技術經(jīng)濟探討分析論文

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摘要：交流異步電機廣泛用于工業(yè)與民用系統(tǒng)。但不少電機負荷率低，常處于輕載或空載狀態(tài)，無功功率消耗比有功功率大，電能浪費嚴重。因此采用無功補償，提高功率因數(shù)、節(jié)約電能、減少運行費用是很有效的措施。本文對無功補償?shù)姆N類、特點、作用、經(jīng)濟效益等進行了論述。

關鍵詞：無功功率補償?shù)?a href="http://m.ushengzhilian.com/lunwen/dianzilunwen/dldzlw/200906/217191.html" target="_blank">技術經(jīng)濟特點

交流異步電機在工業(yè)與民用建筑系統(tǒng)中應用廣泛。在民用范圍中運行機械多為連續(xù)運行，不調速，操作不頻繁的場合，如風機、水泵、冷凍機多為結構簡單，易維護的異步電動機。在工礦企業(yè)中，不少電動機負荷率低，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，顯著地浪費電能。因此對異步電動機采用無功功率補償以提高功率因數(shù)，節(jié)約電能，減少運行費用，提高電能質量，符合我國節(jié)約能源的國策，同時亦給企業(yè)帶來經(jīng)濟效益。

1無功功率補償?shù)姆N類和特點

1.1集中補償

在高低壓配電所內設置若干組電容器，電容器接在配電母線上，補償供電范圍內的無功功率，如圖1所示。1.2組合就地補償(分散就地補償)電容器接在高壓配電裝置或動力箱的母線上，對附近的電動機進行無功補償，如圖2所示。

1.3單獨就地補償

將電容器裝于箱內，放置在電動機附近，對其單獨補償。圖3為電容器直接接在電動機端子上或保護設備末端，一般不需要電容器用的操作保護設備，稱為直接單獨就地補償。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就地補償，宜采用真空開關。圖4為不采用控制設備，由電動機控制開關操作，但電容器必須采用內裝熔絲或另裝熔斷器。如采用控制設備，如圖5所示，為控制式單獨就地補償，多用于降壓起動或有可逆運行等有特殊操作要求的電動機。

2無功功率補償?shù)淖饔?/p>

2.1改善功率因數(shù)及相應地減少電費

根據(jù)國家水電部，物價局頒布的“功率因數(shù)調整電費辦法”規(guī)定三種功率因數(shù)標準值，相應減少電費：

(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”，補償后的功率因數(shù)以分別不超出0.95、0.94、0.92為宜，因為超過此值，電費并沒有減少，相反初次設備增加，是不經(jīng)濟的。

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數(shù)為

(ΔP/ΔP1)×100％=1－(I2/I1)2·100％(2)

式中，I1=P/(3U1cosφ1)，I2=P/(3U2cosφ2)補償后，由于功率因數(shù)提高，U2>U1，為分析方便，可認為U2≈U1，則

θ=[1－(cosφ1/cosφ2)2]·100％(3)

當功率因數(shù)從0.8提高至0.9時，通過上式計算，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I1為補償前變壓器的電流，I2為補償后變壓器的電流，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，認為U2≈U1時，即I2/I1=cosφ1/cosφ2

可知，功率因數(shù)從0.8提高至0.9時，銅耗相當于原來的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)，有利于大電機起動。

2.4增加了供電功率，減少了用電貼費

對于原有供電設備來講，同樣的有功功率下，cosφ提高，負荷電流減小，因此向負荷傳輸功率所經(jīng)過的變壓器、開關、導線等配電設備都增加了功率儲備，發(fā)揮了設備的潛力。對于新建項目來說，降低了變壓器容量，減少了投資費用，同時也減少了運行后的基本電費。

3就地補償與集中補償?shù)募夹g經(jīng)濟分析

3.1電容補償在技術上應注意的問題

(1)防止產(chǎn)生自勵。

采用電容器就地補償電動機，切斷電源后，電動機在慣性作用下繼續(xù)運行，此時電容器的放電電流成為勵磁電流，如果電容過補償，就可使電動機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=0.93UI0

(2)防止過電壓。

當電容器補償容量過大，會引起電網(wǎng)電壓升高并會導致電容器損壞。我國并聯(lián)電容器國標規(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，應增設電抗器等措施，使諧波影響不致造成電容器損壞。

3.2兩者比較

就地補償較集中補償，更具節(jié)能效果。

4電容補償控制及安裝方式的選擇

4.1就地補償與集中補償?shù)挠嘘P規(guī)定

(1)GB12497—90《三相異步電動機經(jīng)濟運行》第7.6條規(guī)定：50kW以上的電動機應進行功率因數(shù)就地補償。

(2)GB3485—83《評估企業(yè)合理用電技術導則》第2.9條規(guī)定：100kW以上的電動機就地補償無功功率。

(3)GB50052—95《供配電設計規(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)學報均有類似規(guī)定與刊載。

