綠色建筑中混合無功補償的設計

張 毓

(大象建筑設計有限公司，杭州 310012)

0 引言

綠色建筑是指在全壽命期內，最大限度地節約資源(節能、節地、節水、節材)、保護環境、減少污染，為人們提供健康、適用和高效的使用空間，與自然和諧共生的建筑。電氣設備是綠色建筑的重要構成部分，為建筑全壽命期內持續運行、實現各種豐富的功能提供了保障。

電氣設備的運行時刻消耗著能量，隨著建筑中非阻性負荷的增加，電氣設備產生了有功功率和無功功率。但是無功功率會降低電網電壓，增加電網損耗，而無功補償可以減小無功功率，降低損耗，節能效果非常明顯。因此綠色建筑將無功補償的內容納入其中，并廣泛推行。早期的無功補償采用的是三相補償。

隨著民用建筑中單相負荷大量增加，無功補償的形式也逐漸發生變化。由于各單相負荷在各相上分配不平衡或者使用不同時，會導致三相不平衡。此時如果采用三相電容器進行三相補償，取某一相的電流信號來判斷功率因數并投切電容器，則對無功功率的補償不夠準確，會造成過補償或欠補償。因此單純的三相已經無法滿足實際需求，而應采用分相補償或者混合補償的方式，使補償方案更為高效準確。混合無功補償是一種靈活有效補償方式，它比三相補償準確，又比分相補償經濟，應用較為廣泛。

選擇合理的無功補償設備、配置合理的補償容量，既能減少電能損耗，又能保證電氣設備安全、穩定的運行，因此無功補償的設計至關重要。目前許多文獻對無功三相補償的設計提出了切實有效的方法，但是在混合無功補償的設計方面談及較少。

本文結合項目實際情況，提供混合無功補償設備選擇及補償容量計算的思路，給出混合無功補償設備中各元器件主要參數的確定過程，為設計人員正確配置無功補償方案提供依據。

1 綠色建筑中無功補償的一般規定

無功補償能穩定電網電壓，降低電網的無功損耗，因此無功補償是綠色建筑設計的重要部分，許多地區的綠色建筑規范都對此有一定的要求。表1為浙江、上海、江蘇、天津四個地區提出的無功補償的設計要求。

不同地區無功補償的設計要求對比 表1

從表1中可以看出，四個地區對于無功補償的設置要求基本一致，但在細節上存在差異，同時江蘇省對無功補償設置要求的相關規定最為詳盡。各地無功補償的安裝位置多為集中補償或就地補償，常規專用變電所設置集中補償。對于三相不平衡或采用單相配電的系統，要求采用分相補償或混合補償。混合補償中分相無功補償的具體設置比例，按各地的標準執行。其中江蘇省對混合補償中分相補償容量占總補償容量的比例做了規定，而浙江省未有明確規定，可結合項目的不平衡度進行具體設置。此外，四個地區均要求無功補償裝置有一定的抑制諧波能力，在配置無功補償設備時，單純的電容器無法滿足要求，需要串接適當參數的電抗器來抑制諧波。

綜上所述，在實際項目實施中，設計人員應該根據項目所在地的規范要求，結合項目實際負載情況，選擇合理的無功補償設計方案。

2 補償設備的分類

常用的補償設備通常帶有抑制諧波功能的低壓無功補償設備，根據其功能特點，可以分為接觸器投切調諧濾波器、晶閘管投切調諧濾波器、無源濾波器、有源濾波器。

前兩種調諧濾波器設備側重補償，均用于諧波含量較低的場所，但主要差別在投切電容器的元器件不同，由于晶閘管的動作時間比接觸器的動作時間短，跟隨負載的能力強，因此晶閘管投切調諧濾波器適用于負載變化較大的場所，接觸器投切調諧濾波器，適用于負載相對穩定的場所。后兩種濾波器設備側重濾波，用于諧波含量較高的場所。無源濾波器適用于諧波次數相對確定的場所，有源濾波器適用于諧波次數變化較大的場所。

3 設備參數確定

以浙江某地學校項目為例，該學校項目總建筑面積8萬m2，變壓器總安裝容量為4 500kVA，共設置4臺變壓器，其中兩臺1 000kVA，兩臺1 250kVA。按照浙江省DB33/1092-2016《綠色建筑設計標準》第3.0.5條的要求，政府投資的項目至少應滿足二星級綠色建筑要求。學校系政府投資的公共建筑，因此按二星級綠色建筑要求設計。

一星級綠色建筑要求，“無功補償宜在低壓側集中補償；單相負荷較多的供配電系統，應設置適當容量的分相無功補償”。二星級綠色建筑要求，“當單臺或成組用電設備的無功功率大于100kvar，且距變壓器較遠時，宜就地補償”。本項目無成組用電設備，單臺設備最大容量是85kW，無功功率小于100kvar，故未設置就地補償。僅在變壓器低壓側進行集中補償，補償需采用單相三相混合補償。

