汪洋，李思，劉森

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水泥廠低壓電容器柜的設(shè)計(jì)選型

Design and Typ e Se lec tion o f Low Vo ltage Cap ac ito r Cab ine t in Cem ent Plant

汪洋，李思，劉森

在正常情況下，用電設(shè)備不但要從電源取得有功功率，同時(shí)還需要從電源取得無功功率。如果電網(wǎng)中的無功功率供不應(yīng)求，用電設(shè)備就沒有足夠的無功功率來建立正常的電磁場，在額定情況下，用電設(shè)備的端電壓就會(huì)下降，從而影響用電設(shè)備的正常運(yùn)行。發(fā)電機(jī)和高壓輸電線供給的無功功率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了負(fù)荷的需要，所以在電網(wǎng)中要設(shè)置一些無功補(bǔ)償裝置來補(bǔ)充無功功率，以保證用戶對無功功率的需要，使用電設(shè)備在額定電壓下正常工作。無功功率對供、用電產(chǎn)生的不良影響主要表現(xiàn)在：

（1）降低發(fā)電機(jī)有功功率的輸出。

（2）降低輸、變電設(shè)備的供電能力。

（3）造成線路電壓損失增大和電能損耗增加。

（4）造成低功率因數(shù)運(yùn)行和電壓下降，使電氣設(shè)備容量得不到充分發(fā)揮。

目前水泥廠無功補(bǔ)償?shù)姆绞街饕懈邏杭醒a(bǔ)償、低壓集中補(bǔ)償、高壓電機(jī)機(jī)旁補(bǔ)償。本文重點(diǎn)討論低壓集中補(bǔ)償在設(shè)計(jì)選型中的一些問題。

近幾年，隨著變頻器設(shè)備、開關(guān)電源、氣體放電等各種非線性設(shè)備的大量使用，電容器裝置運(yùn)行環(huán)境日益惡化，我公司在埃及、馬來西亞等項(xiàng)目中低壓補(bǔ)償出現(xiàn)較多問題。在國內(nèi)我們過去設(shè)計(jì)的水泥廠低壓電容器的故障率也是較高的，這主要是由于我們對電容器柜內(nèi)的元件選型認(rèn)識(shí)不足，特別是串聯(lián)電抗器和電容器的投入都會(huì)影響電容器端的電壓。

1　接線方式

低壓并聯(lián)電容器裝置的三種接線方式分別是三角形接線、帶中性點(diǎn)的星形接線和不帶中性線的星形接線。

三角形接線方式對3次及3的整數(shù)倍諧波不形成通路，不受背景諧波中3次諧波的影響。此接線只能進(jìn)行三相共補(bǔ)，不能進(jìn)行分相補(bǔ)償。

帶中性線的星形接線，其引出中性線為3次諧波流動(dòng)提供路徑。考慮3次諧波流過電容器，為避免發(fā)生3次諧振而造成電容器過載，常采用提高串聯(lián)電抗器的電抗率措施，這會(huì)導(dǎo)致投資增加。該接線方式的優(yōu)點(diǎn)是，不僅能進(jìn)行三相共補(bǔ)，也能進(jìn)行分相補(bǔ)償。

不帶中性線的星形接線對3次諧波也不形成通路，不受外部3次諧波的影響，只能進(jìn)行三相共補(bǔ)，不能進(jìn)行分相補(bǔ)償。該接線方式的缺點(diǎn)是，當(dāng)某一相電容器發(fā)生故障擊穿形成短路后，剩余兩相因承受線電壓而同時(shí)損壞；或者三相電容器因自身電容誤差會(huì)導(dǎo)致該接線的中性點(diǎn)漂移，使某一相電容器承受電壓超過額定值而損壞。

綜上所述，在水泥廠的工程設(shè)計(jì)中，三相負(fù)荷基本平衡，無需分相補(bǔ)償，只需三相共補(bǔ)，因此只需要三角形接線方式，自動(dòng)投切控制器只需檢測一相負(fù)荷電流即可。

2　投切裝置的選擇

目前常用的低壓并聯(lián)電容器投切裝置主要有兩種，電容器投切專用接觸器和可控硅開關(guān)。

與普通交流接觸器相比，電容器投切專用接觸器可以降低投切時(shí)的涌流和過電壓，無壓降、控制簡單、成本低。缺點(diǎn)是不能夠完全抑制投切時(shí)產(chǎn)生的涌流和過電壓，關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生拉弧，造成接觸器壽命變短。

可控硅投切開關(guān)利用電子開關(guān)反應(yīng)速度快的特點(diǎn)是在電壓過零點(diǎn)導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)無涌流投入；在電流過零點(diǎn)關(guān)斷，不會(huì)產(chǎn)生拉弧；無觸點(diǎn)，使用壽命長。缺點(diǎn)是可控硅在導(dǎo)通運(yùn)行時(shí)，可控硅結(jié)間會(huì)產(chǎn)生大約0.7V的壓降，通常30kvar三角形接線的電容器額定電流為46A，則一個(gè)可控硅所消耗功率約為32W。同時(shí)可控硅裝置自身會(huì)產(chǎn)生諧波，關(guān)斷期間還會(huì)產(chǎn)生電流泄漏，使用成本也較高。

對于負(fù)荷變化快、用電設(shè)備對電壓質(zhì)量要求較高的場合，建議選用可控硅開關(guān)作為投切裝置。對于水泥廠來說設(shè)備一旦運(yùn)行，無功的需求相對穩(wěn)定，所以水泥廠電容器的投切建議選用專用接觸器投切，但接觸器的容量要適當(dāng)加大。

