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小型电动机无功就地补偿的应用
摘 要 本文结合现场实际条件，通过对设备过流发热问题的解决方案的探讨，综合阐述了异步电动机无功就地补偿的应用，提供了关于电动机就地无功补偿的相关计算方法及应注意事项。
关键词：低速潜水搅拌器 功率因数 无功就地补偿
1 项目简介
某热电有限公司属于循环经济的试点项目，对园区企业采用集中供热、供水及污水集中回收处理，在保护东江水源的同时创造了循环经济的新型模式。项目一期工程配套了2×100MW的抽汽机组、12万吨/天的工业净水厂及10万米3/天的污水处理厂。
2 污水厂设备概况
某污水处理厂根据园区漂染行业的特点，在生化处理方面采用2种工艺，一组采用A/O微孔曝气工艺,另一组采用氧化沟表面曝气工艺。本文探讨的设备是安装在水解酸化池的8台低速潜水搅拌器，型号为Amamix C 635/812 UMC 转速N=470r/h，轴功率P2=10kW（电动机的功率铭牌未提供，根据铭牌参数可知电动机的功率P1=√3UICOSφ=√3×380×40×0.54=14.2 kW，一般要求电机功率/轴功率＞1.1; P1/ P2=1.42>1.1,满足要求），额定电流IN=40A，功率因数COSφ=0.54。这种低速潜水推流器其主要功能是兼搅拌混合和推流功能；该设备通过大形叶轮将液体在向前推进的同时，将水解酸化池里的混合液进行充分地搅拌混合，以改善水流条件，使水体获得工艺所要求的流速，有效防止污泥的沉淀，提高污水处理效率。 电气方面是按常规功率10kW 额定电流20A来配置；所以选用的断路器32A，接触器25A，热继电器19~26A。
3 存在问题及原因分析
由于设计人员提供的水解酸化池低速潜水搅拌器的参数不够详细，导致在定购设备时，选择的电动机功率因数偏低(只有0.54);再加上提供的功率10kW,未说明是轴功率,电气设计人员误当作电机的功率来确定电器元器件,结果运行过程断路器严重发热,热继电器满足不了额定电流40A的要求，更换63A断路器及48A接触器及热继电器后，运行不到30分钟,接线位置温度已高达110℃，已远远超出断路器最高允许运行温度70℃，导致设备无法继续运行。
引起开关发热的原因有：
（1）开关端头接线接触不良；
（2）又因是板后接线，接线螺丝又是一个热源；
（3）开关柜布置过于密集，在72E柜布置了18个额定电流为40A的1/2抽屉单元，散热效果比较差；
（4）电缆截面选择偏小，电缆选用VV4*6的电缆，VV4*6的电缆在空气中的敷设时允许载流量为27A,电缆载流量满足不了要求。
根据以上原因逐步排除引起发热的因素，接线端子逐一拧紧，并在接线端子上涂上导电膏，增加接触面；把接线螺杆更换成电阻率较小的铜螺杆，减小螺杆发热量，试运行30分钟后，仍然发热严重，温度达到90℃。受于配电柜空间与结构的限制，在不改变本身柜子设计情况下，可以考虑在柜顶加装抽风机改变散热条件；或者通过增加就地无功补偿，减小其运行电流，从而改变发热的主要条件。若采用只改变散热条件，不但需要更换断路器，接触器，热继电器等元器件还需更换电缆，投资及工作量远大于采用改变发热条件, 通过比较我们最终采用电动机就地无功补偿这种做法。
4 电动机无功就地补偿的方案
采用电动机无功就地补偿，并不会改变电动机的原有出力；对于持续运行而又没有频繁启动的潜水搅拌器来说，它是一种经济、简单、高效、可靠的无功补偿方法。
4.1采用无功就地补偿的经济性及可靠性
（1）就地补偿可减少线路功耗：
输电线路的有功功率损耗为： ΔP=3I2R=3P2R／U2cos2α
若采取集中补偿，只能减小外部线路的线损，而内部线路的功耗得不到补偿；
（2）减少线路电流，可减少导线截面积10-30%
通过就地增加无功补偿装置，可以使线路运行电流下降约40%，所以无须更换原有的电缆及开关柜的元器件；
（3）改善用电质量，能提高电动机的端电压2-4%；
（4）降低变压器和线路的视在功率，实际可提高变压器容量20%~35%；
（5）因为补偿电容器随电动机投切，只要补偿的电容器容量配置适当，不存在无功过补偿，有较为理想的补偿效果。
