對電動機進(jìn)行無功補償應(yīng)注意諧波危害
江鈞祥
(安徽省電力試驗研究所，安徽 合肥 230022)
摘 要： 通過實例分析說明，在對電動機進(jìn)行無功補償時，有可能發(fā)生因電動機產(chǎn)生的諧波得到放大，而導(dǎo)致電容器早期損壞的現(xiàn)象。
關(guān)鍵詞：電動機；無功補償；諧波
三相交流異步電動機具有一系列優(yōu)點，作為動力設(shè)備在各行業(yè)中獲得極廣泛的應(yīng)用，它在運行中依靠磁場傳遞進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換來工作，不僅消耗有功功率，也需要無功工率。屬感性負(fù)荷，因此功率因數(shù)較低，約為0.76～0.89，一般需要并聯(lián)電容器進(jìn)行補償，以提高功率因數(shù)，同時也提高了端電壓，有利于電動機的起動。
電動機進(jìn)行無功補償具有增容、節(jié)能、提高出力等優(yōu)點，經(jīng)濟效益顯著，目前已得到推廣應(yīng)用，但在推廣中，對某些可能存在的問題(例如諧波的危害等)并沒給予足夠的重視與研究，現(xiàn)筆者通過下面實例說明，電動機進(jìn)行無功補償時，若條件合適，同樣存在因諧波放大而造成的危害，應(yīng)引起我們的注意。
1 概況
我省境內(nèi)某抽水站，安裝運行3臺180kW電動機，由于該站地處電網(wǎng)末端，電壓較低，電機經(jīng)常起動困難，為了提高功率因數(shù)和電壓，用自愈式并聯(lián)電容器(電容器回路中未串聯(lián)電抗器)進(jìn)行無功補償，但是當(dāng)電容器接入電網(wǎng)運行后，時間不長，就出現(xiàn)電容器損壞現(xiàn)象，隨著運行時間增加，損壞的電容器越來越多，當(dāng)時，懷疑電容器質(zhì)量不良，就更換了電容器，但更后，仍出現(xiàn)同樣問題，有關(guān)方面才懷疑是否存在其他原因，向我們提出咨詢。
我們根據(jù)情況進(jìn)行分析后認(rèn)為，雖然該站地處農(nóng)村，附近沒有任何諧波源存在，電動機本身一般不作為諧波負(fù)荷處理，也沒有見到過電動機進(jìn)行無功補償后發(fā)生諧波危害的報導(dǎo)，但還是不應(yīng)排除存在諧波危害的可能，應(yīng)先進(jìn)行諧波測試與分析。
2 電動機是產(chǎn)生高次諧波電流的諧波源
為了了解系統(tǒng)諧波情況，在低壓母線上僅有3臺電動機的運行工況時，進(jìn)行了諧波測試與分析，為便于比較，將測試數(shù)據(jù)列于表1。
從表1中所列數(shù)據(jù)可以看到，諧波電流以3次及17次為主，根據(jù)測試數(shù)據(jù)，進(jìn)行諧波功率計算后可知，3次諧波功率與基波功率方向相反，而17次諧波功率與基波功率方向相反，由此可判斷3次諧波電流系由電源的3次諧波電壓所產(chǎn)生，而17次諧波電流則由電動機所產(chǎn)生。對其他各次諧波進(jìn)行計算，即可知16次等部分諧波電流亦由電動機所產(chǎn)生，因此電動機是產(chǎn)生高次諧波電流的諧波源，17次及其他各次諧波注入電網(wǎng)，使電網(wǎng)電壓波形畸變，其中17次諧波電壓高達(dá)4.727%，超過了GB／T14549-1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》中不大于4%的限值，同時也導(dǎo)致電壓總諧波率達(dá)到5.563%，也超過了不大于5%的規(guī)定。
3 無功補償裝置投入后產(chǎn)生了諧波放大現(xiàn)象
在低壓母線運行著3臺電動機的工況下投入無功補償裝置，對電容器回路進(jìn)行諧波測試，發(fā)現(xiàn)由于諧波放大，通過電容器的高次諧波電流很大，表2中列出了測試數(shù)據(jù)。
