电动机就地补偿计算公式及接线图

1.计算电动机的补偿容量

企业的高压电动机一般台数并不多， 但因容量较大， 开停时对系统的无功功率影响较大。 若利用变电站或配电站集中补偿， 在某些时段就会引起过补偿； 但如果不补偿， 又会因功率因数未达电力部门要求而会被罚款， 因此就需要无功就地补偿。

根据国家标准 GB50052—1995 《供配电系统设计规范》 第5.0.10条规定， 电动机就地补偿容量的选择应以补偿电容器的额定电流不大于电动机励磁电流的 0.9倍为准， 但不能以极端负荷情况计算。 若以空载情况补偿， 则满载时仍为滞后； 若以满载情况补偿至功率因数接近 1， 空载 （或轻载） 时势必过补偿 （即功率因数超前）。 过补偿的电动机在切断电源后， 由于电容器放电供给电动机励磁， 能使仍在旋转的电动机成为感应发电机， 而使电压超出额定电压好多倍， 对电动机绝缘和电容器绝缘都不利。

选择就地补偿装置容量 QC的计算公式有两种方法。

（1） 按电动机的空载电流选择， 则

QC＝0.9 ×31/2UNIo

式中： QC为就地补偿电容器的三相总容量， kvar； UN为电动机的额定电压， kV； Io为电动机的空载电流， A。

（2） 按电动机补偿前后的功率因数选择， 则62工业企业实用节电技术QC＝P1[tan（arccosj1） -tan（arccosj2）]式中： P1为电动机的输入功率， kW； cosj1为补偿前的功率因数；cosj2为补偿后的功率因数， 一般取值为 0.94 ～0.96。

两种计算方法取得的 QC值结果往往并不一致， 一般按第 2种方法计算 QC值， 按第 1种方法校验。 若第 2种方法计算小于第 1种方法计算的结果， 则以第 2种方法计算结果为准， 反之则以第 1种计算方法算出的结果为准。

绝大部分的空载电流用来产生旋转磁场， 称为空载励磁电流，是空载电流的无功分量。 还有很小一部分空载电流用于产生电动机空载运行时的各种功率损耗 （如摩擦、 通风和铁心损耗等）， 这一部分是空载电流的有功分量， 因占的比例很小， 可忽略不计。 因此，空载电流可以认为都是无功电流， 它越小越好， 这样电动机的功率因数提高， 对电网供电是有好处的。 如果空载电流大， 因定子绕组的导线截面积是一定的， 允许通过的电流是一定的， 则允许流过导线的有功电流就只能减小， 电动机所能带动的负载就要减小， 电动机出力降低， 带过大的负载时， 绕组就容易发热； 但是， 空载电流也不能过小， 否则又要影响到电动机的其他性能。 一般高压电动机的空载电流约为额定电流的 20％ ～40％。

2.电气主接线

用于无功功率就地补偿的高压并联电容器装置结构简单， 其电气接线如图 2 -3所示， 为了节约柜体的空间， 尽量选用带内部放电电阻的三相并联电容器， 由于补偿装置与电动机绕组直接相连接，以电动机绕组作为切断后的放电装置， 不需另行附装放电线圈。 用户可根据装设地点的条件， 选择所需的配套设备。

就地补偿的电容器容量一般较小， 不超过 400kvar， 其保护采用负荷开关 -熔断器组即可。 电容器自身带专用熔断器保护， 另外考虑到电容器柜距电动机有一定的距离， 加装了放电线圈， 带电显示器判断电容器柜是否带电。 高压开关柜保护整定以补偿后电动机的额定电流为基准。

3.元器件选择

（1） 电容器。 电容器的运行电压对电容器的发热和寿命有很大电动机和电热类设备的节能影响。

图 2 -3 就地补偿电气接线图

电容器的过电流和过负荷除由于运行电压升高引起外， 安装地点高次谐波的畸变对其影响也是主要原因， 这就需要串联相应的电抗器来抑制。

电容器的额定电压选择应考虑下列因素。

1） 电容器装置接入电网后引起的电网电压升高。

2） 高次谐波引起的电网电压升高。

3） 电容器的容差引起各电容器间承受电压不相等。

4） 装设串联电抗器后引起的电容器组过电压。

5） 系统电压调整和波动引起的系统工频过电压。

6） 轻负荷引起的系统电压升高。

按照 GB50227—1995 《并联电容器装置设计规范》 5.2.2.2规定， 电容器运行中承受的长期工频过电压应不大于电容器额定电压的 1.1倍。 根据 CECSS 33—1991 《并联电容器装置的电压、 容量系列选择标准》 的规定， 装置内每相电容器的额定电压标准值选择，应符合表 2 -1的规定。

