□文/谷 明

在民用建筑工程10 kV變電站電氣設(shè)計(jì)中，一般要求用戶0.4 kV側(cè)的月平均功率因數(shù)達(dá)到0.95以上。當(dāng)用戶的自然總平均功率因數(shù)較低，單靠提高用電設(shè)備的自然功率因數(shù)達(dá)不到要求時(shí)，變電站0.4 kV側(cè)一般設(shè)置低壓成套無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行無功補(bǔ)償，以達(dá)到提高功率因數(shù)和節(jié)能的目的。

低壓成套無功補(bǔ)償裝置由低壓并聯(lián)電容器、串聯(lián)電抗器、熔斷器、避雷器、電流互感器及低壓無功功率自動(dòng)補(bǔ)償控制器等電氣設(shè)備組成。在設(shè)計(jì)階段，電氣設(shè)計(jì)人員在圖紙上提出各電氣設(shè)備的參數(shù)要求，由設(shè)備廠家根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)要求成套供應(yīng)。因此，能夠正確、合理提出各電氣設(shè)備參數(shù)顯得尤為重要。

假設(shè)某民建工程，用戶0.4 kV側(cè)最大需要補(bǔ)償240 kvar的三相無功容量；系統(tǒng)最大短路容量為10 MVA；工程中燈具、計(jì)算機(jī)等單相負(fù)荷數(shù)量較多，電網(wǎng)三次諧波較大。本文根據(jù)以上要求，對低壓并聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置的各個(gè)電氣設(shè)備參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

1 串聯(lián)電抗器的選型

電網(wǎng)三次諧波較大，為限制電容器投切時(shí)的涌流及三次諧波對電容器的損壞，低壓電容器回路需串聯(lián)接入電抗器，電抗器的電抗率選取為13.5%。

2 低壓電容器的選型

根據(jù)工程要求補(bǔ)償240 kvar的三相無功容量，低壓并聯(lián)電容器采用三角形接線方式，三相自動(dòng)補(bǔ)償，分4組投切，每組補(bǔ)償60 kvar。低壓并聯(lián)電容器的選型需要考慮額定電壓及額定安裝容量，以下分別予以計(jì)算。

2.1 低壓電容器額定電壓的選擇

因低壓電容器投入后會(huì)引起的母線電壓升高，同時(shí)低壓并聯(lián)電容器串聯(lián)電抗器后會(huì)引起的電容器端電壓升高。在選擇低壓電容器額定電壓時(shí)，需考慮以上2個(gè)因素。

2.1.1 低壓并聯(lián)電容器投入后引起的母線電壓升高

式中：△U為母線電壓升高值，V；Ub為電容器投入前的母線電壓，取400 V；Q為母線上運(yùn)行的所有電容器容量，MVA；Sk為電容器安裝處的母線短路容量，MVA。

將工程數(shù)據(jù)代入式（1），△U=9.6 V，即低壓并聯(lián)電容器投入后，母線電壓升高9.6 V。

2.1.2 串聯(lián)電抗器后引起的電容器端電壓升高

式中：Uc為電容器端電壓，V；Un為電容器連接處母線電壓，V；K為電器容串聯(lián)電抗器的電抗率，%。

由式（2）可知，串聯(lián)的電抗率越高，電容器兩端的電壓越高。Un=400+9.6=409.6（V），K=13.5%，代入式(2)，Uc=474 V，即電容器兩端的電壓可達(dá)到474 V。

同時(shí)，電容器還應(yīng)能承受1.15倍長期工頻電壓，還需考慮諧波引起的電網(wǎng)電壓升高、相間和串聯(lián)段間的容差、輕負(fù)荷引起電網(wǎng)電壓升高等情況。

因此，當(dāng)并聯(lián)電容器串聯(lián)的電抗器電抗率為13.5%時(shí)，并聯(lián)電容器額定電壓選取為525 V。

2.2 低壓電容器安裝容量的選擇

在工程設(shè)計(jì)中，不能簡單認(rèn)為要求輸出的無功補(bǔ)償容量即為低壓電容器的安裝容量，應(yīng)考慮低壓電容器運(yùn)行電壓與額定電壓的差異以及串聯(lián)電抗器的無功損耗，低壓并聯(lián)電容器的實(shí)際輸出容量可按式（3）計(jì)算

式中：Qc為并聯(lián)電容器的實(shí)際輸出容量，kvar；Qn為并聯(lián)電容器的額定安裝容量，kvar；Uc為電容器端電壓，V；UN為并聯(lián)電容器的額定電壓，V。

電容器中串聯(lián)電抗器的容量越大（電抗率越高），

吸收電容器所產(chǎn)生的補(bǔ)償功率越高，電容器補(bǔ)償?shù)诫娋W(wǎng)的無功越低。當(dāng)并聯(lián)電容器的端電壓Uc=474 V，額定電壓UN=525 V，實(shí)際需求輸出容量Qc=240 kvar，由式（3）反求得電容器組額定安裝容量Qn=340 kvar，每組并聯(lián)電容器額定安裝容量為85 kvar。

因此，電容器的安裝容量應(yīng)大于電容器的輸出容量。如果電容器額定電壓選得越高，電容器運(yùn)行電壓低于額定電壓越多，則電容器輸出容量的虧損也就越大，所需安裝的電容器容量越大。所以電容器的額定電壓應(yīng)該大于運(yùn)行電壓可能出現(xiàn)的最高值并盡量接近這個(gè)最高值，以獲得最佳的輸出容量。

3 熔斷器的選擇

式中：IN為熔斷器額定電流，A；QN為并聯(lián)電容器的容量，kvar；k為計(jì)算系數(shù)，當(dāng)電容器的額定電壓為525 V時(shí)