從表2中所列數(shù)據(jù)不難看出，無功補償裝置投運后，發(fā)生了嚴(yán)重的諧波放大現(xiàn)象，其中16次與17次諧波電流已分別達(dá)到基波電流的129.2%與237.1%，而自愈式并聯(lián)電容器國標(biāo)中規(guī)定，包括諧波電流在內(nèi)的允許過電流為1.3倍額定電流，因此，這時的諧波電流值是相當(dāng)大的。
同時，電網(wǎng)的電壓波形畸變加劇，低壓母線電壓的16與17次諧波電壓含有率，分別由電容器投入前的1.886%與4.727%，增大到6.998%與11.34%，母線電壓總畸變率亦由5.563%增大到14.71%，大大超過諧波國標(biāo)的有關(guān)限制值，諧波電壓的增大，說明注入電網(wǎng)的諧波電流也相應(yīng)增大。
諧波電壓的增大，將直接影響連接于該母線的各種電氣設(shè)備的安全運行，資料表明，電動機在較高的諧波電壓作用下，將發(fā)熱燒壞，壽命縮短。
4 電容器早期損壞的原因
4.1 畸變的電壓波形使電容器局部放電性能下降
由于諧波的存在，電壓波形發(fā)生畸變，使電壓峰值增高，呈鋸齒狀尖頂波。圖1所示為實側(cè)的電壓波形。
一些試驗表明，尖頂波電壓易在介質(zhì)中誘發(fā)局部放電，而且因電壓變化速率快，引起的局部放電強度也較大，這將對電容器絕緣介質(zhì)的老化起加速作用。
電容器的局部放電性能一般可用起始放電場強與局放熄滅場強兩個參數(shù)來表征，若局放熄滅場強低于工作場強那么由于操作過電壓所誘發(fā)的局部放電就可能在工作場強下不能熄滅，而形成長時間的局部放電。
試驗表明，當(dāng)電源電壓含有諧波時，電容器的局部放電起始電壓和熄滅電壓均相應(yīng)下降，而且當(dāng)諧波含量較大，諧波次數(shù)越高，下降幅值越大。
雖然自愈式并聯(lián)電容器國標(biāo)中對局部放電性能未作明確要求，但是局部放電對絕緣介質(zhì)的影響是客觀存在的，長時間的局部放電，必然加速絕緣介質(zhì)的老化，使其自愈性能惡化，最終導(dǎo)致電容器損壞。
4.2 嚴(yán)重的諧波過電流使電容器損耗功率增加，導(dǎo)致電容器異常發(fā)熱
在電容器的標(biāo)準(zhǔn)中，允許通過電容器的穩(wěn)態(tài)過電流，應(yīng)不超過電容器在額定頻率，額定正弦電壓下產(chǎn)生的電流的1.3倍，這個穩(wěn)態(tài)過電流是由諧波和過電壓共同作用的結(jié)果。
在本次測試中，電壓沒有超過額定電壓，故過電流僅是諧波作用下的結(jié)果，現(xiàn)根據(jù)實際參數(shù)計算其過流情況，根據(jù)測試時基波電壓為181.5V（相電壓）諧波電流為基波電流的304.6％，電容器額定電壓400V，三相三角接法，由此可計算得其穩(wěn)態(tài)過電流對額定電流的比值為：
式中：Ie為通過電容器的穩(wěn)態(tài)過電流；
Ie1為電容器在額定頻率，額定電壓下產(chǎn)生的電流
過電流對電容器的影響主要是熱效應(yīng)，而熱效應(yīng)決定于損耗功率的大小，損耗功率與通過的電流平方成正比。
根據(jù)電容器允許過電流條件，可計算得實際損耗增加倍率S：
即電容器的實際損耗功率為允許值的3.76倍，因此，在如此大的損耗功率下，電容器將異常發(fā)熱，必然使其絕緣迅速老化而早期損壞。
5 小結(jié)
5.1 電動機會產(chǎn)生高次諧波，用電容器進(jìn)行無功補償時，有可能會產(chǎn)生諧波放大現(xiàn)象，對此應(yīng)引起我們的注意；
5.2 電動機進(jìn)行無功補償時，應(yīng)進(jìn)行諧波測試與分析，以便采取相應(yīng)的技術(shù)指施，防止諧波危害的發(fā)生。
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