襄陽源創(chuàng)電氣有限公司小王告訴我們:三相交流異步電機(jī)在工礦企業(yè)、生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用十分廣泛，它的應(yīng)用和控制成為社會生產(chǎn)所關(guān)注的焦點(diǎn)。電機(jī)的啟動、停止和運(yùn)行狀況的好壞，對設(shè)備系統(tǒng)有直 接影響。交流異步電機(jī)直接起動時，起動電流一般為其額定電流的4—7倍，頻繁起動的電機(jī)，過大的起動電流造成電機(jī)長期處于過熱狀態(tài)，影響電機(jī)的壽命；同時 電機(jī)繞組在電動力作用下會產(chǎn)生變形；線路壓降增大，造成電網(wǎng)電壓下降。對電網(wǎng)也有不利影響。為此，對一些較大功率電機(jī)，一般采用減少從電源側(cè)吸收起動電流 的方式來進(jìn)行電機(jī)起動，即降壓起動方式。 一、電機(jī)常見降壓起動方式 1．籠型電機(jī)的幾種常見的降壓起動方式有：定子串電阻或串電抗的降壓起動，自耦補(bǔ)償起動，星一三角起動，延邊三角形起動，變頻調(diào)速起動等。 2．三相繞線式異步電機(jī)的起動方法為：轉(zhuǎn)子串電阻和轉(zhuǎn)子串接頻敏變阻器。以上幾種起動方式在低壓電機(jī)中應(yīng)用較普遍。高壓電機(jī)的起動以前普遍采用的是在定子回路里串電抗器降壓起動方式，目前出于節(jié)能等多方面的考慮，其應(yīng)用已逐漸減少。 二、液體電阻降壓啟動柜 （一）啟動柜的原理 高壓交流電動機(jī)液態(tài)軟起動裝置正是針對上述不足之處而采用的起動方式，改善了大、中型電動機(jī)的起動性能，其特點(diǎn)是在被控電動機(jī)的轉(zhuǎn)子或定子回路中串人一液 體電阻器。電阻值隨著電動機(jī)的起動自動投入變阻，并在設(shè)定的時間內(nèi)自動、無級切除該電阻，從而使電動機(jī)在起動電流控制到很低的情況下，均勻升速、平穩(wěn)起 動。對保護(hù)電動機(jī)及拖動設(shè)備、電網(wǎng)不受沖擊等方面效果顯著。采用該控制方法，繞線式高壓電機(jī)的起動電流可控制在其額定電流的1．3倍以內(nèi)；籠式高壓電動機(jī) 起動電流可控制在其額定電流的2．5倍以內(nèi)，起動性能比較理想，因?yàn)樗羌冸娮栊缘模粫诜帧⒑祥l的瞬間產(chǎn)生高壓，影響和損害電機(jī)的絕緣，從而在兩方面 都較好地解決了電機(jī)的起動和絕緣兩方面的問題，其應(yīng)用和發(fā)展的前景十分廣泛。液阻降壓起動裝置，是用一臺三相電動機(jī)作為動力，通過傳遞皮帶帶動螺桿上、下 移動，從而達(dá)到液阻的動極板位置的改變而改變液阻的大小。將源創(chuàng)電氣水阻柜上的開關(guān)置于自動狀態(tài)。起動高壓開關(guān)的同時，高壓開關(guān)柜聯(lián)鎖自動起動源創(chuàng)電氣水阻柜，高壓電動機(jī)進(jìn)入降壓起動運(yùn)行。經(jīng)10-40秒(據(jù)要求可設(shè)定此值)源創(chuàng)電氣水阻柜自動切除，降壓啟動完成。電液變阻啟動柜原理圖如下（圖1）：
（二）啟動電阻的計(jì)算：液阻的調(diào)試，應(yīng)據(jù)估算法，算出所需電阻值。
在源創(chuàng)電氣水阻柜三廂分柜中的A相動、靜極板間，接入如圖所示的測量回路如下圖(圖2)，記錄下V=6.3V時的電流值，根據(jù)歐姆定律，計(jì)算出測量結(jié)果R0。如 果液體電阻取值過大，起動電流可被限制的較低，但液阻溫度就會升的過高，造成液體沸騰，濺出柜外，造成絕緣降低甚至?xí)搪罚灰后w電阻取值過小，液體電阻溫 度雖然不高，但是起動電流又相應(yīng)增大，兩者兼顧的情況下，根據(jù)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)和多組數(shù)據(jù)計(jì)算、比較，對于繞線式電動機(jī)，液阻R值取2.6Ω，籠式電動機(jī)液阻R取 9Ω。這樣液體電阻的溫度和電機(jī)的起動電流都被控制在比較理想的范圍內(nèi)(繞線式電動機(jī)每起動一次，液體溫度上升一度，起動電流控制在1.3Ie內(nèi)，籠型電 機(jī)被控制在2.5Ie內(nèi))，從而較好的解決了液阻溫升和起動電流的問題。