3　電容器的選擇

選擇電容器時(shí)，一般要考慮電壓、電網(wǎng)諧波、補(bǔ)償容量及電容器保護(hù)等因素。

電容器的容量與運(yùn)行電壓平方成反比，選擇電容器額定電壓應(yīng)從實(shí)際電容器容量和其耐壓能力來考慮。電容器額定電壓至少等于接入電網(wǎng)的運(yùn)行電壓，同時(shí)還要考慮接入后電網(wǎng)電壓升高、電網(wǎng)諧波電壓的存在使電壓升高以及為降低諧波影響而串聯(lián)電抗器后的電容器端子上電壓升高。

并聯(lián)電容器接入電網(wǎng)后，導(dǎo)致母線運(yùn)行電壓升高，此值可由式（1）計(jì)算：

式中：

ΔU——母線電壓升高值，kV

USO——并聯(lián)電容器裝置投入前的母線電壓，kV

S——母線三相短路容量，MVA

Q——母線上所有運(yùn)行的電容器容量，Mvar

串聯(lián)電抗器后，電容器端子上電壓升高，其值可按照公式（2）計(jì)算：

式中：

UC——電容器運(yùn)行電壓，kV

US——并聯(lián)電容器裝置的母線運(yùn)行電壓，kV K——電抗率

舉例說明，一臺(tái)300kvar并聯(lián)電容器裝置，串聯(lián)電抗率7%（目前設(shè)計(jì)采用的經(jīng)驗(yàn)值），投入前母線電壓為0.4kV，母線短路容量為20MVA，根據(jù)公式（1）可得母線電壓升高值：

由式（2）可得電容器端子上所加電壓為：

考慮諧波存在會(huì)使電壓升得更高，可選額定電壓480V的電容器。

4　高次諧波對并聯(lián)電容器的影響及抑制諧波

非線性用電設(shè)備的廣泛應(yīng)用（如電動(dòng)機(jī)調(diào)速設(shè)備、整流設(shè)備、電弧爐、磁飽和變壓器、照明控制系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化設(shè)備、開關(guān)電源、不間斷電源、電子鎮(zhèn)流器、電焊設(shè)備、電子控制機(jī)構(gòu)等），使電力系統(tǒng)存在許多諧波源。如果直接接入并聯(lián)電容器，電容器是容性阻抗，并且阻抗和頻率成反比，因此電容器容易吸收諧波電流引起過載發(fā)熱。另外，由于回路參數(shù)的變化，使得容性阻抗與感性阻抗相等時(shí)容易產(chǎn)生諧波諧振，在串聯(lián)諧振時(shí)一個(gè)小的諧振電壓就可產(chǎn)生較大的諧波電流，增加電容器發(fā)熱，導(dǎo)致絕緣擊穿事故?；妷汉椭C波電壓疊加，會(huì)增加局部放電次數(shù)，降低電容器壽命。

4.1串聯(lián)電抗

為了抑制諧波，在電容器裝置中宜串聯(lián)電抗，通過選擇電容、電抗參數(shù)避開諧振點(diǎn)。等效電路如圖1所示。

圖1　并聯(lián)電容器等效電路圖

當(dāng)LC串聯(lián)回路阻抗Z=XL-XC=0時(shí)會(huì)發(fā)生諧振，因此諧波條件下：

式中：

K——電抗率

f——諧波頻率

fn——基波頻率

對諧波源來講LC串聯(lián)回路應(yīng)保持感性。根據(jù)上述公式可知，當(dāng)抑制3次諧波時(shí)串聯(lián)電抗率K取12%～13%；當(dāng)抑制5次諧波時(shí)取4.5%～7%；當(dāng)抑制7次諧波時(shí)取3%；當(dāng)抑制9次諧波時(shí)取2%。串聯(lián)LC回路的諧振頻率必須低于系統(tǒng)出現(xiàn)的最低次的諧波頻率。因?yàn)檫@時(shí)串聯(lián)LC回路可能出現(xiàn)的諧波頻率均高于諧振頻率，回路為感性，不可能再激活任何諧振；如果LC回路諧振頻率高于任何可能出現(xiàn)的諧振頻率，回路為容性，與感性負(fù)載又可能產(chǎn)生諧振回路。

另外，串聯(lián)電抗可有效抑制電容器投入電網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生的涌流，防止和減輕開斷電容器組時(shí)發(fā)生的重燃。

4.2串聯(lián)電抗應(yīng)注意的問題

串聯(lián)電抗后，在串聯(lián)電抗器上存在一個(gè)電壓降，導(dǎo)致電容器的基波電壓升高，電抗率越高，電壓增加越大。實(shí)際加在電容器上的電壓：

式中：

UC——電容器實(shí)際電壓Un——系統(tǒng)標(biāo)稱電壓無功功率輸出量：

式中：

QC——選擇電壓下應(yīng)輸出的無功補(bǔ)償容量

Qn——標(biāo)稱電壓下標(biāo)稱無功補(bǔ)償容量

比如，系統(tǒng)標(biāo)稱電壓400V，電容器標(biāo)稱容量30kvar，電容器裝置配6%的電抗器，則電容器的實(shí)際電壓：因此選用440V電容器。

選擇電壓下應(yīng)輸出的無功：

5　結(jié)語

在選擇接線方式、投切裝置、電容器及電抗器的參數(shù)時(shí)，需要綜合考慮他們之間的關(guān)系，而這僅是低壓并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)需要考慮的部分因素，還要結(jié)合其他相關(guān)因素來考慮，如自動(dòng)投切的步數(shù)、控制器的性能、保護(hù)措施及保護(hù)設(shè)備的性能等。

中圖分類號(hào)：TM 642.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-6171（2016）01-0035-03

通訊地址：天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300400；

收稿日期：2015-07-06； 編輯：呂 光