低壓無功補償柜的設(shè)計改進(jìn)

陳虹霓

（南海油脂工業(yè)（赤灣）有限公司，廣東 深圳 518067）

實行限制用電后，為提高用電質(zhì)量，降低系統(tǒng)損耗，減少電費的支出，很多單位企業(yè)安裝了無功功率補償柜（以下簡稱PFC 柜），因此，我們首先要了解無功功率補償?shù)脑恚M(jìn)而提出當(dāng)前PFC 柜設(shè)計中存在的問題并針對這些問題提出解決的思路。

1 無功補償?shù)幕驹?/h2>

在電力系統(tǒng)中，電動機(jī)及其它有線圈（繞組）的設(shè)備是負(fù)載的主要形式，我們稱為感性負(fù)載。這類負(fù)載將消耗一部分電功率來建立線圈磁場，額外的增加了電源的負(fù)擔(dān)，功率因素cosφ就是反映總電功率中有功功率所占的比例。從理論公式P=UIcosφ可以看出，功率因素的降低，為了維持有功功率，電流將增大，使線路的損耗加大，增加了電壓損失，降低了供電的質(zhì)量，不利于提高用電的效率。因此，在供電系統(tǒng)中，增加無功補償設(shè)備，提高供電網(wǎng)絡(luò)的功率因數(shù)，對電網(wǎng)降損節(jié)電，安全可靠的運行有著極為重要的意義。我國大部分供電公司規(guī)定用戶的功率因素必須大于0.9。

無功補償最基本的形式就使提高感性負(fù)載的功率因數(shù)，也就是用適當(dāng)容量的電容器與感性負(fù)載并聯(lián)，這樣就可以使電感中的磁場能量與電容器的電場能量進(jìn)行交換，從而減少電源與負(fù)載間能量的互換，感性負(fù)載兩端并聯(lián)一個適當(dāng)電容器后，可以有效提高功率因數(shù)，使功率因數(shù)cosφ盡量接近1。

2 目前PFC 柜設(shè)計上的存在的問題

1）目前PFC 柜的設(shè)計，基本上是假設(shè)負(fù)荷側(cè)性質(zhì)為線性狀態(tài)來設(shè)計生產(chǎn)的，不能完全適應(yīng)各種負(fù)荷性質(zhì)的需要。取樣信號一般都取線電壓和相電流之間的相位差，電容柜投切僅以電壓為約束條件,功率因數(shù)為投切閥值是不完善的,缺乏電容器投切后電壓及無功變化的動態(tài)預(yù)算,作為反饋信號輸入到控制器,避免產(chǎn)生投、切振蕩的閉環(huán)技術(shù)措施。沒有考慮到投、切時電容產(chǎn)生的浪涌電流，交流接觸器極易拉弧。以諧波污染為主要原由的配電網(wǎng)絡(luò)，控制器沒有設(shè)定約束條件，僅以過壓作為保護(hù)條件，不能滿足現(xiàn)行電網(wǎng)中的各種運行情況。

2）電容器的選型不當(dāng)，相當(dāng)一部分PFC 柜仍然選用的是油浸式的電容，沒有預(yù)充電電阻，電容器內(nèi)部沒有安全保險；在電路設(shè)計中，忽視對電容器的保護(hù)，相當(dāng)一部分補償柜仍然采用的是空氣開關(guān)，使電容出現(xiàn)故障時不能及時切斷回路，導(dǎo)致短路事故的發(fā)生，發(fā)生火災(zāi)，甚至導(dǎo)致整個配電柜燒毀。

3）PFC 柜的柜體設(shè)計存在嚴(yán)重缺陷，不重視通風(fēng)設(shè)計，導(dǎo)致電容器長期運行在規(guī)定溫度以上，使電容器的使用壽命大幅降低；柜內(nèi)存在的母排，開關(guān)、接觸器、電容、電感等器件沒有有效的隔離，當(dāng)電容爆炸（任何好的保護(hù)都有可能失效）時會產(chǎn)生大量的電塵團(tuán)，導(dǎo)致故障的擴(kuò)大，甚至發(fā)生電氣火災(zāi)。

3 改進(jìn)PFC 柜設(shè)計的探討

針對目前市場上PFC 柜在設(shè)計上存在的問題，本文主要從電容器的選型/保護(hù)及柜體的設(shè)計等方面提出改進(jìn)的思路。

3.1 電容器的選擇

1）選擇至少可以承受100In的浪涌電流和電壓高一個等級的電容（比如用440V 電容取代400V 電容），像FRAKO 電容，可以承受200-300In的浪涌電流。較高的電壓等級和耐浪涌電流的能力，可以使電容在諧波存在的情況下，壽命更長。

2）選擇節(jié)能（能耗在0.2～0.5W/Kvar）環(huán)保型的干式電容，由于采用了自愈式和分段薄膜技術(shù)，電容器帶有預(yù)充電電阻，內(nèi)置保險，可以使把電容的災(zāi)難性的損壞變成漸進(jìn)式的或自愈式的。不能選擇油浸式的電容，不利于環(huán)保并有火災(zāi)的風(fēng)險。