其它B相、C相分柜調(diào)試方法與A相相同。 兩臺高壓電機(jī)的數(shù)據(jù)如下： 繞線式6KV電動機(jī)：1000KW，COSΦ：0.782，定子額定電流131A，轉(zhuǎn)子電流：362A，轉(zhuǎn)子開路電壓1696V，空載起動電流為124A； 籠式6KV電動機(jī)：1290KW，額定電流：145A，空載起動電流362A； 三、結(jié)論 根據(jù)液體電阻降壓啟動柜的現(xiàn)場實(shí)際調(diào)試和行結(jié)果來看，與過去采用的降壓起動方式相比而 言，這種電液變阻起動器確有它的獨(dú)到的優(yōu)越性，其成本比過去的降壓設(shè)備成本低，和老一代高壓電動機(jī)降壓的方式相比，具有自動化程度高、起動電流小，性能可 靠、操作方便、液阻和起動時間可按工況隨機(jī)調(diào)整，可連續(xù)起動等特點(diǎn)，減小了對電網(wǎng)其他設(shè)備的沖擊，減小了能量損耗，有一定的經(jīng)濟(jì)效益，使用與發(fā)展前景較 好。
1 液態(tài)軟啟動裝置的工作原理及特點(diǎn) 1.1 裝置結(jié)構(gòu) 裝置結(jié)構(gòu)如圖1。圖中1QF為主電機(jī)運(yùn)行斷路器，2QF為短接斷路器，Rs代表電液變阻裝置。電液變阻裝置的三相電阻由相互絕緣的3個絕緣箱體構(gòu)成，每個 箱體內(nèi)部分別裝有電液以及1組相對應(yīng)的導(dǎo)電極板，一動一定。動極板通過柜體上部的傳動機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)控制運(yùn)行，啟動開始時，動定極板間距最大，次數(shù)1QF 閉合，2QF斷開，電機(jī)開始啟動。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的均勻上升，動定極板間的距離逐漸接近，整個啟動過程均與升速，實(shí)現(xiàn)軟啟動。當(dāng)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時，動定極 板間的電阻值接近于零，此時啟動過程完成，2QF閉合，液阻回路被短接，主電機(jī)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。
1.2 工作原理 在電機(jī)的定子回路中串接液體電阻，電機(jī)的啟動過程中通過水阻柜中 電極板的移動來均與改變液體電阻值的大小，均勻地提高電機(jī)端電壓，從而降低電機(jī)的啟動電流，減少電網(wǎng)的電壓降，減小對電網(wǎng)的沖擊。電機(jī)轉(zhuǎn)速隨著電阻值的減 小而平滑升高，借以維持或增加啟動轉(zhuǎn)矩，并為短接時不產(chǎn)生電流沖擊準(zhǔn)備條件。當(dāng)勵磁柜中的檢測設(shè)備檢測到電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的85%時，發(fā)出投全 壓信號，液態(tài)軟啟動設(shè)備中的切換柜合閘，將液體電阻切除，同時電機(jī)星點(diǎn)短接，電機(jī)繼續(xù)升速，當(dāng)達(dá)到電機(jī)亞同步轉(zhuǎn)速時，電機(jī)勵磁柜投勵，拉入同步運(yùn)行，啟動 過程完成。 1.3 技術(shù)特點(diǎn) (1)安全性：設(shè)置了過壓、失壓、缺相、接地不良、啟動超時等保護(hù)，采取了嚴(yán)格的接地和避雷保護(hù)措施，并保證整個液態(tài)軟啟動產(chǎn)品的液阻箱體在啟動開始前和結(jié)束后與高壓電網(wǎng)分離。 (2)液態(tài)電阻的可調(diào)性。由于液態(tài)電阻可以很方便地根據(jù)不同的電機(jī)參數(shù)、負(fù)載特征現(xiàn)場調(diào)配適當(dāng)?shù)碾娮柚担也捎昧薖LC控制技術(shù)，整個啟動過程可跟蹤啟動電流或啟動轉(zhuǎn)矩的變化，達(dá)到恒流軟啟動，因而可以最好地滿足電機(jī)的軟啟動要求。 （3）溫度閉環(huán)控制技術(shù)：在電機(jī)啟動前根據(jù)液態(tài)電阻箱中液體溫度的變化自動調(diào)整電極板之間的距離，實(shí)現(xiàn)在不同季節(jié)、不同環(huán)境溫度、連續(xù)啟動情況下，電機(jī)啟動電流的一致性。 2 電機(jī)啟動仿真與實(shí)測 為了保證10KV、6500KW高壓電機(jī)的啟動成功，我們首先用仿真來模擬電機(jī)的實(shí)際啟動過程。電機(jī)的啟動仿真曲線如圖2。圖2所示為啟動過程中，電機(jī)轉(zhuǎn)速、啟動電流、電網(wǎng)電壓隨啟動時間變化的曲線。
