MNS型电容补偿柜的设计

陈雪晴 柳贵东

摘 要：《全国供用电规则》规定，功率因数不达标的用戶会被罚款。为了降低无功损耗，一般在供电系统中并联电容柜来提供无功补偿。目前，电容柜还存在温度控制不好而导致电容器出现鼓肚和渗液的现象。电容柜不能立即切断电容，导致过补偿。其没有三相指示灯，不能监视三相熔断器是否损坏。因此，本文设计了MNS型电容补偿柜。这种电容补偿柜是MNS系列开关柜的一种。电抗器串联电容来消除谐波，电容垂直摆放于通风支架上，防止电容因散热不足而发生故障。系统通过自动功率因数控制器进行实时监测，由接触器控制电容进行无功补偿，防止向电网倒置无功，并通过三相指示灯的亮度监视熔断器是否损坏。经过质量检测，补偿柜的各项指标都符合技术要求。

关键词：功率因数;无功补偿;开关柜;电容器

中图分类号：TM561 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）09-0037-04

Abstract： The "National Electricity Supply and Utilization Regulations" stipulate that users whose power factor does not meet the standard will be fined. In order to reduce reactive power loss， capacitor cabinets are generally connected in parallel in the power supply system to provide reactive power compensation. At present， the capacitor cabinet still has the phenomenon of poor temperature control， which leads to bulging and liquid leakage of the capacitor. The capacitor cabinet cannot immediately cut off the capacitor， resulting in over-compensation. It does not have a three-phase indicator light and cannot monitor whether the three-phase fuse is damaged. Therefore， the MNS type capacitor compensation cabinet was designed in this paper. This capacitor compensation cabinet is a kind of MNS series switch cabinet. The reactor is connected in series with capacitors to eliminate harmonics， and the capacitors are placed vertically on the ventilation bracket to prevent the capacitor from malfunctioning due to insufficient heat dissipation. The system conducts real-time monitoring through the automatic power factor controller， the contactor controls the capacitor for reactive power compensation to prevent inversion of reactive power to the grid， and monitors whether the fuse is damaged through the brightness of the three-phase indicator light. After quality inspection， all indicators of the compensation cabinet meet the technical requirements.

Keywords： power factor;reactive power compensation;switch cabinet;capacitor

本设计采用并联电容的三相共补方式进行无功补偿，由刀熔开关、控制器、接触器、电抗器、电容器、避雷器和散热回路等组成，与进线柜并联安装来提高功率因数，对电网的稳定运行起着举足轻重的作用[1-3]。但是，市场上的电容补偿柜还是存在一些缺点。例如，电容器没有正确摆放，温度控制不好，导致电容器陆续出现鼓肚和渗液现象，部分电容器被迫停用;电容柜不能立即切断电容，导致过度补偿;电容柜没有放电指示灯，不能监视电容器电源侧的三相熔断器是否损坏[1]。

本设计利用滤波电抗串联电容来消除谐波，将电容器垂直摆放于通风支架上，防止电容因散热不足而发生事故。自动功率因数控制器实时进行监测，接触器控制电容投切进行无功补偿，防止向电网倒置无功。指示灯显示电容投切路数，通过亮度还可以监视三相熔断器是否损坏。随着MNS型电容补偿柜应用范围的不断推广，电容柜的使用价值日益凸显，人们必然会对电容柜提出新的、更高的要求。

1 技术指标

产品能够安全、稳定运行，技术指标起着重要的作用[4-7]。下文将对补偿柜的技术要求、设计指标、柜体结构、元器件及布线规范等进行具体分析。

1.1 技术要求

柜体尺寸为1 200 mm（宽）×1 000 mm（深）×2 200 mm（高），满足IP3X防护等级。系统的额定电压（交流电）为400 V，电容器端电压（交流电）为480 V，电抗率为7%，采用三相共补的方式，有手动和自动两种控制功能。

1.2 设计指标

补偿装置为封閉式户内成套设备，适合于三相对称负荷的实时功率因数补偿，根据负载无功和电压波动情况，自动投切，保证功率因数超过0.95。结构件采用阻燃骨架、无磁性材料，耐热性高，稳定性高，损耗低[8-10]。所有元器件和材料应为阻燃和不燃的高品质产品。

1.3 柜体结构要求

柜体结构是低压开关柜的组合基础，它既要满足各电气单元的组合功能要求，还要满足柜体的固有要求[11-13]。柜体采用优质冷轧钢板折弯而成，厚度不小于2.0 mm，柜内垂直母排采用TMY-T2系列硬铜排，规格见一次回路图，如图1所示。

1.4 元器件要求及布线规范

元器件是补偿装置的重要组成部分，它决定设备的稳定性和可靠性[14-15]。布线规范使设备看起来美观，也为以后的维修带来便利。

无功补偿控制器具备自动和手动两种控制方式。电源（交流电）范围为100～415 V，采样电压输入范围为50～690 V，采样电流为0～5 A，流互感器两侧转化电流之间的比例（即CT变比）可设置为1 A或5 A，工作电压为85～265 V，过压设置在420～440 V，功率因数cos[φ]为0.9～1.0。

电抗器采用电抗率为7%的干式铁芯三相电抗器，内置温度开关，其具备良好的抗谐波能力。额定电压不低于600 V，额定频率为50 Hz，额定误差允许范围为-0.2%～3%，噪声不大于45 dB，绝缘等级为H级。

