陳雪晴 柳貴東

摘 要：《全國供用電規(guī)則》規(guī)定，功率因數(shù)不達標的用戶會被罰款。為了降低無功損耗，一般在供電系統(tǒng)中并聯(lián)電容柜來提供無功補償。目前，電容柜還存在溫度控制不好而導致電容器出現(xiàn)鼓肚和滲液的現(xiàn)象。電容柜不能立即切斷電容，導致過補償。其沒有三相指示燈，不能監(jiān)視三相熔斷器是否損壞。因此，本文設計了MNS型電容補償柜。這種電容補償柜是MNS系列開關柜的一種。電抗器串聯(lián)電容來消除諧波，電容垂直擺放于通風支架上，防止電容因散熱不足而發(fā)生故障。系統(tǒng)通過自動功率因數(shù)控制器進行實時監(jiān)測，由接觸器控制電容進行無功補償，防止向電網(wǎng)倒置無功，并通過三相指示燈的亮度監(jiān)視熔斷器是否損壞。經(jīng)過質(zhì)量檢測，補償柜的各項指標都符合技術要求。

關鍵詞：功率因數(shù);無功補償;開關柜;電容器

中圖分類號：TM561 文獻標識碼：A 文章編號：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

本設計采用并聯(lián)電容的三相共補方式進行無功補償，由刀熔開關、控制器、接觸器、電抗器、電容器、避雷器和散熱回路等組成，與進線柜并聯(lián)安裝來提高功率因數(shù)，對電網(wǎng)的穩(wěn)定運行起著舉足輕重的作用[1-3]。但是，市場上的電容補償柜還是存在一些缺點。例如，電容器沒有正確擺放，溫度控制不好，導致電容器陸續(xù)出現(xiàn)鼓肚和滲液現(xiàn)象，部分電容器被迫停用;電容柜不能立即切斷電容，導致過度補償;電容柜沒有放電指示燈，不能監(jiān)視電容器電源側(cè)的三相熔斷器是否損壞[1]。

本設計利用濾波電抗串聯(lián)電容來消除諧波，將電容器垂直擺放于通風支架上，防止電容因散熱不足而發(fā)生事故。自動功率因數(shù)控制器實時進行監(jiān)測，接觸器控制電容投切進行無功補償，防止向電網(wǎng)倒置無功。指示燈顯示電容投切路數(shù)，通過亮度還可以監(jiān)視三相熔斷器是否損壞。隨著MNS型電容補償柜應用范圍的不斷推廣，電容柜的使用價值日益凸顯，人們必然會對電容柜提出新的、更高的要求。

1 技術指標

產(chǎn)品能夠安全、穩(wěn)定運行，技術指標起著重要的作用[4-7]。下文將對補償柜的技術要求、設計指標、柜體結(jié)構、元器件及布線規(guī)范等進行具體分析。

1.1 技術要求

柜體尺寸為1 200 mm（寬）×1 000 mm（深）×2 200 mm（高），滿足IP3X防護等級。系統(tǒng)的額定電壓（交流電）為400 V，電容器端電壓（交流電）為480 V，電抗率為7%，采用三相共補的方式，有手動和自動兩種控制功能。

1.2 設計指標

補償裝置為封閉式戶內(nèi)成套設備，適合于三相對稱負荷的實時功率因數(shù)補償，根據(jù)負載無功和電壓波動情況，自動投切，保證功率因數(shù)超過0.95。結(jié)構件采用阻燃骨架、無磁性材料，耐熱性高，穩(wěn)定性高，損耗低[8-10]。所有元器件和材料應為阻燃和不燃的高品質(zhì)產(chǎn)品。

1.3 柜體結(jié)構要求

柜體結(jié)構是低壓開關柜的組合基礎，它既要滿足各電氣單元的組合功能要求，還要滿足柜體的固有要求[11-13]。柜體采用優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板折彎而成，厚度不小于2.0 mm，柜內(nèi)垂直母排采用TMY-T2系列硬銅排，規(guī)格見一次回路圖，如圖1所示。

1.4 元器件要求及布線規(guī)范

元器件是補償裝置的重要組成部分，它決定設備的穩(wěn)定性和可靠性[14-15]。布線規(guī)范使設備看起來美觀，也為以后的維修帶來便利。

無功補償控制器具備自動和手動兩種控制方式。電源（交流電）范圍為100～415 V，采樣電壓輸入范圍為50～690 V，采樣電流為0～5 A，流互感器兩側(cè)轉(zhuǎn)化電流之間的比例（即CT變比）可設置為1 A或5 A，工作電壓為85～265 V，過壓設置在420～440 V，功率因數(shù)cos[φ]為0.9～1.0。

