低壓無功補償電容柜設計討論

顧建華, 李蘭娥, 李鳳梅

1.平高集團上海天靈開關廠有限公司 上海 201808 2.上海酷能工程咨詢有限公司 上海 200061 3.上海柏衡機電設計事務所有限公司 上海 200030

1 討論背景

低壓無功補償電容柜是變配電工程設計中必不可少的一部分。隨著現代工業的快速發展,低壓無功補償電容柜的設計也在不斷改進和更新。針對三相負載出現不平衡的情況,補償方式由原先的單相取樣、三相共補,發展為三相取樣后將三相共補與單相分補相結合。補償回路中串聯的電抗器由原來的單一抗涌流電抗器,發展為較普遍的抗諧波電抗器。同時,對應不同的諧波頻率,要求配置相適應的電抗率。

目前,在無功補償設計中,除系統中諧波十分嚴重,需采用有源濾波方案外,多數仍采用投資費用較節省的無源濾波補償方案。

筆者根據近年來工作中的實踐體會,談談對以上問題的思考。

2 現有國標規定

由于供電系統中通常會含有一定量的高次諧波,因此在選擇無功補償方案時,首先要考慮如何防止高次諧波給系統安全運行帶來的侵害。從以往實踐中可知,3次、5次、7次低諧波往往在諧波中占據主要地位。對于不同頻率的諧波,配置的電抗率也不相同。電容量的設置可按兩步進行。初步設計時,可先將供電變壓器容量的1/4～1/3作為無功補償裝置的初設裝置容量,控制器輸入電流采取三相取樣,并將固定補償和自動投切兩種方法相結合。待設備投入運行后,需多次對系統進行不同負載率情況下的無功實際需求量,以及系統中諧波的頻率和含量進行測試,以此分析判別初步設計中的缺失部分和需要改進的技術細節。

對于不同頻率的諧波,相應的電抗率也不相同。當系統中有兩種及以上電抗率的電容器投入運行時,要使高電抗率的電容器先投入,再投入較低電抗率的電容器,切除時則按相反規律進行。如違反這一規律,必將造成諧波不僅不能抑制,而且還會放大的嚴重后果！對于不同諧波頻率下設置的電抗器,其電抗率的選擇是否合適,是能否有效抑制諧波的關鍵。在國家標準GB 50227—2017《并聯電容器裝置設計規范》中明確,當諧波為5次以上時,電抗率宜取4.5%～5.0%;當諧波為3次以上時,電抗率宜取12%。然而,在實際應用時,由于以下兩點原因,實際電抗率的選擇比國標的規定值稍作放大。第一,目前低壓無功補償工程中的電抗器,大多選擇鐵心電抗器,在投入運行時,由于涌流的存在,使鐵心產生飽和作用,因此投入運行時,實際電抗值要比額定值小一些。第二,由于電容器產品質量和壽命的影響,經長時間投運和外加過電壓激勵,會造成電容器容量減小,容抗值增大。上述兩點原因造成實際運行時電抗率通常要略小于計算值,為此電抗率選擇可比國標規定值稍作放大。

3 無功補償配置分析

3.1 設計步驟

根據有關資料,配電變壓器空載勵磁電流中含有相當比例的3次諧波電流,尤其是冷軋硅鋼片,3次諧波電流含量占空載勵磁電流的40%～50%;熒光燈中脈沖式電子鎮流器,3次諧波電流占總負載電流的88%。在初步設計階段,可試投入少量12%電抗率對應的電抗器,用以抑制3次諧波。在變壓器投入運行后,可手動或自動優先投入固定運行,不參與控制器控制投切。其它電容器串聯的電抗器,對應電抗率初步考慮全部選擇為6%,基于二次控制閉鎖電路,保證只有當12%電抗率的電容器投入運行后,才使控制器參與投入運行,使6%電抗率的所有電容器全部參與自動循環投切運行。

3.2 設計實例

變壓器投入運行后,對于三相負載不平衡且功率因數差別較大的情況,若無功補償單純采用三相共補,則會造成不合理的補償后果。對此考慮設置三相共補與單相分補相結合的方案,在電源進線側設置供三相取樣的電流互感器,取樣后經控制器判別。若三相負載均為低功率因數,則可發岀三相共補指令,投入三相電容器,反之輸出共同切除指令。系統運行時,當負載中單獨一相功率因數有變化時,由控制器對該相輸出單相投切指令,投入或切除單相電容器。對于柜架的設置,可結合工程量的大小適當放寬。最后,根據負載的實際測試情況,形成更為合理的補償容量和相應的電抗率。

以2 000 kVA容量、10 kV/0.4 kV配電變壓器為例,其無功補償一次電路及主要元器件參數如圖1所示。

3.3 參數選擇

對于1號電容柜,配置三臺三相電容器,參數為20 kvar、480 V,電抗率選取12%,固定投入運行;配置六臺單相電容器,參數為20 kvar、250 V,電抗率選取6%,由控制器參與自動調節運行。

對于2號電容柜,配置八臺三相電容器,參數為40 kvar、450 V,電抗率選取6%,由控制器參與自動調節運行。

系統中,主要補償由八臺40 kvar三相電容器和六臺20 kvar單相電容器完成,用作系統中負載的三相共補和單相分補,并由控制器根據系統的實際需要,分別發出共補或分補指令。

在額定工作狀態下,對主要元件的參數進行選擇。對于熔斷器,按照國家標準GB 50227—2017,用于單臺電容器保護的外熔斷器,其熔體額定電流可按電容器額定電流的1.37～1.50倍選擇。對于電容器,在電容器串聯電抗器后,電容器實際工作電壓提高。圖1中電容器的額定工作電壓與回路中電抗率的大小有關,由圖2相量關系可以看出,電抗器端電壓UL與電源電壓U相位差180°,因此造成電容器實際承受電壓UC為兩者相量之差,即:

UC=U-UL=U+(-UL)

(1)

為此,電容器的額定工作電壓可按式(2)進行選擇:

(2)

式中:UN為電容器額定工作電壓;Umax為運行時最高工作電壓;K為電抗率。

對于接觸器,其額定工作電流按電容器額定工作電流的1.5倍進行選擇。

串聯電抗器所消耗的感性無功功率,會抵消部分電容器輸出的容性無功功率。同時,電容器受電抗器的影響,輸出功率會有所提高。

因此,每組電容器實際輸出的無功功率可按式(3)計算:

(3)

圖1 配電變壓器無功補償一次電路

圖2 電壓相量關系

式中:QC為串聯電抗器后電容器實際輸出無功功率;QN為電容器銘牌額定功率;UCmax為電源最高工作電壓。

4 結束語

筆者所介紹的低壓無功補償電容柜設計為根據配電變壓器容量進行的初步設計,待設備正常投入運行后,要實測回路中的諧波含量,確認補償電容量是否合適,再進行適當調整。