电容器采用圆形铝质外壳，属于自愈式并联三相电容器，每一相采用压敏断路技术，同时具备过压开断保护能力。额定电压为480 V（电抗器电抗率7%），额定频率为50 Hz，含放电电阻，使用寿命不小于15万h，容量偏差允许范围为-5%～5%，断开电源1 min内，放电电压要低于75 V。

柜内元器件排列整齐，布线规范有序，元器件、二次线路的标识清楚，永久不脱落。柜内母线、色标、相序及二次布线规范等要满足低压开关柜技术要求。

2 MNS型电容补偿柜元器件选型

MNS型电容补偿柜主要由柜体、主母排、补偿回路组成。柜体是开关柜的外壳骨架，能够对内部功能区域进行划分，支撑元器件。主母排是连接各开关元器件主回路的连接排。补偿回路就是控制器智能控制接触器的投切，让电容组件进行无功补偿。

2.1 柜体和主母排规格

本设计柜体规格（宽×深×高）为1 200 mm×1 000 mm×2 200 mm。框架由C形柱、梁、铝合金角位连接器构成，均采用覆铝锌板压筋材料，有效阻断了框架的磁回路，柱、梁上的压筋增强柱架结构强度以及柜体的稳定性，使安装更加简单、方便。

主母排采用TMY-T2系列硬铜排，根据一次回路图可知，铜排（1 200 W）的规格为：3×3 mm×10 mm×125 mm+2 mm×12 mm×100 mm。

2.2 元器件选型

本设计主要元件有刀熔开关、控制器、接触器、电抗器和电容器等，它们对无功补偿起着重要的作用。

刀熔开关选用ABB集团的OS800D03P隔离开关熔断器组，从结构来看，它采用正面旋转的操作形式，由操作机构、触头系统和手柄三部分组成。熔断器并列固定安装在开关上，接通和分断电路另有一套触头。灭弧室是全封闭的，元器件之间的距离很小，也不会发生飞弧。

控制器选用北京英博的BKR 08G自动功率因数控制器。它能够智能计算出所需无功的补偿容量，具备自动和手动两种控制方式。

接触器选用ABB集团的UA110-30-11 AC220 V交流接触器，它是电容专用接触器，能够有效、及时控制电容的投切。

电容器的实际投切是有损耗的，所以电容器容量的计算公式为：

已知电容器额定电压为480 V，电抗率为7%，负载电压为380 V，预计一路电容计划补偿容量为30 kVAR，将相关参数带入式（1），则电容器容量约为44.5 kVAR。

本设计的无功补偿需要400 kVAR的容量，所以设计8路50 kVAR的电容器来进行补偿。本设计选用福州图瑞工业自动化设备有限公司的HPCL 50.0-480-3P电容器。

本设计需要电抗率为7%的电抗器，每一路电容补偿容量为50 kVAR，所以电抗器的容量计算公式为：

已知电容器设计容量为50 kVAR，电抗率为7%，则电抗器容量为3.50 kVAR。

因为系统的额定电压为400 V，所以选用上海同垚电气制造有限公司的LKSG-350-400/7三相电抗器。

2.3 元器件统计

上文对MNS型电容补偿柜的主要元器件进行选型，下面将对装置的元器件进行统计，如表1所示。

3 MNS型电容补偿柜电路设计

本文将根据技术指标的要求，设计主电路和控制回路电路图，如图2、图3所示。

3.1 主电路图设计

本设计运用于大型生产企业，三相用电设备使用量大，所以补偿柜采用并联电容的三相共补方式。系统设有八路补偿回路，由控制器控制接触器的吸合，让电抗器串联电容为电网进行无功补偿。因为三相回路平衡，所以回路中无功电流相同，当进行补偿时，电流只取三相中的任意一相。三相回路同时投切，可以保证三相电压的质量[2]。

3.2 控制回路电路图设计

当QS开关闭合时，KZQ自动功率因数控制器得电，将实时从进线柜读取取样电流[Iu]与取样电压[Uv]、[Uw]，自动计算功率因数。如果功率因数小于0.95，那么控制器将智能控制接触器动作，从而控制电容器对电网进行无功补偿。

当电容器投入电网时，对应的三相指示灯亮。若三相电压缺相，则对应路数的三相指示灯亮度也会变暗，人们可以及时发现。电抗器串联在电容器上的作用是抑制谐波干扰。测量回路的电流互感器可以检测三相电流的情况并在电流表中显示结果，精密电流互感器所测得的数据被传输至后台监控系统。

温湿度控制器会对环境温湿度自动进行采样和及时监控。当工作环境温度高于温度设定值时，风扇得电，开始转动;当工作环境温度低于温度设定值（回差值）时，风扇停止转动。

4 结论

随着我国工业化进程的快速推进和国民经济的蓬勃发展，电网中的感性负载越来越多，导致电能损耗的数值越来越大。并联电容器拥有容量组合灵活、安装维护方便、有功功率损耗小等优点，因此被普遍使用。根据市场上补偿柜存在的缺点，本文做了以下创新。一是在并联电容前串联电抗器，不仅可以防止电容器和用电系统发生串、并联谐振，以免谐波被放大，使并联电容的电流过载而损坏，还可以限制涌流;二是在电容组中并联三相指示灯，不仅方便查看电容的投切情况，还可以为电容器放电，同时通过灯的亮度监视三相熔断器是否损坏;三是采用BKR 08G自动功率因数控制器，自动计算功率因数，防止电容过补偿或欠补偿。经过质量检测，产品各项指标都符合国家标准和技术指标的要求。

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