4.2電容補償方式的選擇

采用并聯(lián)電容器作為人工無功補償，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償，高壓部分的無功宜由高壓電容器補償。對于容量較大，負荷平穩(wěn)且經(jīng)常使用的用電設備的無功功率，宜就地補償。補償基本無功的電容器組宜在配變電所內集中補償，在有工業(yè)生產(chǎn)機械化自動化程度高的流水線、大容量機組的場所，宜分散補償。

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；為避免過補償或輕載時電壓過高，易造成設備損壞的，宜采用自動投切。高、低壓補償效果相同時，宜采用低壓自動補償裝置。

4.4無功自動補償?shù)恼{節(jié)方式

以節(jié)能為主者，采用無功功率參數(shù)調節(jié)；當三相平衡時，也可采用功率因數(shù)參數(shù)調節(jié)；為改善電壓偏差為主者，應按電壓參數(shù)調節(jié)；無功功率隨時間穩(wěn)定變化者，按時間參數(shù)調節(jié)。

5電容補償容量的選定

5.1集中補償容量確定

先進行負荷計算，確定有功功率P30和無功功率Q30，補償前自然功率因數(shù)為cosφ1，要補償?shù)降墓β室驍?shù)為cosφ2。則

QC=αP30(tgφ1－tgφ2)

α為平均負荷因數(shù)。

5.2電動機就地補償電容器容量確定

就地補償電容器容量選擇的主要參數(shù)是勵磁電流，因為不使電容器造成自勵是選用電容器容量的必要條件。負載率越低，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，隨負載率變化不大，因此應主要考慮電動機容量和極數(shù)這兩個參數(shù)，才能得到最佳補償效果。可用式(4)計算。

6結合工程實例談電容補償?shù)膽?/p>

以某大型項目中能源中心為例，該項目設備裝機容量約為21000多千瓦，其中高壓電動機設備容量為5400多千瓦，其他低壓設備容量為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發(fā)電機組自發(fā)電，冷、熱、電三聯(lián)供，做到汽電共生，實現(xiàn)能源綜合利用。經(jīng)過經(jīng)濟分析，采用10kV作為高壓電動機的供電電壓等級，投資較省，同時亦減少變電環(huán)節(jié)，也就減少了故障點。根據(jù)負荷計算，共采用六路10kV電源，分別對高壓電動機直配。

在這個項目中，高壓電動機主要用于空調系統(tǒng)中的中央空調機組，以及主機的外部設備——冷凍水循環(huán)泵和冷卻水循環(huán)泵多臺設備。這些設備單機容量很大，離心機組單機最大達2810kW(共5臺)，小的870kW(共4臺)，冷凍水循環(huán)泵單機560kW(共9臺)，冷凍水循環(huán)泵單機亦有380kW(共3臺)，自然功率因數(shù)在0.8左右。如果在10kV配電室集中補償電容，不采用高壓無功自動補償?shù)脑挘绱舜笕萘康碾妱訖C起、停會使10kV側功率因數(shù)不穩(wěn)定，有可能造成過補償，引起系統(tǒng)電壓升高。同時，從配電室至冷凍機房高壓電動機的線路最近50m，最遠140m，線路損耗相當可觀，綜合考慮到高壓自動補償元件、技術、價格均要求高，因此采用高壓電容器就地補償，與電動機同時投切。高壓電容器組放置在電動機附近。這些電動機采用自耦降壓起動方式，高壓就地補償裝置以并聯(lián)電容器為主體，采用熔斷器做保護，裝設避雷器用于過電壓保護，串聯(lián)電抗器抑制涌流和諧波。這樣做，不僅提高了電動機的功率因數(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。

對于低壓設備，由二臺1000kVA及二臺1600kVA變壓器配出，低壓電機布置較分散，因此，在變電所變壓器低壓側采用電容器組集中自動補償。雖然一些低壓電動機的容量也不小，就地補償?shù)慕?jīng)濟效益亦有，但這些設備主要用于鍋爐房和給排水設備，鍋爐房的設備不如冷凍機房集中，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)大小自補償是較合適的。

7總結

對無功功率進行補償?shù)墓?jié)能效果是有目共睹的，在應用的過程中，還應該在技術經(jīng)濟上綜合考慮，根據(jù)具體情況進行分析，來決定是采用集中補償還是就地補償，還是兩者綜合采用，從而達到使電氣設備經(jīng)濟運行的目的。