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(fā)展進(jìn)步，人們對電的認(rèn)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(yè)的人員對于電力電容器也不精通。在交流電路當(dāng)中，除了消耗功率的純電阻負(fù)載外，純感性負(fù)載和純?nèi)菪载?fù)載還與電源進(jìn)行能量交換。實際負(fù)載的功率不僅與負(fù)載兩端電壓及流過負(fù)載的電流有效值U 和I 的乘積有關(guān)，還與負(fù)載的功率因數(shù)有關(guān)，對于三相負(fù)荷P=，為負(fù)載兩端電壓與流過負(fù)載的電流的相位之差。而負(fù)載兩端電壓與流過負(fù)載的電流的相位差是多少，完全由負(fù)載本身的參數(shù)決定。當(dāng)電壓與電流的相位相同時，負(fù)載體現(xiàn)為純阻性，則功率因數(shù)=1。對其他負(fù)載來說，功率因數(shù)總介于0和1之間。

現(xiàn)代社會各種用電設(shè)備逐年增加，其中異步電動機(jī)、感應(yīng)電爐、交流電焊機(jī)等大量的感性負(fù)載設(shè)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(shù)提高。一般在負(fù)載兩端并聯(lián)設(shè)置補(bǔ)償電容器來提高電路中感性負(fù)載的功率因數(shù)。

2 低壓電力電容器對電力電網(wǎng)的影響

2.1 低壓電力電容器欠補(bǔ)償對電力電網(wǎng)的影響

補(bǔ)償?shù)碾娙蓦娏饕蟊刃枰窒碾姼须娏餍?，補(bǔ)償后仍存在一定數(shù)量的感性無功電流，功率因數(shù)小于1但接近1。當(dāng)容量很大的電動機(jī)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(tǒng)下的各個用電單位。長期的欠補(bǔ)償用電單位客戶，其自身的功率因數(shù)低。造成不必要的電能損耗。從經(jīng)濟(jì)方面考慮，浪費了本身不需要浪費的電能，增加了企業(yè)的電能費用支出，長此以往會影響整個供配電系統(tǒng)的供電電能質(zhì)量。

2.2 低壓電力電容器過補(bǔ)償對電力電網(wǎng)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(fù)荷性質(zhì)將在此刻轉(zhuǎn)為容性負(fù)荷性質(zhì)，功率因數(shù)大于1。電容器過補(bǔ)償會加劇電網(wǎng)諧波污染。當(dāng)電容器接入到配電網(wǎng)中以后，由于電容器能夠?qū)﹄娏鬟M(jìn)行頻率響應(yīng)，所以容易導(dǎo)致諧波電流的增加，進(jìn)而引起電壓畸變率和諧波電流的增大；當(dāng)電容器補(bǔ)償過多時，會導(dǎo)致配電設(shè)備電流過大，同時也會增大電網(wǎng)的損耗，進(jìn)而導(dǎo)致供電設(shè)備、供電電纜存在過載、火災(zāi)等風(fēng)險。因此對于供配電系統(tǒng)來說，合理控制電容器的數(shù)量和容量是非常重要的。補(bǔ)償?shù)脑瓌t是必須欠補(bǔ)償，且補(bǔ)償后的功率因數(shù)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(bǔ)償位置

原則上來講，哪里產(chǎn)生無功功率，就在哪里安裝電力補(bǔ)償電容器進(jìn)行補(bǔ)償，因此低壓提倡就地補(bǔ)償，在設(shè)備處安裝電容器直接對負(fù)荷的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償。一般來說低壓電力電容器補(bǔ)償?shù)攸c如下。

一是變電所10/0.4kV 變壓器低壓主母線上設(shè)置電容器，補(bǔ)償整個變壓器低壓側(cè)所帶負(fù)荷的無功功率,提高整個系統(tǒng)的功率因數(shù)，提升供配電設(shè)備的供電質(zhì)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(jìn)線的配電室低壓主母線上設(shè)置電容器，補(bǔ)償整個分配電室所帶負(fù)荷的無功功率，提高分配電系統(tǒng)的功率因數(shù)。

三是采用低壓進(jìn)線的遠(yuǎn)端長期運行電動機(jī)，在電動機(jī)負(fù)載側(cè)設(shè)置電容器，對電動機(jī)的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償。對于距離供電點遠(yuǎn)，且為連續(xù)運行工作制的大、中型電動機(jī)，應(yīng)采用就地補(bǔ)償方式補(bǔ)償電動機(jī)的無功功率。此方式對遠(yuǎn)距離送電的電動機(jī)低功率因數(shù)、電力線路損耗、對變壓器負(fù)載率提升等方面有明顯的改善效果。據(jù)運行數(shù)據(jù)表明，1kVar 補(bǔ)償電容每年可節(jié)電150～200kWh，節(jié)電效率較高。特別適合下列運行條件的電動機(jī)：在遠(yuǎn)離電源的水源泵電動機(jī)、距離供電點200m以上的連續(xù)運行電動機(jī)、輕載或空載運行時間較長的電動機(jī)、高負(fù)載率變壓器供電的電動機(jī)。

