交流異步電機(jī)在工業(yè)與民用建筑系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。在民用范圍中運(yùn)行機(jī)械多為連續(xù)運(yùn)行，不調(diào)速，操作不頻繁的場合，如風(fēng)機(jī)、水泵、冷凍機(jī)多為結(jié)構(gòu)簡單，易維護(hù)的異步電動機(jī)。在工礦企業(yè)中，不少電動機(jī)負(fù)荷率低，經(jīng)常處于輕載或空載狀態(tài)，功率因數(shù)普遍不高。負(fù)荷率低，則功率因數(shù)愈低，無功功率相對于有功功率的百分比更大，顯著地浪費(fèi)電能。因此對異步電動機(jī)采用無功功率補(bǔ)償以提高功率因數(shù)，節(jié)約電能，減少運(yùn)行費(fèi)用，提高電能質(zhì)量，符合我國節(jié)約能源的國策，同時亦給企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)效益。
在高低壓配電所內(nèi)設(shè)置若干組電容器，電容器接在配電母線上，補(bǔ)償供電范圍內(nèi)的無功功率。1.2 組合就地補(bǔ)償(分散就地補(bǔ)償)電容器接在高壓配電裝置或動力箱的母線上，對附近的電動機(jī)進(jìn)行無功補(bǔ)償。
將電容器裝于箱內(nèi)，放置在電動機(jī)附近，對其單獨(dú)補(bǔ)償。圖3為電容器直接接在電動機(jī)端子上或保護(hù)設(shè)備末端，一般不需要電容器用的操作保護(hù)設(shè)備，稱為直接單獨(dú)就地補(bǔ)償。圖3a為經(jīng)常操作者，采用接觸器;為非經(jīng)常操作者，采用空氣斷路器;為高壓電容器直接單獨(dú)就地補(bǔ)償，宜采用真空開關(guān)。圖4為不采用控制設(shè)備，由電動機(jī)控制開關(guān)操作，但電容器必須采用內(nèi)裝熔絲或另裝熔斷器。如采用控制設(shè)備，為控制式單獨(dú)就地補(bǔ)償，多用于降壓起動或有可逆運(yùn)行等有特殊操作要求的電動機(jī)。
2、無功功率補(bǔ)償?shù)淖饔?/div>
2.1、改善功率因數(shù)及相應(yīng)地減少電費(fèi)
根據(jù)國家水電部，物價(jià)局頒布的“功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)辦法”規(guī)定三種功率因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值，相應(yīng)減少電費(fèi)：
(1)高壓供電的用電單位，功率因數(shù)為0.9以上。
(2)低壓供電的用電單位，功率因數(shù)為0.85以上
(3)低壓供電的農(nóng)業(yè)用戶，功率因數(shù)為0.8以上。
根據(jù)“辦法”，補(bǔ)償后的功率因數(shù)以分別不超出0.95、0.94、0.92為宜，因?yàn)槌^此值，電費(fèi)并沒有減少，相反初次設(shè)備增加，是不經(jīng)濟(jì)的。
2.2、降低系統(tǒng)的能耗
功率因數(shù)的提高，能減少線路損耗及變壓器的銅耗。
設(shè)R為線路電阻，ΔP1為原線路損耗，ΔP2為功率因數(shù)提高后線路損耗，則線損減少ΔP=ΔP1-ΔP2=3R(I12-I22)(1)比原來損失減少的百分?jǐn)?shù)為(ΔP/ΔP1)×100%=1-(I2/I1)2?100%(2)式中，I1=P/( 3 U1cosφ1)，I2=P/( 3 U2cosφ2)補(bǔ)償后，由于功率因數(shù)提高，U2 >U1，為分析方便，可認(rèn)為U2≈U1，則θ=[1-(cosφ1/cosφ2)2]?100%(3) 當(dāng)功率因數(shù)從0.8提高至0.9時，通過上式計(jì)算，可求得有功損耗降低21%左右。在輸送功率P= 3UIcosφ不變情況下，cosφ提高，I相對降低，設(shè)I1為補(bǔ)償前變壓器的電流，I2為補(bǔ)償后變壓器的電流，銅耗分別為ΔP1，ΔP2;銅耗與電流的平方成正比，即ΔP1/ΔP2=I22/I12由于P1=P2，認(rèn)為U2≈U1時，即 I2/I1=cosφ1/cosφ2. 8可知，功率因數(shù)從0.8提高至0.9時，銅耗相當(dāng)于原來的80%。
2.3、減少了線路的壓降
由于線路傳送電流小了，系統(tǒng)的線路電壓損失相應(yīng)減小，有利于系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定(輕載時要防止超前電流使電壓上升過高)，有利于大電機(jī)起動。