在實(shí)際電機(jī)啟動過程中，實(shí)測觀察電機(jī)啟動情況，獲得了如下數(shù)據(jù)：電壓10000V，電液阻值5.4Ω，啟動電流從1500A平穩(wěn)上升到1750A（≤3Ie），啟動時間42s，母線壓降為9%。
大部分用電設(shè)備為感性負(fù)載，自然功率因數(shù)較低，用電設(shè)備在消耗有功功率的同時，還需無功功率由電源送往負(fù)荷。功率因數(shù)是供用電系統(tǒng)的一項(xiàng)重要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，通過合理采用無功補(bǔ)償技術(shù)，可以減少無功功率在電網(wǎng)中的流動。
提高功率因數(shù)后可以達(dá)到節(jié)約電能、降低損耗的目的，同時用戶也可以減少電費(fèi)的支出。我國的電價(jià)結(jié)構(gòu)包括基本電費(fèi)、電能電費(fèi)和按功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)三部分。因此，用戶通過合理的無功補(bǔ)償投資，也能獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。而目前許多農(nóng)電用戶對提高功率因數(shù)的重要性認(rèn)識不足，造成了電能的損失和浪費(fèi)。
1 無功補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)原則
無功補(bǔ)償設(shè)備的優(yōu)化配置原則為：“總體平衡與局部平衡相結(jié)合；供電部門補(bǔ)償與用戶補(bǔ)償相結(jié)合；集中補(bǔ)償與分散補(bǔ)償相結(jié)合，以分散為主；降損與調(diào)壓相結(jié)合，以降損為主。”
《電力系統(tǒng)電壓無功技術(shù)導(dǎo)則》中規(guī)定：“3.2電力系統(tǒng)的無功電源與無功負(fù)荷，在高峰或低谷時都應(yīng)采用分（電壓）層和分（電）區(qū)基本平衡的原則進(jìn)行配置和運(yùn)行，并應(yīng)具有靈活的無功電力調(diào)節(jié)能力與檢修備用。
5.7220 kV及以下電壓等級的變電所中，應(yīng)根據(jù)需要配置無功補(bǔ)償設(shè)備，其容量可按主變壓器容量的0.10～0.30 確定。在主變壓器最大負(fù)荷時，其二次側(cè)的功率因數(shù)不小于表1中所列數(shù)值，或者由電網(wǎng)供給的無功功率與有功功率比值不大于規(guī)定數(shù)值。
《國家電網(wǎng)公司電力系統(tǒng)電壓質(zhì)量和無功電力管理規(guī)定》：
“第五章無功電源建設(shè)與無功配置第二十條變電站應(yīng)合理配置適當(dāng)容量的無功補(bǔ)償裝置，并根據(jù)計(jì)算確定無功補(bǔ)償裝置的容量。35～220 kV變電站在主變壓器最大負(fù)荷時，其一次側(cè)功率因數(shù)應(yīng)不低于0.95；在低谷負(fù)荷時功率因數(shù)應(yīng)不高于0.95。”
《國家電網(wǎng)公司農(nóng)網(wǎng)“十一五”科技發(fā)展規(guī)劃綱要》：“節(jié)能降損目標(biāo)是積極推廣應(yīng)用節(jié)能、降損、環(huán)保技術(shù)、淘汰高耗能變壓器。中壓綜合線損率降到9％以下，低壓線損率降到11％及以下。10千伏母線功率因數(shù)達(dá)到0.95以上的目標(biāo)。”
《電力系統(tǒng)電壓和無功電力管理?xiàng)l例》：“第十二條用戶在當(dāng)?shù)毓╇娋忠?guī)定的電網(wǎng)高峰負(fù)荷時的功率因數(shù)，應(yīng)達(dá)到下列規(guī)定：