3.2 電容器的保護(hù)

1）檢查供電側(cè)的用電質(zhì)量，確認(rèn)是否在可接受的范圍之內(nèi)（V-THD＜3%，I-THD＜10%），如果超出范圍，建議使用有解諧的補償柜（例如使用7%的電抗器）來防止系統(tǒng)電容產(chǎn)生共振，諧波的抑制可以有效的延長電容的壽命。

2）選擇熔斷器隔離開關(guān)代替空氣開關(guān)，電容投切可以采用可控硅與交流接觸器相結(jié)合的復(fù)合開關(guān)，可以有效的降低電容投入時的涌流和電容斷開時接觸器的拉弧。

3）PFC 組應(yīng)該留出30%～40%的余量，內(nèi)部電纜應(yīng)適當(dāng)放大，并且必須是A 級阻燃電纜，控制電線也必須是阻燃的。

4）在控制線路設(shè)計中，應(yīng)采用以單片機(jī)為基礎(chǔ)的控制器，按負(fù)荷側(cè)有功、無功的值取樣，進(jìn)行分析計算，自動識別工作電容器和備用電容器，發(fā)出指令，自動循環(huán)選擇不同的電容器進(jìn)行投切，使每個電容的運行時間大致相同，延長電容器的使用壽命。控制器同時還具有電容回路過壓，過流等保護(hù)功能。

3.3 補償柜柜體的設(shè)計

不能排除一個電容會發(fā)生爆炸或者火災(zāi)，因為，無論任何品牌/型號，任何好的保護(hù)功能都可能會失效。當(dāng)發(fā)生短路時，銅和金屬汽化時會膨脹22000倍，所有這些氣體和熱量都會急劇膨脹。因此，設(shè)計一個合理的配電盤，隔離，通風(fēng)，電容的裝配方式及ΙP 防護(hù)等級就非常重要：

1）電容器要與電抗器要相互隔離，兩者都要與接觸器，熔斷器隔離開關(guān)，電纜，母排等隔離，同時每個柜之間也要隔離，把故障限制在每個柜子里。以下的圖1是一個很好的例子（其中的進(jìn)線開關(guān)不建議安裝，應(yīng)由電纜供電）。

圖1 補償柜柜體

2）使用強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)

根據(jù)電容器的經(jīng)驗法則，電容器的工作溫度，每降低10℃，壽命會增加一倍。一般電容器規(guī)定的最高工作溫度為55℃，所以期望電容器工作溫度在40～45℃左右。

目前很多PFC 柜都是自然通風(fēng)方式，強(qiáng)烈建議安裝強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)。如上圖2、圖3所示，PFC 柜前后都有進(jìn)風(fēng)口,頂部安裝至少兩個抽風(fēng)扇（下面裝有防止風(fēng)扇意外跌落下來的裝置），帶自動恒溫調(diào)節(jié)器和超溫報警裝置，如果PFC 柜的通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)風(fēng)機(jī)跳閘或進(jìn)風(fēng)口堵死等情況，可以立即知道。

3）電容器的裝配方法對于通風(fēng)和散熱也起到很重要的作用，電容器不應(yīng)該安裝在水平封閉的底板上，底板板上應(yīng)該有通風(fēng)孔。建議以下面圖4的方式安裝：

圖4 推薦的安裝方式

5）柜子的設(shè)計還要體現(xiàn)安全的原則，不允許有裸露的母排和手指可能觸摸到的帶電體。若有，必須用阻燃隔板加以隔離，并貼有“當(dāng)心觸電”的標(biāo)識。PFC 柜的頂部應(yīng)該安裝防護(hù)板（見圖6），距離柜頂約200mm，防止垂直滴下來的液體直接進(jìn)入配電盤，也利于散熱；防護(hù)板的尺寸應(yīng)略大于電柜柜頂尺寸，四周有折邊，略微傾斜，留一面小開口，讓液體可以從柜體旁落到地面，使柜體的防護(hù)等級達(dá)到應(yīng)為ΙPX1。

4 結(jié)論

無功功率補償?shù)姆绞竭€分為個別就地補償，分組補償，集中補償?shù)榷喾N形式，確保通過并聯(lián)電容器等設(shè)備裝置，達(dá)到補償線路電流損耗的目的。保護(hù)功能全面的控制技術(shù)，良好通風(fēng)的柜體設(shè)計，元器件正確的安裝隔離方式，細(xì)致周到的安全防護(hù)措施，規(guī)范良好的維護(hù)保養(yǎng)是補償柜能夠正常安全運行的保證。改進(jìn)低壓無功補償柜設(shè)計，克服存在的問題，為供電網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)提出新的工作方向，為電能質(zhì)量的推進(jìn)樹立標(biāo)桿。當(dāng)然，怎么樣更加科學(xué)合理的用電，更加環(huán)保健康的生活方式一直是現(xiàn)在社會生活追求的目標(biāo)。

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