用于電容器保護(hù)的熔斷器應(yīng)采用電容器專用熔斷器，其熔絲額定電流應(yīng)按照電容器額定電流的1.65～1.80倍選擇。

因此，并聯(lián)電容器實(shí)際輸出容量為60 kvar時(shí)，上口熔斷器熔斷體額定電流IN為2×60=120（A），選額定電流為125 A的熔體。同理，并聯(lián)電容器組實(shí)際輸出容量為240 kvar時(shí)，上口熔斷器熔斷體額定電流IN為2×240=480（A），選額定電流為500 A的熔體。電流互感器變比選擇為500/5。

4 避雷器的選擇

為限制電容器操作過電壓，在緊靠電容器組的電源側(cè)裝設(shè)3只無間隙氧化鋅避雷器，每個(gè)避雷器采用相對地接線。

避雷器選用型號為Y3W-0.5/2.6，系統(tǒng)電壓為0.4 kV，避雷器額定電壓為0.5 kV，持續(xù)運(yùn)行電壓為0.42 kV，直流1 mA參考電壓≮1.2 kV，雷電殘壓峰值≯2.6 kV，通流容量（2 ms）為 90 A。

5 低壓無功功率自動(dòng)補(bǔ)償控制器的選擇

選用功率因數(shù)型自動(dòng)補(bǔ)償控制器。功率因數(shù)控制器靈敏度（c/k）是電容器組接通時(shí)的最小動(dòng)作電流的閾值，其數(shù)值≯0.2 A。當(dāng)大于此值時(shí)控制器接通電容器組，當(dāng)小于此值時(shí)控制器不接通電容器組。閾值的大小按電容器組額定電流的0.62倍考慮，三相電容器組的靈敏度計(jì)算

式中：Qc為并聯(lián)電容器的實(shí)際輸出容量，kvar；UN為并聯(lián)電容器的額定電壓，V；nTA為電流互感器變比。

將Qc=240 kvar、UN=525 V、nTA=500/5=100，代入式（5），可知功率因數(shù)控制器靈敏度（c/k）為1.64 A＞0.2 A，滿足要求。

6 基本選型結(jié)果

在串聯(lián)電抗器電抗率選取13.5%的條件下，電容器、電抗器、熔斷器、避雷器、電流互感器的基本選型見圖1。

圖1 電抗率13.5%低壓并聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置系統(tǒng)

當(dāng)電網(wǎng)內(nèi)五、七次諧波含量較大時(shí)，本文選用電抗率為7%的串聯(lián)電抗器，在同等工程條件下，低壓并聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置的輸出容量要求為Q=240 kvar，采用三相自動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆绞?，?組投切，4組60 kvar，低壓電容器補(bǔ)償裝置安裝處的短路容量約為Sk=（10MVA）。由式（1）計(jì)算得低壓并聯(lián)電容器投入后引起的母線電壓升高值△U=9.6 V；由式（2）計(jì)算得串聯(lián)電抗器后引起的電容器端電壓升高值Uc=440 V，并聯(lián)電容器額定電壓在K=7%的條件下，選取為480 V；由式（3）計(jì)算得電容器組額定安裝容量Qn=308 kvar，4組并聯(lián)電容器額定安裝容量為77 kvar；由式（4）知，當(dāng)電容器的額定電壓為480 V時(shí)，計(jì)算系數(shù)并聯(lián)電容器上口熔斷器熔斷體額定電流IN為2.2×60=132 A，選額定電流為150 A的熔體。同理，并聯(lián)電容器組上口熔斷器熔斷體額定電流IN為2.2×240=528（A），就近選額定電流為600 A的熔體。電流互感器變比選擇為600/5。避雷器型號保持不變。由式（5）知，功率因數(shù)控制器靈敏度（c/k）為1.49 A＞0.2A，滿足要求。

在串聯(lián)電抗器電抗率選取7%的條件下，電容器、電抗器、熔斷器、避雷器、電流互感器的基本選型見圖2。

圖2 電抗率7%低壓并聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置系統(tǒng)

不同的電網(wǎng)電壓、并聯(lián)電容器中串聯(lián)不同容量的電抗器，對電容器的額定電壓、安裝容量、熔斷器熔體的選擇均有影響。并聯(lián)電容器中串聯(lián)的電抗器容量越高，吸收電容器所產(chǎn)生的補(bǔ)償功率越高，電容器兩端電壓越高，電容器所需的安裝容量也就越大。

7 結(jié)語

在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)分析工程實(shí)際電網(wǎng)的運(yùn)行情況，首先確定采用限制哪種諧波的串聯(lián)電抗器，然后根據(jù)選用的串聯(lián)電抗器的電抗率及需要補(bǔ)償?shù)臒o功容量，確定電容器接線方式，補(bǔ)償方式(三相補(bǔ)償還是單相補(bǔ)償)并向低壓并聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置廠商提供電容器的額定電壓，安裝容量、熔斷器、避雷器、電流互感器等設(shè)備參數(shù)。切不可僅標(biāo)注補(bǔ)償?shù)娜萘?，而不說明此容量是輸出容量還是安裝容量，否則將兩者混淆，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的補(bǔ)償效果。

[1]中國航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊[M].4版.北京：中國電力出版社，2016.

[2]GB 50052—2009，供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]GB 50227—2008，并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]沈南洋.低壓并聯(lián)電容器額定電壓及安裝容量計(jì)算[J].廣東化工，2016，43（13）：218-219.

[5]柴 靜.無功補(bǔ)償用電容器的選擇與計(jì)算[J].電氣應(yīng)用，2017，（15）：16-19.