2.4、增加了供電功率，減少了用電貼費(fèi)
對于原有供電設(shè)備來講，同樣的有功功率下，cosφ提高，負(fù)荷電流減小，因此向負(fù)荷傳輸功率所經(jīng)過的變壓器、開關(guān)、導(dǎo)線等配電設(shè)備都增加了功率儲備，發(fā)揮了設(shè)備的潛力。對于新建項(xiàng)目來說，降低了變壓器容量，減少了投資費(fèi)用，同時也減少了運(yùn)行后的基本電費(fèi)。
3、就地補(bǔ)償與集中補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)經(jīng)濟(jì)分析
3.1 電容補(bǔ)償在技術(shù)上應(yīng)注意的問題
(1)防止產(chǎn)生自勵
采用電容器就地補(bǔ)償電動機(jī)，切斷電源后，電動機(jī)在慣性作用下繼續(xù)運(yùn)行，此時電容器的放電電流成為勵磁電流，如果電容過補(bǔ)償，就可使電動機(jī)的磁場得到自勵而產(chǎn)生電壓，如圖6所示。因此，為防止產(chǎn)生自勵，可按下式選用電容QC=0.9 3UI0
(2)防止過電壓。
當(dāng)電容器補(bǔ)償容量過大，會引起電網(wǎng)電壓升高并會導(dǎo)致電容器損壞。我國并聯(lián)電容器國標(biāo)規(guī)定：“工頻長期過電壓值最多不超過1.1倍額定電壓。”因此必須符合QC< 0.1Ss的條件。
(3)防止產(chǎn)生諧振。
(4)防止受到系統(tǒng)諧波影響。
對于有諧波源的供電線路，應(yīng)增設(shè)電抗器等措施，使諧波影響不致造成電容器損壞。
3.2、兩者比較
就地補(bǔ)償較集中補(bǔ)償，更具節(jié)能效果。
4 電容補(bǔ)償控制及安裝方式的選擇
4.1 就地補(bǔ)償與集中補(bǔ)償?shù)挠嘘P(guān)規(guī)定
(1)GB12497—90《三相異步電動機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》第7.6條規(guī)定：50kW以上的電動機(jī)應(yīng)進(jìn)行功率因數(shù)就地補(bǔ)償。
(2)GB3485—83《評估企業(yè)合理用電技術(shù)導(dǎo)則》第2.9條規(guī)定：100kW以上的電動機(jī)就地補(bǔ)償無功功率。
(3)GB50052—95《供配電設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.03及5.0.10規(guī)定。
(4)國外用電委員會法規(guī)與專業(yè)學(xué)報(bào)均有類似規(guī)定與刊載。
4.2、電容補(bǔ)償方式的選擇
采用并聯(lián)電容器作為人工無功補(bǔ)償，為了盡量減少線損和電壓損失，宜就地平衡，即低壓部分的無功宜由低壓電容器補(bǔ)償，高壓部分的無功宜由高壓電容器補(bǔ)償。對于容量較大，負(fù)荷平穩(wěn)且經(jīng)常使用的用電設(shè)備的無功功率，宜就地補(bǔ)償。補(bǔ)償基本無功的電容器組宜在配變電所內(nèi)集中補(bǔ)償，在有工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化自動化>程度高的流水線、大容量機(jī)組的場所，宜分散補(bǔ)償。
4.3、電容器組投切方式的選擇
電容器組投切方式分手動和自動兩種。
對于補(bǔ)償?shù)蛪夯緹o功及常年穩(wěn)定和投切次數(shù)少的高壓電容器組，宜采用手動投切;為避免過補(bǔ)償或輕載時電壓過高，易造成設(shè)備損壞的，宜采用自動投切。高、低壓補(bǔ)償效果相同時，宜采用低壓自動補(bǔ)償裝置。
4.4、無功自動補(bǔ)償?shù)恼{(diào)節(jié)方式
以節(jié)能為主者，采用無功功率參數(shù)調(diào)節(jié);當(dāng)三相平衡時，也可采用功率因數(shù)參數(shù)調(diào)節(jié);為改善電壓偏差為主者，應(yīng)按電壓參數(shù)調(diào)節(jié);無功功率隨時間穩(wěn)定變化者，按時間參數(shù)調(diào)節(jié)。
5、電容補(bǔ)償容量的選定
5.1、集中補(bǔ)償容量確定
先進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算，確定有功功率P30和無功功率Q30，補(bǔ)償前自然功率因數(shù)為cosφ1，要補(bǔ)償?shù)降墓β室驍?shù)為cosφ2。則)QC=αP30(tgφ1-tgφ2)α為平均負(fù)荷因數(shù)。
