關于低壓電容器補償容量的計算

西安西北民航項目管理有限公司 秦 浩

1 引言

隨著電力的不斷發展進步，人們對電的認知可以說是越來越熟悉了，但是對電力電容器的了解卻很少，甚至于專業的人員對于電力電容器也不精通。在交流電路當中，除了消耗功率的純電阻負載外，純感性負載和純容性負載還與電源進行能量交換。實際負載的功率不僅與負載兩端電壓及流過負載的電流有效值U 和I 的乘積有關，還與負載的功率因數有關，對于三相負荷P=，為負載兩端電壓與流過負載的電流的相位之差。而負載兩端電壓與流過負載的電流的相位差是多少，完全由負載本身的參數決定。當電壓與電流的相位相同時，負載體現為純阻性，則功率因數=1。對其他負載來說，功率因數總介于0和1之間。

現代社會各種用電設備逐年增加，其中異步電動機、感應電爐、交流電焊機等大量的感性負載設備主要消耗的是無功功率。為了減小輸電線上的電力損耗以及提高電源的利用率則需要將電路的功率因數提高。一般在負載兩端并聯設置補償電容器來提高電路中感性負載的功率因數。

2 低壓電力電容器對電力電網的影響

2.1 低壓電力電容器欠補償對電力電網的影響

補償的電容電流要求比需要抵消的電感電流小，補償后仍存在一定數量的感性無功電流，功率因數小于1但接近1。當容量很大的電動機運行或者啟動瞬間，會造成母線電壓的下降，影響整個配電系統下的各個用電單位。長期的欠補償用電單位客戶，其自身的功率因數低。造成不必要的電能損耗。從經濟方面考慮，浪費了本身不需要浪費的電能，增加了企業的電能費用支出，長此以往會影響整個供配電系統的供電電能質量。

2.2 低壓電力電容器過補償對電力電網的影響

在投入大量電容器的情況下，除了抵消的電感電流以外，還有部分電容電流的余量，原感性負荷性質將在此刻轉為容性負荷性質，功率因數大于1。電容器過補償會加劇電網諧波污染。當電容器接入到配電網中以后，由于電容器能夠對電流進行頻率響應，所以容易導致諧波電流的增加，進而引起電壓畸變率和諧波電流的增大；當電容器補償過多時，會導致配電設備電流過大，同時也會增大電網的損耗，進而導致供電設備、供電電纜存在過載、火災等風險。因此對于供配電系統來說，合理控制電容器的數量和容量是非常重要的。補償的原則是必須欠補償，且補償后的功率因數要求小于1且盡量接近1，一般為0.95。

3 低壓電力電容器補償位置

原則上來講，哪里產生無功功率，就在哪里安裝電力補償電容器進行補償，因此低壓提倡就地補償，在設備處安裝電容器直接對負荷的無功功率進行補償。一般來說低壓電力電容器補償地點如下。

一是變電所10/0.4kV 變壓器低壓主母線上設置電容器，補償整個變壓器低壓側所帶負荷的無功功率,提高整個系統的功率因數，提升供配電設備的供電質量和效率，降低變壓器和線路的電壓及電能損失，降低變壓器的銅損耗，降低輸電線路的損耗。

二是采用低壓進線的配電室低壓主母線上設置電容器，補償整個分配電室所帶負荷的無功功率，提高分配電系統的功率因數。

三是采用低壓進線的遠端長期運行電動機，在電動機負載側設置電容器，對電動機的無功功率進行補償。對于距離供電點遠，且為連續運行工作制的大、中型電動機，應采用就地補償方式補償電動機的無功功率。此方式對遠距離送電的電動機低功率因數、電力線路損耗、對變壓器負載率提升等方面有明顯的改善效果。據運行數據表明，1kVar 補償電容每年可節電150～200kWh，節電效率較高。特別適合下列運行條件的電動機：在遠離電源的水源泵電動機、距離供電點200m以上的連續運行電動機、輕載或空載運行時間較長的電動機、高負載率變壓器供電的電動機。