一个合适容量的电容器可以与异步电动机直接并联，而不需要外加其它保护装置，这是因为：①异步电动机在运行时所需要的无功功率从异步电动机的等效电路中可知由两部分组成：一部分是励磁支路所需的无功功率；另一部分是负荷支路所需的无功功率。小容量的异步电动机主要是励磁支路所需的无功功率，当负荷从由零到满载时，其变化很小，随负荷的增加而略有下降；而负荷支路所需的无功功率随负荷增加而增加，其值一般要比励磁支路所需的无功功率要小，异步电动机容量越小，相对的比例也越小。小容量的异步电动机从空载到满载，其总的无功功率的变化不大。异步电动机随着容量的增大，从空载到满载所需的总无功功率变化相应加大，但一般空载与满载的无功功率之比约为0.5以上。因此，对低压异步电动机的无功补偿，其并联电容器在运行时的实际补偿容量，只要能补偿其励磁功率，就能使异步电动机运行的功率因数在负载率从40%～100%都有较高值(0.9以上)，而对于水解酸化池潜水搅拌器来说，其负载变化是非常小的，通常在90%～100%之间变化。②由于异步电动机本身就是很好的放电线圈，所以在异步电动机外加电源电压失去时，三相低压异步电动机专用无功补偿电容器可以向异步电动机放电，使电容器端电压很快下降到零。因此，异步电动机与电容器并联之间不能加装熔断器保护或开关，异步电动机与电容器应同时投入或断开。③由于并联电容器在异步电动机的额定电压下，所产生的无功功率小于异步电动机在额定电压下空载时需要的励磁功率。当电压上升时，电容器所产生的无功功率随电压的平方增加，而异步电动机因铁芯的磁饱和，其需要的无功功率增加将大于电容器的无功功率增加；当电压下降时，异步电动机和电容器的无功功率几乎都将随电压的平方下降。因此，并联电容器的补偿容量在运行时所产生的无功功率，总小于异步电动机的不同负载下所需的无功功率。因此，不会产生过补偿。
4.2补偿容量的计算
在确定电动机的补偿容量时，应防止过补偿带来的危害。电动机在电源切断后继续运行时,由于电容器产生自激可能转为发电状态,以致造成过电压,所以应保证电动机在额定电压下断电时电容的放电电流不大于I0 。
单台电动机的补偿容量由下式计算Qb≤√3UN I0
式中UN—电动机的额定电压，kV；
I0—电动机的空载电流，A；
Qb—补偿电容器容量，kvar
一般，I0应由电动机制造厂提供。由于本次提供的搅拌器设备厂未提供此参数，可以按以下方法估算I0=2IN（1-COSψN）=2*40(1-0.54)=36.8A
式中IN—电动机的额定电流
COSψN—电动机的额定功率因数
所以补偿量Qb≤√3UN I0=√3*0.38*36.8=24 kvar,假如我们选取18 kvar，那么此时可由下式推算得补偿后的功率因数Qb=P(tg COS-1ψN – tg COS-1ψ)
式中P为用电设备的计算负荷，
tg COS-1ψN为补偿前用电设备自然功率因数的正切值,
tg COS-1ψ为补偿后用电设备功率因数的正切值。
tg COS-1ψ= tg COS-1ψN -Qb/P=1.56-18/14.2=0.29
补偿后的功率因数COSψ=0.96
补偿后电流减少的百分数近似值可用下式计算:
%△I=100(1-cosφN /cosφ)= 43.75%;
经过查找相关产品，并作了比较，我们选择了上海威斯康电容器有限公司XBQ-0.4-18型电容补偿器。它的额定容量为18kvar，额定电压为400V，额定电流为27A。它具有以下特点：1）损耗低、温升低：产品内部元件采用金属化聚丙烯膜为电介质，自身能量损耗极小；2）有自愈功能：自愈能力强，提高了产品的使用可靠性和寿命；3）自放电特性：断开电源后3分钟，剩余电压降为50V以下；4）防火防爆装置和器体内充有无毒惰性颗粒，当产品出现故障时，能起防火防爆作用；5）体积小，重量轻，安装方便，维护简单。6）投资少，不到一年可从电费中收回投资。安装无功就地补偿装置后，实测运行电流：电机电流为39A,电容电流为17A,线路电流为22A; 开关柜内元器件的温度稳定在50℃以内，在自然通风条件下，就能稳定运行，无须再加装强制通风装置。实践证明每千乏补偿电容每年可节电150~200kWh（按每年运行时间1500~2000小时）。那么此8台潜水搅拌器装上就地无功补偿装置后，每年节约的总电量约为
8*18*（150~200）=21600~28800 kWh，投资在3个月内即可回本。
5 结束语
通过对电动机采用无功就地补偿方式，不但解决了原有开关、电缆不匹配导致发热的问题，同时带来比较可观的经济效益。