低压电容器回路电气设备的选择

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摘要：本文主要介绍低压配电系统图中低压电容补偿器回路上各电气设备的选择，包括电容器、断路器、熔断器及串联电抗器等设备。

关键词：电容器 串联电抗器

中图分类号：S972.7+4 文献标识码：A文章编号：

0 概述

在现代生活中，许多家用电器及常用设备越来越多得采用非线性控制回路，如电视机，变频空调、电梯等均为谐波源，这些非线性用电设备均会将谐波电流注入电网，对并联电容器产生不利影响。主要表现有：电容器容易吸收谐波电流引起过载发热，当其容性阻抗与系统中感性阻抗相匹配时，则构成谐波谐振，这时噪音增加，电容器发热明显，最不利时电容器发生爆炸事故，影响电气安全及可靠性，给用户造成极大的损失。

为了抑制谐波对电容器的危害，也为了避免并联谐振的发生，比较简单的方法是在电容器上加装串联电抗器，一般情况下加装串联电抗器的位置如图所示：

图中：

TA1a---电测仪表用电流互感器；TA1b---电容器控制器专用电流互感器；FU1---电容器组总熔断器；QF1---电容器组总断路器； TA2a---电容器组电流互感器；FU2---分组电容器保护用熔断器，L1---三相用串联电抗器；L2---单相用串联电抗器;C1---三相电容器;C2---单相电容补偿器；FV---避雷器。

有些地方标准,如《公共建筑节能设计标准》（DGJ32/J 96—2010），为江苏省工程建设强制性标准，还要求低压无功补偿装置应具有分相补偿或混合补偿的功能，且当采用混合补偿时，分相补偿容量不得小于总补偿容量的40％。图中所示即为混合补偿的主接线图，如只采用三相电容器补偿方式，可只选用L1和C1回路即可。

1电抗率的选择

串联电抗器电抗率的选择，应根据电网条件与电容器参数经相关计算分析确定，电抗率取值范围应符合下列规定：用于抑制谐波时，电抗率应根据并联电容器装置接入电网处的北景谐波含量的测量值选择。当谐波为5次及以上时，电抗率宜取4.5~5%，当谐波为3次及以上时，电抗率宜取12%， 亦可采用4.5~5%与12%两种电抗率混装方式。

电抗率是指串联电抗器的相感抗占电容器相容抗的百分比。电容器相容抗按下述方法计算：电容器回路中，线电流：

在电抗器电容器串联回路中，由（2）、（3）式知：电抗器的感抗与谐波次数成正比：电容器容抗与谐波次数成反比。为了抑制3次及以上谐波，则要使3次及以上谐波器串联回路的谐振次数小于3次。这样，对于3次及以上谐波，电抗器电容器串联回路呈感性，消除了并联谐振产生的条件；对于基波，电抗器电容器串联回路呈容性，保持无功补偿的作用。

如电抗器电容器串联回路在n次谐波下谐振。则

按照规范要求及有关厂家的资料，一般情况下电抗率为4.5%，5%，6%，7%，12%，13%，14%，其中电抗率4.5%~7%的均为消除5次及以上谐波的影响，电抗率为12%~14%的均为消除3次及以上谐波的影响。

为方便设计选择，列表如下：

由于工程项目中的实际谐波值每时每刻都在变化，如何确定工程中具体是那次谐波的含用率最大，只能等到工程竣工且电气设备投入使用后，由专业人员进行测量才最为准确和针对性。在施工图设计阶段，可利用相关专业书籍及以前的经验进行估算，确定具体工程是属于3次谐波或是5次谐波为主。一般情况下常用的谐波源参数如下表：

对工程设计来说，一般情况下公共建筑如办公楼和采用消除3次谐波的串联电抗器为主，机械工业等根据使用设备的具体情况采用3次或5次谐波的串联电抗器，建议如占基波电流百分最大的谐波电流次数为5次谐波的用电设备的视在功率占所在变压器安装功率超过15%的情况下，采用消除5次谐波的串联电抗器，其它采用消除3次谐波的串联电抗器。

2．电容器的选择

电容器额定电压的选择，应符合下列要求：

2.1．宜按电容器接入电网处的运行电压进行计算。

2.2．电容器应能承受1.1倍长期工频过电压。

2.3．应计入串联电抗器引起的电容器运行电压升高。接入串联电抗器后，电容器运行应按下式计算：

式中Uc—电容器的运行电压(kV)；

Us—并联电容器装置的母线运行电压(kV)；

S—电容器组每相的串联段数；

K—电抗率。

根据《标准电压》（GB/T156-2007），低压侧设备处电压为~220/380V。由于低压电容补偿器一般情况下在变配电所低压配电柜内集中补偿，其电压实际上和配电变压器二次侧母线电压一致， 10/0.4kV变压器均有分接开关功能，由于变配电所一般情况下均位于负荷中心，配电半径较小，二次侧电压可采用高出5%的电压即可，即低压电容补偿柜柜顶母线电压为1.05Un=1.05x380=400V 。如果变压器所供线路很长，二次侧电压可采用高出10%的电压，本文不讨论此种情况，可根据相应公式类推。