電抗器采用電抗率為7%的干式鐵芯三相電抗器，內(nèi)置溫度開關，其具備良好的抗諧波能力。額定電壓不低于600 V，額定頻率為50 Hz，額定誤差允許范圍為-0.2%～3%，噪聲不大于45 dB，絕緣等級為H級。

電容器采用圓形鋁質(zhì)外殼，屬于自愈式并聯(lián)三相電容器，每一相采用壓敏斷路技術，同時具備過壓開斷保護能力。額定電壓為480 V（電抗器電抗率7%），額定頻率為50 Hz，含放電電阻，使用壽命不小于15萬h，容量偏差允許范圍為-5%～5%，斷開電源1 min內(nèi)，放電電壓要低于75 V。

柜內(nèi)元器件排列整齊，布線規(guī)范有序，元器件、二次線路的標識清楚，永久不脫落。柜內(nèi)母線、色標、相序及二次布線規(guī)范等要滿足低壓開關柜技術要求。

2 MNS型電容補償柜元器件選型

MNS型電容補償柜主要由柜體、主母排、補償回路組成。柜體是開關柜的外殼骨架，能夠?qū)?nèi)部功能區(qū)域進行劃分，支撐元器件。主母排是連接各開關元器件主回路的連接排。補償回路就是控制器智能控制接觸器的投切，讓電容組件進行無功補償。

2.1 柜體和主母排規(guī)格

本設計柜體規(guī)格（寬×深×高）為1 200 mm×1 000 mm×2 200 mm?？蚣苡蒀形柱、梁、鋁合金角位連接器構成，均采用覆鋁鋅板壓筋材料，有效阻斷了框架的磁回路，柱、梁上的壓筋增強柱架結(jié)構強度以及柜體的穩(wěn)定性，使安裝更加簡單、方便。

主母排采用TMY-T2系列硬銅排，根據(jù)一次回路圖可知，銅排（1 200 W）的規(guī)格為：3×3 mm×10 mm×125 mm+2 mm×12 mm×100 mm。

2.2 元器件選型

本設計主要元件有刀熔開關、控制器、接觸器、電抗器和電容器等，它們對無功補償起著重要的作用。

刀熔開關選用ABB集團的OS800D03P隔離開關熔斷器組，從結(jié)構來看，它采用正面旋轉(zhuǎn)的操作形式，由操作機構、觸頭系統(tǒng)和手柄三部分組成。熔斷器并列固定安裝在開關上，接通和分斷電路另有一套觸頭。滅弧室是全封閉的，元器件之間的距離很小，也不會發(fā)生飛弧。

控制器選用北京英博的BKR 08G自動功率因數(shù)控制器。它能夠智能計算出所需無功的補償容量，具備自動和手動兩種控制方式。

接觸器選用ABB集團的UA110-30-11 AC220 V交流接觸器，它是電容專用接觸器，能夠有效、及時控制電容的投切。

電容器的實際投切是有損耗的，所以電容器容量的計算公式為：

已知電容器額定電壓為480 V，電抗率為7%，負載電壓為380 V，預計一路電容計劃補償容量為30 kVAR，將相關參數(shù)帶入式（1），則電容器容量約為44.5 kVAR。

本設計的無功補償需要400 kVAR的容量，所以設計8路50 kVAR的電容器來進行補償。本設計選用福州圖瑞工業(yè)自動化設備有限公司的HPCL 50.0-480-3P電容器。

本設計需要電抗率為7%的電抗器，每一路電容補償容量為50 kVAR，所以電抗器的容量計算公式為：

已知電容器設計容量為50 kVAR，電抗率為7%，則電抗器容量為3.50 kVAR。

因為系統(tǒng)的額定電壓為400 V，所以選用上海同垚電氣制造有限公司的LKSG-350-400/7三相電抗器。

2.3 元器件統(tǒng)計

上文對MNS型電容補償柜的主要元器件進行選型，下面將對裝置的元器件進行統(tǒng)計，如表1所示。

3 MNS型電容補償柜電路設計

本文將根據(jù)技術指標的要求，設計主電路和控制回路電路圖，如圖2、圖3所示。

3.1 主電路圖設計

本設計運用于大型生產(chǎn)企業(yè)，三相用電設備使用量大，所以補償柜采用并聯(lián)電容的三相共補方式。系統(tǒng)設有八路補償回路，由控制器控制接觸器的吸合，讓電抗器串聯(lián)電容為電網(wǎng)進行無功補償。因為三相回路平衡，所以回路中無功電流相同，當進行補償時，電流只取三相中的任意一相。三相回路同時投切，可以保證三相電壓的質(zhì)量[2]。