每相电容器额定电压标准值

注 UCN为每相电容器的额定电压， kV； K为电抗器的额定电抗率； UN为系统额定电压。

这里规定的电容器额定电压是有一定裕量的， 会造成电容器的实际输出容量小于电容器的额定容量， 造成的误差一般为 -7％ ～-10％。

对于用于高压电动机就地补偿的电容器来说， 采用星形接线，每相选单台电容器， 一般就能满足补偿要求。 电容器正常情况下室内安装， 选用难燃介质的电容器。 单台电容器额定容量的选择应根据电容器组设计容量， 在电容器产品额定容量系列的优先值中选取。

优先值见表 2 -2。

电容器单台容量优先值系列

注 单台电容器容量为 334kvar时， 其 3台组合容量可按 1000kvar整数计算。

电容器装置额定输出容量应等于电容器装置的额定容量减去相应电抗器的额定容量。

（2） 电抗器。 补偿装置中串联电抗器的功能有： 可以减少电容器合闸涌流， 抑制谐波对电容器的危害， 减少系统向电容器或电容器向系统提供的短路电流值。

串联电抗器应采用干式空心电抗器， 其电抗率选择为： 当并联电容器装置接入电网处的背景谐波为 5 次及以上时， 取 4.4％ ～6％； 当并联电容器装置接入电网处的背景谐波为 3次及以上时，取 12％。

串联电抗器的额定电压和绝缘水平要符合接入处电网电压和安装方式的要求。 额定电流不小于所连接电容器组的额定电流， 其允许的长期过电流倍数不小于电容器额定电流值的 1.35倍。

串联电抗器每相额定电抗值可计算为

XN＝AXC

式中： XC为电容器一相总额定电抗； A为装置的调谐度， 为每相串联电抗器感抗值与电容器容抗值之比， 其值见表 2 -3所示。

装置调谐度的 A值

串联电抗器额定容量等于电容器的额定容量乘以电抗率 （单相和三相均可按此简便计算）， 即 Q1＝KQC。

当接入网络的电容器采用串联电抗器时， 要考虑到加装电抗器后引起加于电容器组上端电压的升高， 以免产生长期过电压运行。加于电容器上的电压 UC值为

UC＝UNXC/（XC-XL）

图 2 -3 所示的串联电抗器， 还要校验动稳定电流和热稳定电流。

（3） 熔断器。 电容器保护使用的熔断器， 首先采用喷逐式熔断器， 其额定电压不低于电容器的额定电压， 最高电压为额定电压的1.1倍。 熔断器的熔丝额定电流选择， 不应小于电容器额定电流的1.43倍， 并不宜大于额定电流的 1.55倍。 要特别注意校验熔断器的开断性能， 若不能满足要求， 则采用万能式。

（4） 放电器。 就地补偿的放电装置宜选用专用放电线圈， 其对地绝缘应按电网的额定电压选择， 一次绕组的放电容量大于电容器组的容量。 放电线圈的放电性能应能满足电容器组脱开电源后， 在5min内将电容器组上的剩余电压降至 50V及以下。

（5） 避雷器。 避雷器用于限制并联电容器装置操作过电压， 选用无间隙金属氧化物避雷器。

4.应用案例

图 2 -3也是某油库油泵房内原油装船泵电动机就地补偿的接线图， 该油库计算负荷 2600kW， 大多数为低压负荷， 其中有 3台高压防爆电动机， 额定功率 450kW1台， 315kW2台 ， 电压 6000V， 均为装船泵， 负荷为间断运行， 年运行时间 2000h， 采用就地补偿方式。由于油泵房是爆炸危险场所， 所以电容器柜安装在变电站专用房间内。 电动机距电容器柜约 100m。以 450kW高压电动机为例， 说明计算、 选型情况。 电动机型号YB450M1—4， 额定电流 54.2A， 功率因数 0.85， 空载电流 18.8A，效率 0.94。 拟补偿后的功率因数暂选 0.96。按电动机补偿前后的功率因数选择， 则 QC为 158kvar； 按电动机的空载电流校验， 则 QC为 175.8kvar。 所以， 补偿容量按 158kvar计， 选优先值单相 50kvar， 电容器型号 BFMr-6.6/31/2-50 -1， 与电容器配套的电抗器型号为 CKDG-3/6 -6， 按此配置的就地补偿电容器柜外形尺寸为 （宽 ×深 ×高） 1000mm×900mm×2200mm。

（1） 电容器实际输出容量核算。 其中电抗器容量 3 ×3 ＝9kvar，电容器电压的差异引起的容量变化 3 ×50 × （0.9）2＝122kvar， 所以电容器实际输出容量 113kvar。

（2） 额定状态下的功率因数

cosj2＝cos{arctan[450/0.94 ×tan（arccos0.85） -113] /450/0.94} ＝0.934

通过以上计算可见， 额定状态下按拟补偿后的功率因数 0.96得出的补偿量， 还必须进行容量核算， 最后得出的功率因数值还是有一定差距的。

本工程投产时在高压开关柜 AH实测， 当稳定运行功率为390kW时， 功率因数为 0.94， 补偿效果是满意的。