高壓供電的工業(yè)用戶和高壓供電裝有帶負(fù)荷調(diào)整電壓裝置的電力用戶功率因數(shù)為0.90及以上，其它100 kVA（kW）及以上電力用戶和大、中型電力排灌站功率因數(shù)為0.85及以上，躉售和農(nóng)業(yè)用電功率因數(shù)為0.80及以上。凡功率因數(shù)未達(dá)到上述規(guī)定的新用戶，供電局可拒絕接電。”
配電系統(tǒng)中無功補(bǔ)償?shù)姆绞饺鐖D2所示，方式1為變電所的集中補(bǔ)償，方式2為配電臺區(qū)的集中補(bǔ)償，方式3為線路上的無功補(bǔ)償，方式4為分散補(bǔ)償。
220 kV及以下電網(wǎng)的容性無功補(bǔ)償設(shè)備總?cè)萘浚砂聪率接?jì)算
QC =1.15QD－QG－QR－QL
式中 QC——容性無功補(bǔ)償設(shè)備總?cè)萘浚?/div>
QD——最大自然無功負(fù)荷；
QG——本網(wǎng)發(fā)電機(jī)的無功功率；
QR——主網(wǎng)和鄰網(wǎng)輸入的無功功率；
QL——線路和電纜的充電功率。
10(6)kV 配電線路上宜配置高壓并聯(lián)電容器，或者在配電變壓器低壓側(cè)配置低壓并聯(lián)電容器。電容器的安裝容量不宜過大，一般約為線路配電變壓器總?cè)萘康?0.05～0.10，并且在線路最小負(fù)荷時，不應(yīng)向變電所倒送無功。如配置容量過大，則必須裝設(shè)自動投切裝置。變壓器的無功消耗可按下式計(jì)算
ΔQT = [I0％/100＋VK％/100×β2]S e
式中 I0%——變壓器空載電流的百分?jǐn)?shù)；
VK％——變壓器短路電壓的百分?jǐn)?shù)；
S e——變壓器的額定容量，kVA；
β——變壓器的負(fù)載率。
通常補(bǔ)償容量為變壓器無功消耗的1.2~1.4倍。
2 功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)的計(jì)算方法
供電部門在為用戶確定供電方案時，除了核準(zhǔn)供電容量、確定供電電源點(diǎn)、供電電壓等級、計(jì)量裝置的設(shè)置、計(jì)費(fèi)方式、用戶注入電網(wǎng)的諧波分量，以及方案有效期外，還對功率因數(shù)給定了一個最低限值，分別為0.9、0.85、0.8。
根據(jù)國家現(xiàn)行電價(jià)的規(guī)定，用戶功率因數(shù)分別以0.9、0.85、0.8為基礎(chǔ)，當(dāng)功率因數(shù)高過這些值時，可按比例減少電費(fèi)；當(dāng)用戶用電的功率因數(shù)低于這些值時，要按比例增加當(dāng)月電費(fèi)，具體計(jì)算方法是W = (1＋a%)(F1＋F2)
式中 W——當(dāng)月電費(fèi)，元；
F1——基本電費(fèi)，元/kVA；
F2——電量電費(fèi)，元/kWh；
a%——功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)系數(shù)。
當(dāng)用戶cosφ > 0.9，0.85，0.80標(biāo)準(zhǔn)時，a%為負(fù)值，當(dāng)用戶cosjφ < 0.9，0.85，0.80標(biāo)準(zhǔn)時，a%為正值，當(dāng)用戶cosφ = 0.9，0.85，0.80標(biāo)準(zhǔn)時，a% = 0。
3 應(yīng)用實(shí)例
某一用戶的變壓器容量為6.3MVA，月用電量為35×105 kWh，平均功率因數(shù)為0.8。若該用戶的功率因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)為0.8，計(jì)算該用戶補(bǔ)償?shù)?.92時的經(jīng)濟(jì)效益。基本電費(fèi)按每kVA每年180元、電量電費(fèi)按 0.4元/kWh計(jì)算。補(bǔ)償裝置每kVA的投資按60元，資產(chǎn)折舊率為10％，無功補(bǔ)償設(shè)備的有功損耗為其額定容量的3%。計(jì)算過程如下。
3.1 計(jì)算補(bǔ)償容量