3.2 控制回路電路圖設計

當QS開關閉合時，KZQ自動功率因數(shù)控制器得電，將實時從進線柜讀取取樣電流[Iu]與取樣電壓[Uv]、[Uw]，自動計算功率因數(shù)。如果功率因數(shù)小于0.95，那么控制器將智能控制接觸器動作，從而控制電容器對電網(wǎng)進行無功補償。

當電容器投入電網(wǎng)時，對應的三相指示燈亮。若三相電壓缺相，則對應路數(shù)的三相指示燈亮度也會變暗，人們可以及時發(fā)現(xiàn)。電抗器串聯(lián)在電容器上的作用是抑制諧波干擾。測量回路的電流互感器可以檢測三相電流的情況并在電流表中顯示結(jié)果，精密電流互感器所測得的數(shù)據(jù)被傳輸至后臺監(jiān)控系統(tǒng)。

溫濕度控制器會對環(huán)境溫濕度自動進行采樣和及時監(jiān)控。當工作環(huán)境溫度高于溫度設定值時，風扇得電，開始轉(zhuǎn)動;當工作環(huán)境溫度低于溫度設定值（回差值）時，風扇停止轉(zhuǎn)動。

4 結(jié)論

隨著我國工業(yè)化進程的快速推進和國民經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，電網(wǎng)中的感性負載越來越多，導致電能損耗的數(shù)值越來越大。并聯(lián)電容器擁有容量組合靈活、安裝維護方便、有功功率損耗小等優(yōu)點，因此被普遍使用。根據(jù)市場上補償柜存在的缺點，本文做了以下創(chuàng)新。一是在并聯(lián)電容前串聯(lián)電抗器，不僅可以防止電容器和用電系統(tǒng)發(fā)生串、并聯(lián)諧振，以免諧波被放大，使并聯(lián)電容的電流過載而損壞，還可以限制涌流;二是在電容組中并聯(lián)三相指示燈，不僅方便查看電容的投切情況，還可以為電容器放電，同時通過燈的亮度監(jiān)視三相熔斷器是否損壞;三是采用BKR 08G自動功率因數(shù)控制器，自動計算功率因數(shù)，防止電容過補償或欠補償。經(jīng)過質(zhì)量檢測，產(chǎn)品各項指標都符合國家標準和技術指標的要求。

參考文獻：

[1]詹崢.低壓電容柜上放電指示燈不該取消[J].電世界，2018（12）：34.

[2]王軼宇.電容補償在配電系統(tǒng)的應用[J].科技資訊，2006（22）：20.

[3]水利電力部.全國供用電規(guī)則[M].北京：水利電力出版社，1984：52-53.

[4]楊安，徐宏，王濤.低壓電容柜改造[J].科技風，2009（16）：176-179.

[5]國家發(fā)展和改革委員會.避雷器產(chǎn)品型號編制方法：JBT 8459—2006[S].北京：中國標準出版社，2006.

[6]王永喜，曹洋，張殿英.低壓電容柜方案設計[J].電氣開關，2010（4）：45-46.

[7]劉銳.淺議電力系統(tǒng)電壓與無功補償[J].科技信息，2008（32）：354-355.

[8]潘宗英.低壓電網(wǎng)無功功率補償方法初探[J].中國科技信息，2008（7）：19-21.

[9]程瑋.新型無功功率補償控制器設計[D].福州：福建農(nóng)林大學，2010：18.

[10]孫書田.并聯(lián)電容器無功補償裝置運行中一個不容忽視的問題[J].電力電容器，1989（1）：47-48.

[11]國家能源局.電力系統(tǒng)電壓和無功電力技術導則：DL/T 1773—2017[S].北京：中國標準出版社，2017.

[12]XIAO Y，SONG Y H.Available Transfer Capabiility（ATC） Evaluation by Stochastic Programming[J].IEEE Power Engineering Review，2000（9）：50-52.

[13]GUSTAFSSON J，DELSING J，DEVENTER J V.Improved district heating substation efficiency with a new control strategy[J].Applied Energy，2010（6）：1996-2004.

[14]何麗薇.GB/T 7251.12—2013成套電力開關和控制設備溫升試驗方法研究[J].電子元器件與信息技術，2020（7）：137-138.

[15]王琳基，王蘇潭，韓群勇，等.諧波狀況下電容柜損壞原因分析及采取措施[J].電氣應用，2008（8）：76-78.