電容器補(bǔ)償位置如圖1所示。

圖1 電容器補(bǔ)償位置

4 低壓電力電容器需要補(bǔ)償容量計算

4.1 變壓器低壓側(cè)、分配電室母線處低壓電力電容器補(bǔ)償容量計算

在實際設(shè)計過程中，對于電氣專業(yè)設(shè)計來說負(fù)荷統(tǒng)計是開展所有工作的先決條件。只有統(tǒng)計了需要供電設(shè)備的負(fù)荷，才能開展后續(xù)的供電系統(tǒng)設(shè)計。負(fù)荷統(tǒng)計屬于基礎(chǔ)知識，一般工程中使用需要系數(shù)法，此處不詳細(xì)介紹。具體可參考《工業(yè)與民用供配電設(shè)計手冊》第一章的統(tǒng)計方法。現(xiàn)假設(shè)某用戶低壓側(cè)負(fù)荷統(tǒng)計結(jié)果為有功功率，無功功率，則功率因數(shù)：

根據(jù)以上總結(jié)，同時結(jié)合安徽新華學(xué)院信息工程學(xué)院的共享資源課程建設(shè)實際情況，對資源共享課程建設(shè)從建設(shè)目標(biāo)和具體做法上提出以下建設(shè)方法的探討。

4.2 遠(yuǎn)端電動機(jī)設(shè)備側(cè)低壓電力電容器補(bǔ)償容量計算

一般對單臺電動機(jī)的容量補(bǔ)償不宜過大，考慮到自勵磁過電壓的情況，應(yīng)保證在額定電壓下斷電時電動機(jī)的電容器的放電電流應(yīng)不大于設(shè)備銘牌上空載電流的90%。計算單臺電動機(jī)容量補(bǔ)償?shù)挠嬎愎綖椋海?）

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

5 低壓側(cè)電容器串聯(lián)電抗器電抗率選擇

電力電容器在實際中還應(yīng)配合串聯(lián)電抗器使用。其主要目的有兩個：限制涌流、抑制諧波。因為進(jìn)入系統(tǒng)的諧波在經(jīng)過電容器投入電網(wǎng)后會產(chǎn)生放大效應(yīng)，將諧波危害進(jìn)一步加劇。根據(jù)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(lián)電容器裝置設(shè)計規(guī)范》（GB50227-2017）5.5條款的規(guī)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(yīng)根據(jù)并聯(lián)電容器裝置接入電網(wǎng)處的背景諧波含量的測量值選擇[2]。

一是當(dāng)諧波為5次及以上時，電抗率宜取4.5%～5.0%；二是當(dāng)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(dá)到電網(wǎng)工作頻率的3倍。當(dāng)串聯(lián)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(gòu)成串聯(lián)諧振條件，此時將抑制母線的3次諧波電壓。

6 電容器串聯(lián)電抗器后對供電母線實際補(bǔ)償容量計算

圖2 分組串聯(lián)電容器

代入式（4）中得到的計算式為：

三是串聯(lián)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(lián)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(lián)電抗器后補(bǔ)償?shù)诫娋W(wǎng)母線側(cè)的實際補(bǔ)償容量。

7 實際應(yīng)用時如何計算

一是按照計算出變壓器低壓側(cè)、分配電室母線側(cè)補(bǔ)償電容器前的功率因數(shù)。二是計算出實際需要補(bǔ)償?shù)降蛪簜?cè)主母線、分配電室母線、電動機(jī)設(shè)備側(cè)的電容器總?cè)萘恐?。三是按照串?lián)電抗器的電抗率。四是根據(jù)所選單組電容器的額定容量按照可實際補(bǔ)償?shù)诫娋W(wǎng)的容量，并確定需要補(bǔ)償?shù)慕M數(shù)。五是根據(jù)確定的組數(shù)反算最大功率因數(shù)，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(shù)[4]。某2000kVA 變壓器低壓側(cè)三相四線，額定頻率為，母線運行線電壓為0.4kV，總負(fù)荷合計計算有功功率1259kW，計算無功功率800kVar，現(xiàn)供電部門要求0.4kV 母線功率因數(shù)需達(dá)到0.9以上。電容器組容量參數(shù)：三相額定線電壓為0.48kV，額定容量為50kVar，串聯(lián)電抗器電抗率選取7%。

電容器補(bǔ)償前：

需要補(bǔ)償電容器：

單臺實際補(bǔ)償容量：

且0.9＜0.909≤1滿足要求，因此最終選擇6組該規(guī)格電容器組。

8 結(jié)語

低壓電容器和串聯(lián)的電抗器在低壓配電回路中是重要的設(shè)備，主要用于系統(tǒng)無功功率的補(bǔ)償，對系統(tǒng)電能質(zhì)量起著至關(guān)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(shè)計人員容易混淆和易錯的地方。本文是根據(jù)實際工作中問題進(jìn)行總結(jié)歸納希望能幫助到工程設(shè)計人員。