10 kV變電站低壓并聯電容器的選型與計算

□文/谷 明

在民用建筑工程10 kV變電站電氣設計中，一般要求用戶0.4 kV側的月平均功率因數達到0.95以上。當用戶的自然總平均功率因數較低，單靠提高用電設備的自然功率因數達不到要求時，變電站0.4 kV側一般設置低壓成套無功補償裝置進行無功補償，以達到提高功率因數和節能的目的。

低壓成套無功補償裝置由低壓并聯電容器、串聯電抗器、熔斷器、避雷器、電流互感器及低壓無功功率自動補償控制器等電氣設備組成。在設計階段，電氣設計人員在圖紙上提出各電氣設備的參數要求，由設備廠家根據設計參數要求成套供應。因此，能夠正確、合理提出各電氣設備參數顯得尤為重要。

假設某民建工程，用戶0.4 kV側最大需要補償240 kvar的三相無功容量；系統最大短路容量為10 MVA；工程中燈具、計算機等單相負荷數量較多，電網三次諧波較大。本文根據以上要求，對低壓并聯電容器補償裝置的各個電氣設備參數進行計算。

1 串聯電抗器的選型

電網三次諧波較大，為限制電容器投切時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

根據工程要求補償240 kvar的三相無功容量，低壓并聯電容器采用三角形接線方式，三相自動補償，分4組投切，每組補償60 kvar。低壓并聯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引起的母線電壓升高，同時低壓并聯電容器串聯電抗器后會引起的電容器端電壓升高。在選擇低壓電容器額定電壓時，需考慮以上2個因素。

2.1.1 低壓并聯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。

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

2.1.2 串聯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為電器容串聯電抗器的電抗率，%。

由式（2）可知，串聯的電抗率越高，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到474 V。

同時，電容器還應能承受1.15倍長期工頻電壓，還需考慮諧波引起的電網電壓升高、相間和串聯段間的容差、輕負荷引起電網電壓升高等情況。

因此，當并聯電容器串聯的電抗器電抗率為13.5%時，并聯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

在工程設計中，不能簡單認為要求輸出的無功補償容量即為低壓電容器的安裝容量，應考慮低壓電容器運行電壓與額定電壓的差異以及串聯電抗器的無功損耗，低壓并聯電容器的實際輸出容量可按式（3）計算

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

電容器中串聯電抗器的容量越大（電抗率越高），

吸收電容器所產生的補償功率越高，電容器補償到電網的無功越低。當并聯電容器的端電壓Uc=474 V，額定電壓UN=525 V，實際需求輸出容量Qc=240 kvar，由式（3）反求得電容器組額定安裝容量Qn=340 kvar，每組并聯電容器額定安裝容量為85 kvar。

因此，電容器的安裝容量應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該大于運行電壓可能出現的最高值并盡量接近這個最高值，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為并聯電容器的容量，kvar；k為計算系數，當電容器的額定電壓為525 V時

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

因此，并聯電容器實際輸出容量為60 kvar時，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，并聯電容器組實際輸出容量為240 kvar時，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裝設3只無間隙氧化鋅避雷器，每個避雷器采用相對地接線。

避雷器選用型號為Y3W-0.5/2.6，系統電壓為0.4 kV，避雷器額定電壓為0.5 kV，持續運行電壓為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 低壓無功功率自動補償控制器的選擇

選用功率因數型自動補償控制器。功率因數控制器靈敏度（c/k）是電容器組接通時的最小動作電流的閾值，其數值≯0.2 A。當大于此值時控制器接通電容器組，當小于此值時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算

式中：Qc為并聯電容器的實際輸出容量，kvar；UN為并聯電容器的額定電壓，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 基本選型結果

在串聯電抗器電抗率選取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%低壓并聯電容器補償裝置系統

當電網內五、七次諧波含量較大時，本文選用電抗率為7%的串聯電抗器，在同等工程條件下，低壓并聯電容器補償裝置的輸出容量要求為Q=240 kvar，采用三相自動補償的方式，分4組投切，4組60 kvar，低壓電容器補償裝置安裝處的短路容量約為Sk=（10MVA）。由式（1）計算得低壓并聯電容器投入后引起的母線電壓升高值△U=9.6 V；由式（2）計算得串聯電抗器后引起的電容器端電壓升高值Uc=440 V，并聯電容器額定電壓在K=7%的條件下，選取為480 V；由式（3）計算得電容器組額定安裝容量Qn=308 kvar，4組并聯電容器額定安裝容量為77 kvar；由式（4）知，當電容器的額定電壓為480 V時，計算系數并聯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，功率因數控制器靈敏度（c/k）為1.49 A＞0.2A，滿足要求。

在串聯電抗器電抗率選取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%低壓并聯電容器補償裝置系統

不同的電網電壓、并聯電容器中串聯不同容量的電抗器，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。并聯電容器中串聯的電抗器容量越高，吸收電容器所產生的補償功率越高，電容器兩端電壓越高，電容器所需的安裝容量也就越大。

7 結語

在實際的工程設計中，應分析工程實際電網的運行情況，首先確定采用限制哪種諧波的串聯電抗器，然后根據選用的串聯電抗器的電抗率及需要補償的無功容量，確定電容器接線方式，補償方式(三相補償還是單相補償)并向低壓并聯電容器補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、電流互感器等設備參數。切不可僅標注補償的容量，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，達不到設計要求的補償效果。

[1]中國航空規劃設計研究總院有限公司.工業與民用配電設計手冊[M].4版.北京：中國電力出版社，2016.

[2]GB 50052—2009，供配電系統設計規范[S].

[3]GB 50227—2008，并聯電容器裝置設計規范[S].

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

[5]柴 靜.無功補償用電容器的選擇與計算[J].電氣應用，2017，（15）：16-19.