低压无功补偿电容柜设计讨论

顾建华, 李兰娥, 李凤梅

1.平高集团上海天灵开关厂有限公司 上海 201808 2.上海酷能工程咨询有限公司 上海 200061 3.上海柏衡机电设计事务所有限公司 上海 200030

1 讨论背景

低压无功补偿电容柜是变配电工程设计中必不可少的一部分。随着现代工业的快速发展,低压无功补偿电容柜的设计也在不断改进和更新。针对三相负载出现不平衡的情况,补偿方式由原先的单相取样、三相共补,发展为三相取样后将三相共补与单相分补相结合。补偿回路中串联的电抗器由原来的单一抗涌流电抗器,发展为较普遍的抗谐波电抗器。同时,对应不同的谐波频率,要求配置相适应的电抗率。

目前,在无功补偿设计中,除系统中谐波十分严重,需采用有源滤波方案外,多数仍采用投资费用较节省的无源滤波补偿方案。

笔者根据近年来工作中的实践体会,谈谈对以上问题的思考。

2 现有国标规定

由于供电系统中通常会含有一定量的高次谐波,因此在选择无功补偿方案时,首先要考虑如何防止高次谐波给系统安全运行带来的侵害。从以往实践中可知,3次、5次、7次低谐波往往在谐波中占据主要地位。对于不同频率的谐波,配置的电抗率也不相同。电容量的设置可按两步进行。初步设计时,可先将供电变压器容量的1/4～1/3作为无功补偿装置的初设装置容量,控制器输入电流采取三相取样,并将固定补偿和自动投切两种方法相结合。待设备投入运行后,需多次对系统进行不同负载率情况下的无功实际需求量,以及系统中谐波的频率和含量进行测试,以此分析判别初步设计中的缺失部分和需要改进的技术细节。

对于不同频率的谐波,相应的电抗率也不相同。当系统中有两种及以上电抗率的电容器投入运行时,要使高电抗率的电容器先投入,再投入较低电抗率的电容器,切除时则按相反规律进行。如违反这一规律,必将造成谐波不仅不能抑制,而且还会放大的严重后果！对于不同谐波频率下设置的电抗器,其电抗率的选择是否合适,是能否有效抑制谐波的关键。在国家标准GB 50227—2017《并联电容器装置设计规范》中明确,当谐波为5次以上时,电抗率宜取4.5%～5.0%;当谐波为3次以上时,电抗率宜取12%。然而,在实际应用时,由于以下两点原因,实际电抗率的选择比国标的规定值稍作放大。第一,目前低压无功补偿工程中的电抗器,大多选择铁心电抗器,在投入运行时,由于涌流的存在,使铁心产生饱和作用,因此投入运行时,实际电抗值要比额定值小一些。第二,由于电容器产品质量和寿命的影响,经长时间投运和外加过电压激励,会造成电容器容量减小,容抗值增大。上述两点原因造成实际运行时电抗率通常要略小于计算值,为此电抗率选择可比国标规定值稍作放大。

3 无功补偿配置分析

3.1 设计步骤

根据有关资料,配电变压器空载励磁电流中含有相当比例的3次谐波电流,尤其是冷轧硅钢片,3次谐波电流含量占空载励磁电流的40%～50%;荧光灯中脉冲式电子镇流器,3次谐波电流占总负载电流的88%。在初步设计阶段,可试投入少量12%电抗率对应的电抗器,用以抑制3次谐波。在变压器投入运行后,可手动或自动优先投入固定运行,不参与控制器控制投切。其它电容器串联的电抗器,对应电抗率初步考虑全部选择为6%,基于二次控制闭锁电路,保证只有当12%电抗率的电容器投入运行后,才使控制器参与投入运行,使6%电抗率的所有电容器全部参与自动循环投切运行。

3.2 设计实例

变压器投入运行后,对于三相负载不平衡且功率因数差别较大的情况,若无功补偿单纯采用三相共补,则会造成不合理的补偿后果。对此考虑设置三相共补与单相分补相结合的方案,在电源进线侧设置供三相取样的电流互感器,取样后经控制器判别。若三相负载均为低功率因数,则可发岀三相共补指令,投入三相电容器,反之输出共同切除指令。系统运行时,当负载中单独一相功率因数有变化时,由控制器对该相输出单相投切指令,投入或切除单相电容器。对于柜架的设置,可结合工程量的大小适当放宽。最后,根据负载的实际测试情况,形成更为合理的补偿容量和相应的电抗率。

以2 000 kVA容量、10 kV/0.4 kV配电变压器为例,其无功补偿一次电路及主要元器件参数如图1所示。

3.3 参数选择

对于1号电容柜,配置三台三相电容器,参数为20 kvar、480 V,电抗率选取12%,固定投入运行;配置六台单相电容器,参数为20 kvar、250 V,电抗率选取6%,由控制器参与自动调节运行。

对于2号电容柜,配置八台三相电容器,参数为40 kvar、450 V,电抗率选取6%,由控制器参与自动调节运行。

系统中,主要补偿由八台40 kvar三相电容器和六台20 kvar单相电容器完成,用作系统中负载的三相共补和单相分补,并由控制器根据系统的实际需要,分别发出共补或分补指令。

在额定工作状态下,对主要元件的参数进行选择。对于熔断器,按照国家标准GB 50227—2017,用于单台电容器保护的外熔断器,其熔体额定电流可按电容器额定电流的1.37～1.50倍选择。对于电容器,在电容器串联电抗器后,电容器实际工作电压提高。图1中电容器的额定工作电压与回路中电抗率的大小有关,由图2相量关系可以看出,电抗器端电压UL与电源电压U相位差180°,因此造成电容器实际承受电压UC为两者相量之差,即:

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

(1)

为此,电容器的额定工作电压可按式(2)进行选择:

(2)

式中:UN为电容器额定工作电压;Umax为运行时最高工作电压;K为电抗率。

对于接触器,其额定工作电流按电容器额定工作电流的1.5倍进行选择。

串联电抗器所消耗的感性无功功率,会抵消部分电容器输出的容性无功功率。同时,电容器受电抗器的影响,输出功率会有所提高。

因此,每组电容器实际输出的无功功率可按式(3)计算:

(3)

图1 配电变压器无功补偿一次电路

图2 电压相量关系

式中:QC为串联电抗器后电容器实际输出无功功率;QN为电容器铭牌额定功率;UCmax为电源最高工作电压。

4 结束语

笔者所介绍的低压无功补偿电容柜设计为根据配电变压器容量进行的初步设计,待设备正常投入运行后,要实测回路中的谐波含量,确认补偿电容量是否合适,再进行适当调整。