對學校而言，諧波含量較低，調諧濾波器已經基本滿足綠色建筑設計的補償濾波要求，同時學校的負荷相對穩定，而晶閘管投切電容補償價格較貴，綜合考慮，該項目的電容補償柜采用接觸器投切的調諧濾波器。接觸器投切的調諧濾波器電氣原理圖如圖1所示。

圖1 接觸器投切的調諧濾波器電氣原理圖

根據設備選型，進行以下參數計算。

(1)補償容量

選取其中一臺1 250kVA變壓器，明確該變壓器所帶的負荷，并整理得到負荷計算表。根據《工業與民用供配電設計手冊(第四版)》表1.11-3及式1.11-5，為使低壓側功率因素提高到0.95，該變壓器低壓側設置的無功補償總容量為368kVar。由于規范中對單相補償容量的比例未做規定，因此結合項目實際情況綜合考慮，單相補償容量按總補償容量的30%選取，則單相補償容量為368×0.3=110.4kVar。

(2)電抗率

電抗率是諧波抑制的要求，為防止諧波放大，在電容器上串接一定容量的電抗器。一般3次諧波電容補償裝置的電抗率為14%，5次諧波電容補償裝置的電抗率為7%。由于廠家的生產標準不同，不同產品電抗率也略有差異。本項目為學校建筑，主要負荷為照明，三次諧波較多，因此電容補償裝置的電抗率K需在14%左右。根據本項目采用的設備選型樣本，電抗率按14.8%選取。

(3)電容器的額定電壓

根據GB 50053-2013《20kV及以下變電所設計規范》中5.1.2條的規定，“電容器的額定電壓應按電容器接入電網處的運行電壓計算，電容器應能承受1.1倍長期工頻過電壓。”同時，考慮到電抗器的升壓作用，電容器的額定電壓Ur為：

Ur=1.1Un/(1-K)

(1)

對于三相電容器，系統的標稱電壓Un為400V，則電容器的額定電壓Ur=1.1×400/(1-14.8%)=516V，一般取525V。

對于單相電容器，電容器的額定電壓Ur=1.1×230/(1-14.8%)=297V，一般取300V。

(4)電抗器的額定電壓

根據GB 50227-2017《并聯電容器裝置設計規范》中5.5.4條的規定，“串聯電抗器的額定電壓和絕緣水平，應符合接入處的電網電壓要求”，因此三相電抗器的額定電壓為系統的標稱電壓，即400V。

對于電抗器而言，三相電抗器等同于三個單相電抗器分別接于各相，故單相補償和三相補償時，均可選用三相電抗器，兩種情況下電抗器的額定電壓為400V。

(5)電容器的數量

下面需確定單相補償和三相補償的電容器組數。

根據本項目采用的設備選型樣本，電容器的額定容量有30、40、50、60、75、80、90、100、110kVar。

但是由于電容器的額定容量與實際輸出容量相差較大，無法根據額定容量確定電容器的組數，因此需要對于設備上標注的額定容量進行換算。根據公式(2)：

(2)

可見額定容量為30kVar的電容器，其實際輸出的電容補償量遠低于30kVar。為保證110.4kVar的單相補償容量，則至少需選用6組額定容量30kVar的電容器，其實際補償容量為6×20.44=123kVar，相當于每相補償容量為61kVar。

確定了單相補償容量，則可得到三相補償容量為368-123=245kVar。

因此，需選6組額定容量60kVar的電容器，其實際補償容量為6×40.88=245kVar。

由于電抗器是發熱元件，為保證良好的散熱，單個電容補償柜的補償容量一般控制在300kVar。此處總補償容量超過300kVar，故按兩個電容補償柜設計。每個電容補償柜配置1組單相補償及3組三相補償，單個電容補償柜的容量為184kVar。

(6)熔斷器的選型

根據GB 50053-2013《20kV及以下變電所設計規范》第5.1.4條，“并聯電容器裝置的總回路和分組回路的電器和導體的穩態過電流應為電容器組額定電流的1.35倍；單臺電容器導體的允許電流不宜小于單臺電容器額定電流的1.5倍”。

對單臺額定容量30kVar的單相電容器，其額定電流為Ir=Qr/Ur=30×103/300=100A，則該電容器所選用的熔斷器的額定電流不小于1.5×100=150A，取160A。

(7)接觸器的選型

電容器接通時會產生瞬態充電過程，出現很大合閘涌流，同時伴有很高電流頻率振蕩，觸頭閉合過程中可能燒蝕嚴重，因此電容器組用的接觸器需按AC-6b的使用類別選用。另外，接觸器的額定工作電流需考慮穩態過電流。根據并聯電容器標準和IEC標準，在過電壓和諧波的共同作用下，電容器應能在有效值為1.3倍額定電流的穩態過電流下運行。如果考慮電容器容量的最大正偏差+10%，則穩態過電流允許值達到1.43倍的額定電流，因此對單臺電容器穩態過電流規定為單臺電容器額定電流的1.5倍。

綜上，接觸器的額定電流選擇同熔斷器，即單臺單相電容器的接觸器，額定電流取160A，單臺三相電容器的接觸器，額定電流取125A。

4 結束語