工業廠房低壓無功補償相關參數計算

史金春

(中國航空規劃設計研究總院有限公司，北京100120)

0 引言

工業廠房用電設備中，由于電動機所占比重較大，電力傳動設備越多，供配電系統功率因數較低，5、7次諧波成為主要諧波源。為了降低配電線路無功電流，降低無功損耗，提高電能質量，通常在廠房10/0.4kV變配電室的低壓端集中低壓電容補償，以此來減少對上級電網的污染和沖擊，降低企業的電能損耗。目前國內外無功補償大多采用三角形接線方式。本文設備參數計算基于并聯電容器三角形連接方式，就無功補償的一些基礎參數作理論分析和公式推導，最后舉例簡要說明。

1 電容器電壓參數計算

1.1 電容器實際運行電壓UC

電容器串電抗器前，電容器電壓為電網電壓Un，因電抗器電壓與電容器電壓反向，而電容器和電抗器兩端電壓為固定電網電壓，所以無功補償串聯電抗器會抬高電容器電壓，串聯電抗器后實際運行電容器電壓為電壓相量圖如圖1所示。

串電抗器之前，

串電抗器之后，

圖1 并聯電容器支路電壓相量圖

1.2 電容器額定電壓UCN

并聯三角形連接電容器額定電壓計算公式見式(3):

式中，Un為并聯電容器裝置的母線標稱電壓，即電容器和電抗器作為整體時兩端標稱電壓，kV；UCN為電容器的額定電壓，kV；USN為并聯電容器裝置的母線平均電壓，kV；K為電抗率。

2 電容器裝置容量計算

電容器裝置由電容器和串聯電抗器組成，電容器的額定容量為QCN，電容器和電抗器作為整體裝置時實際輸出容量為QC。

電容器容量為

電容器額定容量為

電容器裝置實際輸出容量:

則:

3 串聯電抗器參數計算

3.1 電抗器電抗率

串聯電抗器的電抗值與電容器組的容抗值之比就是該組電容器裝置的電抗率。

高壓側電網中的諧波通過變壓器耦合到低壓側，可能會和無功補償電容器發生串聯諧振，使整個電網諧波放大。另一方面低壓側的感性負荷可能和無功補償電容器發生并聯諧振出現非常大的過電壓。為了避免諧振的發生，需將共振點調節到沒有諧振的頻率上，一般通過在無功補償回路中串聯電抗器實現。

在并聯電容器—電抗器RCL供電回路中，并聯電容器的第n次諧波阻抗Z(n)為

式中，n為諧波次數；Rn為電容器支路電阻。

同時根據頻率計算公式

當n2·K＝1時，支路發生串聯諧振，所有的n次諧波電流都流入電容器回路，電容器組將可能出現嚴重的諧波過負荷現象。

另外，在已知系統中存在一定n次諧波的情況下，K取值不宜小于使得電容器回路就n次諧波而言呈感性，從而避免接近于串聯諧振和諧波放大。

3.2 電抗器容量

不論電容器為星形連接還是三角形連接，就三相負載而言，在容量一定的情況下，其線電壓與線電流均與三角形接法和星形接法無關，可將電容器組作為一個整體看待，此時流過串聯電抗器和電容器組電流均為線電流，如式(11)計算公式，可得電抗率。

式中，QL為串聯電抗器容量；QC為并聯電容器輸出容量；K為電抗率。

4 工程舉例計算

某工業建筑低壓配電系統，主要諧波為5、7次，無功補償前計算有功負荷800kW，功率因數0.82，現將功率因數提高到0.90，確定并聯電容器和電抗器參數，電容器組采用角型連接如圖2所示。

(1)確定電容器額定電壓及電抗率

因本建筑以5、7次諧波為主，按文中計算分析及規范要求確定電抗率為7%，此時電容器計算實際運行電壓約為409V，計算額定電壓為430V。同時電容器投入和諧波影響會引起的母線電壓升高，另電容器實際輸出容量與其額定電壓平方成反比，額定電壓過高會降低電容器“出力”。綜合考慮，當系統標稱電壓為380V，串聯電抗率為7%時，電容器額定電壓為480V。

(2)確定電容器及電抗器容量

所需并聯電容器實際輸出容量QC＝PC(tanφ1-tanφ2)，代入數據計算，QC＝800×(0.698-0.484)＝171kvar，數據代入公式(7)，得電容器安裝容量QCN為 214kvar。

根據公式(11)，電抗器容量為QL＝171×7%＝12kvar。