顧建華, 李蘭娥, 李鳳梅

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1 討論背景

低壓無功補(bǔ)償電容柜是變配電工程設(shè)計(jì)中必不可少的一部分。隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展,低壓無功補(bǔ)償電容柜的設(shè)計(jì)也在不斷改進(jìn)和更新。針對三相負(fù)載出現(xiàn)不平衡的情況,補(bǔ)償方式由原先的單相取樣、三相共補(bǔ),發(fā)展為三相取樣后將三相共補(bǔ)與單相分補(bǔ)相結(jié)合。補(bǔ)償回路中串聯(lián)的電抗器由原來的單一抗涌流電抗器,發(fā)展為較普遍的抗諧波電抗器。同時(shí),對應(yīng)不同的諧波頻率,要求配置相適應(yīng)的電抗率。

目前,在無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)中,除系統(tǒng)中諧波十分嚴(yán)重,需采用有源濾波方案外,多數(shù)仍采用投資費(fèi)用較節(jié)省的無源濾波補(bǔ)償方案。

筆者根據(jù)近年來工作中的實(shí)踐體會,談?wù)剬σ陨蠁栴}的思考。

2 現(xiàn)有國標(biāo)規(guī)定

由于供電系統(tǒng)中通常會含有一定量的高次諧波,因此在選擇無功補(bǔ)償方案時(shí),首先要考慮如何防止高次諧波給系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來的侵害。從以往實(shí)踐中可知,3次、5次、7次低諧波往往在諧波中占據(jù)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(shè)置可按兩步進(jìn)行。初步設(shè)計(jì)時(shí),可先將供電變壓器容量的1/4～1/3作為無功補(bǔ)償裝置的初設(shè)裝置容量,控制器輸入電流采取三相取樣,并將固定補(bǔ)償和自動投切兩種方法相結(jié)合。待設(shè)備投入運(yùn)行后,需多次對系統(tǒng)進(jìn)行不同負(fù)載率情況下的無功實(shí)際需求量,以及系統(tǒng)中諧波的頻率和含量進(jìn)行測試,以此分析判別初步設(shè)計(jì)中的缺失部分和需要改進(jìn)的技術(shù)細(xì)節(jié)。

對于不同頻率的諧波,相應(yīng)的電抗率也不相同。當(dāng)系統(tǒng)中有兩種及以上電抗率的電容器投入運(yùn)行時(shí),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(shí)則按相反規(guī)律進(jìn)行。如違反這一規(guī)律,必將造成諧波不僅不能抑制,而且還會放大的嚴(yán)重后果！對于不同諧波頻率下設(shè)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(guān)鍵。在國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50227—2017《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》中明確,當(dāng)諧波為5次以上時(shí),電抗率宜取4.5%～5.0%;當(dāng)諧波為3次以上時(shí),電抗率宜取12%。然而,在實(shí)際應(yīng)用時(shí),由于以下兩點(diǎn)原因,實(shí)際電抗率的選擇比國標(biāo)的規(guī)定值稍作放大。第一,目前低壓無功補(bǔ)償工程中的電抗器,大多選擇鐵心電抗器,在投入運(yùn)行時(shí),由于涌流的存在,使鐵心產(chǎn)生飽和作用,因此投入運(yùn)行時(shí),實(shí)際電抗值要比額定值小一些。第二,由于電容器產(chǎn)品質(zhì)量和壽命的影響,經(jīng)長時(shí)間投運(yùn)和外加過電壓激勵(lì),會造成電容器容量減小,容抗值增大。上述兩點(diǎn)原因造成實(shí)際運(yùn)行時(shí)電抗率通常要略小于計(jì)算值,為此電抗率選擇可比國標(biāo)規(guī)定值稍作放大。

3 無功補(bǔ)償配置分析

3.1 設(shè)計(jì)步驟

根據(jù)有關(guān)資料,配電變壓器空載勵(lì)磁電流中含有相當(dāng)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(lì)磁電流的40%～50%;熒光燈中脈沖式電子鎮(zhèn)流器,3次諧波電流占總負(fù)載電流的88%。在初步設(shè)計(jì)階段,可試投入少量12%電抗率對應(yīng)的電抗器,用以抑制3次諧波。在變壓器投入運(yùn)行后,可手動或自動優(yōu)先投入固定運(yùn)行,不參與控制器控制投切。其它電容器串聯(lián)的電抗器,對應(yīng)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(dāng)12%電抗率的電容器投入運(yùn)行后,才使控制器參與投入運(yùn)行,使6%電抗率的所有電容器全部參與自動循環(huán)投切運(yùn)行。

3.2 設(shè)計(jì)實(shí)例

變壓器投入運(yùn)行后,對于三相負(fù)載不平衡且功率因數(shù)差別較大的情況,若無功補(bǔ)償單純采用三相共補(bǔ),則會造成不合理的補(bǔ)償后果。對此考慮設(shè)置三相共補(bǔ)與單相分補(bǔ)相結(jié)合的方案,在電源進(jìn)線側(cè)設(shè)置供三相取樣的電流互感器,取樣后經(jīng)控制器判別。若三相負(fù)載均為低功率因數(shù),則可發(fā)岀三相共補(bǔ)指令,投入三相電容器,反之輸出共同切除指令。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),當(dāng)負(fù)載中單獨(dú)一相功率因數(shù)有變化時(shí),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(shè)置,可結(jié)合工程量的大小適當(dāng)放寬。最后,根據(jù)負(fù)載的實(shí)際測試情況,形成更為合理的補(bǔ)償容量和相應(yīng)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(bǔ)償一次電路及主要元器件參數(shù)如圖1所示。

3.3 參數(shù)選擇

對于1號電容柜,配置三臺三相電容器,參數(shù)為20 kvar、480 V,電抗率選取12%,固定投入運(yùn)行;配置六臺單相電容器,參數(shù)為20 kvar、250 V,電抗率選取6%,由控制器參與自動調(diào)節(jié)運(yùn)行。

對于2號電容柜,配置八臺三相電容器,參數(shù)為40 kvar、450 V,電抗率選取6%,由控制器參與自動調(diào)節(jié)運(yùn)行。

系統(tǒng)中,主要補(bǔ)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(tǒng)中負(fù)載的三相共補(bǔ)和單相分補(bǔ),并由控制器根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需要,分別發(fā)出共補(bǔ)或分補(bǔ)指令。

在額定工作狀態(tài)下,對主要元件的參數(shù)進(jìn)行選擇。對于熔斷器,按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50227—2017,用于單臺電容器保護(hù)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(lián)電抗器后,電容器實(shí)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(guān),由圖2相量關(guān)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(shí)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(jìn)行選擇:

(2)

式中:UN為電容器額定工作電壓;Umax為運(yùn)行時(shí)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(jìn)行選擇。

串聯(lián)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(shí),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(shí)際輸出的無功功率可按式(3)計(jì)算:

(3)

圖1 配電變壓器無功補(bǔ)償一次電路

圖2 電壓相量關(guān)系

式中:QC為串聯(lián)電抗器后電容器實(shí)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(jié)束語

筆者所介紹的低壓無功補(bǔ)償電容柜設(shè)計(jì)為根據(jù)配電變壓器容量進(jìn)行的初步設(shè)計(jì),待設(shè)備正常投入運(yùn)行后,要實(shí)測回路中的諧波含量,確認(rèn)補(bǔ)償電容量是否合適,再進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。