电容器串联电抗器后，，其二次侧电压是固定不变的，所以电容器端电压相应增大。其增加值为相对应电抗率。如电抗率为13%，其电容器的电压为1.13×400=452V。考虑到电容器应能承受1.1倍长期工频过电压，则电容器最终的耐受电压值为1.1×452=497V，可选取相应的产品525V。

为方便设计选择，列表如下：

3.低压总断路器的选择

并联电容器装置总回路中的断路器，应具有切除所连接的全部电容器组和开断总回路短路电流的性能。分组回路断路器可采用不承担开断短路电流的开关设备。根据以上要求，电容器总回路断路器的分断能力同相应变压器低压侧的分断能力即可，其额定电流可根据进行计算，且低压电容器装置的开关设备的长期允许电流 ，不应小于电容器额定电流的1.5倍，即断路器额定电流…………………………………………….(5)

4.低压熔断器的选择

用于单台电容器保护的外熔断器选型时，应采用电容器专用熔断器。用于单台电容器保护的外熔断器的熔断器的熔丝额定电流 ，应按电容器额定电流的1.37~1.5倍选择。即熔断器的额定电流

5．带串联电抗器的电容器组的控制器选择

由于在一般民用工程中，考虑工程造价，可选择交流接触器控制相应的控制装置，在工业项目或重要的公共建筑中，建议采用可控硅控制相应的控制装置，其分组可根据相应的控制装置的回路进行分组。一般情况下可将基本补偿容量采用大容量低压电容补偿器组，如30~50kvar为一组进行投切,一般情况下是闭合的，其它可变动的负荷可采用小容量电容补偿器组，如15~30kvar为一组进行投切，这样可减少频繁投切。建议其组合为基本补偿容量：随机补偿容量=6：4，可在保证工程正常使用的情况下，投资最少，性价比最高。

在工程设计中应注意，采用三相共补和单相分补组合或均为单相分补的情况下，在变压器低压侧总断路器的电流互感器组应选用三绕组的电流互感器，只有这样控制器才能正常工作。

6．电容器组的发热量

由于电容器组属于电气发热元件，其发热量可根据经验数据，0.4kV低压电容器组每kvar散热量可采用4W进行计算，给相关专业提供相应资料。电容器柜也应采取相应措施，如在柜后侧采用散热孔进行散热，或在柜内加风机进行散热。

7．工程实例

在某工程项目电气设计过程中，其变压器安装容量为SGB10-1250kVA， TA1b选择变比为2000/5的三铁芯电流互感器，功率因数控制器选用PFR-M12-T-3A 型，具有过零投切，响应速度快，实现无暂态过程、无涌流、无冲击、使用寿命长等特点，且内置冷却风扇、自动控制风扇启停。由于存在大量的单相负荷（如照明灯具、办公设备、UPS电源、计算机等），且该类负荷使用的随机性极高，每相负载的功率因数也不相同，所以采用混合补偿，分相补偿容量不小于总补偿容量的40％。三相补偿主要为基本补偿，分相补偿为随机补偿，采用混合补偿后，各相功率因数均为0.95，不会出现单相过、欠补偿情况。电抗率采用14%，电容器选用MKPG0.525-50-3 (集中补偿)和MKPG0.525-30-1 (分相补偿)，其电容器是新一代环保干式自愈式充气电容器，具有过压拉断保护装置，具有150000小时的工作寿命等特点。

8．总结

本文系统分析了带串联电抗器的电容补偿器的各个电气元件的选择，提出了5次谐波的用电设备的视在功率占变压器安装功率超过15%的情况下，采用消除5次谐波的串联电抗器，即电抗率采用4.5%、5%、6%、7%，其它采用消除3次谐波的串联电抗器，即电抗率采用12%、13%、14%，然后根据不同的电抗率选择不同的耐压等级的补偿电容器。对补偿电容器主回路上的断路器及熔断器的选择也做了详细的分析，在工程设计中应注意选择相配套的三绕组电流互感器，基本补偿容量与随机补偿容量采用6：4进行分组控制，以及给相关专业提供电容器散热量的资料。

参考文献：

[1]中国航空工业规划设计研究院，组编.工业与民用配电设计手册[M].第3版.北京:中国电力出版社,2005.

[2]中国电力企业联合会，主编. GB 50227—2008 并联电容器装置设计规范[S].北京:中国计划出版社,2008.