器安裝在電動機端子處時，熱保護元件的整定電流小很多。如果在實際運行中，不注意此處細節(jié)，仍按照電動機額定電流來確定熱保護元件的整定值，會使電動機過熱后，熱保護元件無法及時動作而燒毀電動機。
5? ? 結(jié)束語
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[參考文獻]
[1] 中國航空規(guī)劃設計研究總院有限公司.工業(yè)與民用供配電設計手冊[M].4版.北京：中國電力出版社，2016.
[2] 供配電系統(tǒng)設計規(guī)范：GB 50052—2009[S].
[3] 《鋼鐵企業(yè)電力設計手冊》編委會.鋼鐵企業(yè)電力設計手冊（上冊）[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1996.
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