5.2、電動機(jī)就地補(bǔ)償電容器容量確定
就地補(bǔ)償電容器容量選擇的主要參數(shù)是勵磁電流，因?yàn)椴皇闺娙萜髟斐勺詣钍沁x用電容器容量的必要條件。負(fù)載率越低，功率因數(shù)越低;極數(shù)愈多，功率因數(shù)越低;容量愈小，功率因數(shù)越低。但由于無功功率主要消耗在勵磁電流上，隨負(fù)載率變化不大，因此應(yīng)主要考慮電動機(jī)容量和極數(shù)這兩個參數(shù)，才能得到最佳補(bǔ)償效果。可用式(4)計(jì)算。
6、結(jié)合工程實(shí)例談電容補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用
以某大型項(xiàng)目中能源中心為例，該項(xiàng)目設(shè)備裝機(jī)容量約為21000多千瓦，其中高壓電動機(jī)設(shè)備容量為5400多千瓦，其他低壓設(shè)備容量為5000多千瓦。供電電源的電壓等級為10kV。本著“節(jié)能、高效”的方針，初次嘗試了采用燃汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組自發(fā)電，冷、熱、電三聯(lián)供，做到汽電共生，實(shí)現(xiàn)能源綜合利用。經(jīng)過經(jīng)濟(jì)分析，采用10kV作為高壓電動機(jī)的供電電壓等級，投資較省，同時亦減少變電環(huán)節(jié)，也就減少了故障點(diǎn)。根據(jù)負(fù)荷計(jì)算，共采用六路10kV電源，分別對高壓電動機(jī)直配。
在這個項(xiàng)目中，高壓電動機(jī)主要用于空調(diào)系統(tǒng)中的中央空調(diào)機(jī)組，以及主機(jī)的外部設(shè)備——冷凍水循環(huán)泵和冷卻水循環(huán)泵多臺設(shè)備。這些設(shè)備單機(jī)容量很大，離心機(jī)組單機(jī)最大達(dá)2810kW(共5臺)，小的870kW(共4臺)，冷凍水循環(huán)泵單機(jī)560kW(共9臺)，冷凍水循環(huán)泵單機(jī)亦有380kW(共3臺)，自然功率因數(shù)在0.8左右。如果在10kV配電室集中補(bǔ)償電容，不采用高壓無功自動補(bǔ)償?shù)脑挘绱舜笕萘康碾妱訖C(jī)起、停會使10kV側(cè)功率因數(shù)不穩(wěn)定，有可能造成過補(bǔ)償，引起系統(tǒng)電壓升高。同時，從配電室至冷凍機(jī)房高壓電動機(jī)的線路最近50m，最遠(yuǎn)140m，線路損耗相當(dāng)可觀，綜合考慮到高壓自動補(bǔ)償元件、技術(shù)、價(jià)格均要求高，因此采用高壓電容器就地補(bǔ)償，與電動機(jī)同時投切。高壓電容器組放置在電動機(jī)附近。這些電動機(jī)采用自耦降壓起動方式，高壓就地補(bǔ)償裝置以并聯(lián)電容器為主體，采用熔斷器做保護(hù)，裝設(shè)避雷器用于過電壓保護(hù)，串聯(lián)電抗器抑制涌流和諧波。這樣做，不僅提高了電動機(jī)的功率因數(shù)，降低了線路損耗，同時釋放了系統(tǒng)容量，縮小了饋電電纜的截面，節(jié)約了投資。
對于低壓設(shè)備，由二臺1000kVA及二臺1600kVA變壓器配出，低壓電機(jī)布置較分散，因此，在變電所變壓器低壓側(cè)采用電容器組集中自動補(bǔ)償。雖然一些低壓電動機(jī)的容量也不小，就地補(bǔ)償?shù)慕?jīng)濟(jì)效益亦有，但這些設(shè)備主要用于鍋爐房和給排水設(shè)備，鍋爐房的設(shè)備不如冷凍機(jī)房集中，環(huán)境較差，管理不便，因此，在低壓配電室采用按功率因數(shù)大小自補(bǔ)償是較合適的。
7、總結(jié)
對無功功率進(jìn)行補(bǔ)償?shù)墓?jié)能效果是有目共睹的，在應(yīng)用的過程中，還應(yīng)該在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上綜合考慮，根據(jù)具體情況進(jìn)行分析，來決定是采用集中補(bǔ)償還是就地補(bǔ)償，還是兩者綜合采用，從而達(dá)到使電氣設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。
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