補(bǔ)償前cosφ 1= 0.8，tanφ 1 = 0.75，平均有功功率為P1=350×10000/30/24 = 4861（kW），無功功率為Q1 = P1×tanφ 1 = 3645.75（kvar）。
假設(shè)補(bǔ)償電容器容量為xkvar，經(jīng)補(bǔ)償后，功率因數(shù)為 cosφ 2 = 0.92，tanφ 2 = 0.426，無功功率為Q2 = Q1-x，而用戶的有功功率P2 = P1 0.03x，于是tanφ 2 = Q2/P2=0.426，解得x = 1569 ≈ 1600（kvar）。
3.2 補(bǔ)償前用戶的年支出費(fèi)用
基本電費(fèi)為6.3×1000×180/10000 =113.4（萬元）；
電量電費(fèi)為350×12×0.4 = 1680（萬元）；
用戶總支出電費(fèi)為113.4 1680 = 1793.4（萬元）。
3.3 補(bǔ)償后用戶年支出費(fèi)用
電容器年運(yùn)行時間按8000小時估算，則電量電費(fèi)為0.4×1600×0.03×8000/10000 1680 = 1695（萬元），總電費(fèi)為113.4 1695 = 1808.4（萬元）。
按功率因數(shù)調(diào)整后電費(fèi)為1808.4×(1-0.013) =1784.9（萬元）；
無功補(bǔ)償設(shè)備投資為1600×60/10000 =9.6（萬元），則資產(chǎn)折舊費(fèi)為0.96萬元；
用戶年總支付費(fèi)用為1784.9 0.96 = 1785.9（萬元）；
補(bǔ)償后每年經(jīng)濟(jì)效益為1793.4-1785.9= 7.5（萬元）。每年節(jié)約電費(fèi)為1793.4-1784.9 = 8.5（萬元），投資可在1.1年左右回收。
若該用戶的平均功率因數(shù)為0.85，功率因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)也為0.85，其它計(jì)算條件不變，計(jì)算該用戶補(bǔ)償?shù)?.94時的經(jīng)濟(jì)效益，計(jì)算過程如下：
計(jì)算補(bǔ)償量：補(bǔ)償前cosφ1 = 0.85，tanφ 1 = 0.62，平均有功功率為P1 =350×10000/30/24 = 4861（kW），無功功率為Q1 = P1×tanφ 1 = 3013.82（kvar）。
假設(shè)補(bǔ)償電容器容量為x kvar，經(jīng)補(bǔ)償后，功率因數(shù)為cosφ 2 = 0.94，tanφ 2 = 0.363，無功功率為Q2= Q1-x，而用戶的有功功率P2 = P1 0.03，于是tanφ 2 = Q2/P2 =0.363，解得x = 1235≈1200（kvar）補(bǔ)償前用戶年支出費(fèi)用如上述計(jì)算，仍為1793.4萬元。
補(bǔ)償后用戶年支出費(fèi)用。電容器年運(yùn)行時間按8000h估算，則電量電費(fèi)為0.4×1200×0.03×8000/10000 1680 = 1691.5（萬元），總電費(fèi)為113.4 1691.5 =1804.9（萬元）。
按功率因數(shù)調(diào)整后電費(fèi)為1804.9×(1-0.011） = 1785（萬元）；
無功補(bǔ)償設(shè)備投資為1200×60/10000 =7.2（萬元），則資產(chǎn)折舊費(fèi)為0.72萬元；
用戶年總支付費(fèi)用為1785 0.72 = 1785.7（萬元）；
補(bǔ)償后每年經(jīng)濟(jì)效益為1793.4-1785.7= 7.7（萬元）。每年節(jié)約電費(fèi)為1793.4-1785 = 8.4（萬元），投資可在0.86年左右回收。
由以上的計(jì)算可以看出，無功補(bǔ)償?shù)男б娣浅Ｃ黠@，無論從0.8補(bǔ)到0.92還是從0.85補(bǔ)到0.94，用戶投資可在一年左右回收，而且上述計(jì)算還沒有包括因補(bǔ)償減少視在功率對用戶的收益。用戶補(bǔ)償后也使電網(wǎng)降低了損耗，提高了電壓質(zhì)量。因此，提高功率因數(shù)不但為國家節(jié)約了電力資源，而且給用戶節(jié)約了資金，為企業(yè)創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，是一件利國利民的好事。