電容器補償位置如圖1所示。

圖1 電容器補償位置

4 低壓電力電容器需要補償容量計算

4.1 變壓器低壓側、分配電室母線處低壓電力電容器補償容量計算

在實際設計過程中，對于電氣專業設計來說負荷統計是開展所有工作的先決條件。只有統計了需要供電設備的負荷，才能開展后續的供電系統設計。負荷統計屬于基礎知識，一般工程中使用需要系數法，此處不詳細介紹。具體可參考《工業與民用供配電設計手冊》第一章的統計方法。現假設某用戶低壓側負荷統計結果為有功功率，無功功率，則功率因數：

根據以上總結，同時結合安徽新華學院信息工程學院的共享資源課程建設實際情況，對資源共享課程建設從建設目標和具體做法上提出以下建設方法的探討。

4.2 遠端電動機設備側低壓電力電容器補償容量計算

一般對單臺電動機的容量補償不宜過大，考慮到自勵磁過電壓的情況，應保證在額定電壓下斷電時電動機的電容器的放電電流應不大于設備銘牌上空載電流的90%。計算單臺電動機容量補償的計算公式為：（3）

式中：UN為電動機的額定電壓值，kV；I0為電動機的空載電流值，A；QC為電容器的補償容量值，kVar。

5 低壓側電容器串聯電抗器電抗率選擇

電力電容器在實際中還應配合串聯電抗器使用。其主要目的有兩個：限制涌流、抑制諧波。因為進入系統的諧波在經過電容器投入電網后會產生放大效應，將諧波危害進一步加劇。根據電容器的目的不同，所選擇的電抗器電抗率也不同。

按照《并聯電容器裝置設計規范》（GB50227-2017）5.5條款的規定：在僅用于限制涌流時，電抗率宜取0.1%～1.0%；用于抑制諧波時，電抗串應根據并聯電容器裝置接入電網處的背景諧波含量的測量值選擇[2]。

一是當諧波為5次及以上時，電抗率宜取4.5%～5.0%；二是當諧波為3次及以上時，電抗率宜取12.0%，亦可采用4.5%～5.0%與12.0%兩種電抗率混裝方式。3次諧波指的是諧波的頻率達到電網工作頻率的3倍。當串聯電抗器的3次諧波感抗等于電容器的3次諧波容抗時，即時，則構成串聯諧振條件，此時將抑制母線的3次諧波電壓。

6 電容器串聯電抗器后對供電母線實際補償容量計算

圖2 分組串聯電容器

代入式（4）中得到的計算式為：

三是串聯電抗器后圖2（b）虛線部分電容器電抗器組實際輸出容量：

四是串聯電抗器后圖2（c）虛線部分電容器電抗器組實際輸出容量：

由此可以分別計算出1組、n 組電力電容器組串聯電抗器后補償到電網母線側的實際補償容量。

7 實際應用時如何計算

一是按照計算出變壓器低壓側、分配電室母線側補償電容器前的功率因數。二是計算出實際需要補償到低壓側主母線、分配電室母線、電動機設備側的電容器總容量值。三是按照串聯電抗器的電抗率。四是根據所選單組電容器的額定容量按照可實際補償到電網的容量，并確定需要補償的組數。五是根據確定的組數反算最大功率因數，需大于要求的最低值并小于等于1。若不滿足需重新選擇電容器額定參數[4]。某2000kVA 變壓器低壓側三相四線，額定頻率為，母線運行線電壓為0.4kV，總負荷合計計算有功功率1259kW，計算無功功率800kVar，現供電部門要求0.4kV 母線功率因數需達到0.9以上。電容器組容量參數：三相額定線電壓為0.48kV，額定容量為50kVar，串聯電抗器電抗率選取7%。

電容器補償前：

需要補償電容器：

單臺實際補償容量：

且0.9＜0.909≤1滿足要求，因此最終選擇6組該規格電容器組。

8 結語

低壓電容器和串聯的電抗器在低壓配電回路中是重要的設備，主要用于系統無功功率的補償，對系統電能質量起著至關重要的作用，而如何把握電容器本身額定容量、電容器本身實際輸出容量、電抗器容量、電容器電抗器總體實際輸出容量是實際工作中設計人員容易混淆和易錯的地方。本文是根據實際工作中問題進行總結歸納希望能幫助到工程設計人員。