低压无功补偿的设计原则Word格式文档下载.docx

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附表7：

BZMJ20.44-□-3系列电容器参数

BZMJ30.44-□-3系列电容器参数45

附表8：

BCMJ0.46-□-3系列电容器参数46

低压供配电系统无功功率的补偿

1．为什么要对低压供配电系统的无功功率进行补偿

众所周知，由于交流感应电机和各种气体放电灯的广泛应用，低压供配电系统中存在大量的无功功率。

使低压网络的功率因数很低。

如果不采取有效措施对无功功率进行补偿，提高系统的功率因数，是既不合理又不经济。

这是因为：

（1）由于大量的无功负荷得不到补偿，网络中存在大量的无功感性电流，使系统中的电气设备和线路截面得不到有效的充分利用。

（2）使系统中的电气设备和线路上的有功损耗增大。

（3）使线路上的电压降和电压波动增大，因而降低了供电电压的质量，减小了功率的输出。

由于上述原因，应对低压供配电系统中的无功功率进行补偿。

在电容器中，电流近似超前电压90°

，故电容器的功率可视为纯无功功率。

电容器的这一性质，被广泛用来改善系统的功率因数。

其方法，就是把电容器并联到系统上。

其接线原理见图1-1。

2．并联补偿的原理

系统的负荷可视为具有集中参数为电感L和电阻R的串联电路。

当没有电容器补偿时，电网供给负荷的电流为I1，其滞后电压U的相位角为φ1（见图1-2）。

I1可分解两个分量：

一个是与电压U同相位的Ia（有功电流），另一个是滞后电压U90°

的IL1（无功电流）。

有功电流Ia与电压U的乘积（Pa=UIa=UI1cosφ1）就是负荷从电网吸收的有功功率；

无功电流IL1与电压U的乘积（PL=UIL1=UI1sinφ）就是负荷从电网吸收的无功功率。

负荷从电网吸收的总功率（视在功率）S=。

由图1-2可以看出φ1越大，功率因数cosφ1越低，负荷从电网吸收的无功功率PL也越大。

如果在负荷两端并联电容器C之后，电容器支路的电流IC超前电压90°

，电源供给的电I2是负荷和电容器两个支路电流之和（I2=I1+IC）），而负荷电流I1的无功分量IL1和IC相位正好相差180°

，所以IL和IC在数量上是相减。

这样就把负荷的无功电流补偿了。

补偿后的无功电流为IL2=IL1+IC，功率因数角为φ2。

3．补偿方式

对低压网络而言，分集中补偿和就地补偿。

集中补偿：

对用电设备分散而且单台容量不大，一般采用集中补偿。

通常选用成套的无功功率补偿柜与其他的低压配电柜成排安装在低压配电室内。

就地补偿：

有下列情况之一的可采用就地补偿。

（1）对单台设备容量较大（15KW以上）、供电线路较长的长期连续运转的风机水泵等用电负荷可采用TBBX无功就地补偿装置。

（2）对采用动力变压器供电（未采用专用变压器供电）的容量较大的工频感应电炉，应采用就地补偿方式进行无功补偿。

（3）大功率的气体放电灯，一般都采用就地补偿，电容器和镇流器安装在一个小箱内，一般与灯具成套供货，电容器镇流器箱需安装在灯具处。

二、补偿容量的计算

1．补偿后功率因数值的确定

对一般的供配电而言，要求补偿后cosФ值是一个值得研究的问题。

如果要求补偿后的cosФ值为0.95～1，这时电容器需要的容量增加的非常快，必将增加电容器的投资。

反之，如果补偿后的cosφ值取的太小，虽然减少了电容器的投资，因网络中的无功电流的增大，必使电能损耗增加，也可能引起载流导体截面的增大，开关容量和供电设备容量的增大，从而也可能增加投资。

因此补偿后的cosφ值定为多大合适，需经过技术经济比较后才能得出正确的结论。

由于电容器制造技术的发展，目前国内生产的电容器体积小、重量轻、价格也低，在一般情况下，补偿后的cosφ值不应低于0.95。

对工频感应电炉而言，补偿后的cosφ值有其特殊的要求。

如采用电容器电抗器做相平衡的单相电炉，补偿后cosφ值应为1；

对V形接线的两相电炉，超前相的cosφ值应补偿到超前0.866，滞后相的cosφ值应补到滞后0.866。

2．补偿容量的计算

如果已知负荷的有功功率P和补偿前的功率因数cosφ1，现将功率因数提高到cosφ2，所需补偿的无功功率Q可按下式计算：

………（2-1）

或Q=P（……（2-2）

上式中：

P—负荷的有功功率，千瓦；

—补偿前负荷的自然功率因数；

—补偿后负荷要求达到的功率因数；

—与相应的正切；

“+”—呈容性，为过补偿状态；

“-”—呈感性，为欠补偿状态。

如果要求补偿达到=1，

则补偿容量为：

………（2-3）

或Q=P………（2-4）

为了快速计算出电容器所需要的无功功率，可以利用附表1。

表中左起纵列第一项为补偿前的及其相应的值，上面横列为补偿后所要求达到的及其相应的值。

其余栏里为将提高到时1千瓦有功功率所需要的无功功率。

例题1：

某车间变压器的负荷计算，其有功功率为768千瓦，自然功率因数=0.73。

要求经电容器补偿后功率因数≥0.95，试求所需电容器的无功容量？

题解：

当功率因数补偿到0.95时：

从附表1中查出，1千瓦有功功率所需的无功功率为0.607千瓦。

所需无功总容量为Q=768×

0.607=466.176千瓦。

例题2：

某工程有一台工频感应紫铜保温炉，设有两个感应器，每个感应器的有功功率为100千瓦，自然功率因数为0.3，采用V形接线三相380伏供电，试求每一个感应器并接电容器的补偿容量？

超前相感应器的有功功率P=100千瓦，自然功率因数为=0.3。

要求补偿后的功率因数超前0.866。

因此超前相的补偿电容器容量为：

=100（3.180+0.577）

=100×

3.757=375.7千乏

滞后相的补偿电容器容量为：

=100（3.180-0.577）

2.603=260.3千乏

三、电容器的选择

1．电容器使用的技术条件

（1）BZMJ型油浸自愈式并联电容器

电容器符合以下技术标准：

（a）我国标准GB12747-91；

（b）国际电工委员会标准IEC831-1.2；

（c）日本工业标准JISC4901-1988。

主要技术特点：

（a）该电容器采用日本指月公司的专有技术和关键设备由无锡康达电力电容器厂生产。

（b）电容器适用于工频额定电压为660伏及以下的交流系统与负载并联，以提高系统的功率因数。

（c）该电容器以金属化聚丙稀薄膜作电极和介质，因而产品具有自愈性，并同时具有重量轻、体积小、损耗低等优点。

（d）电容器内部装有过压力保护装置和放电电阻，其可靠性和安全性较高。

（e）采用无毒的植物油浸渍。

主要结构：

（a）电容器由芯子、过压力保护装置和箱壳三部份组成，内部接线见图3-1。

（b）芯子中的三相电容器单元，可根据不同的规格要求，分别联结成全并联、三角形和星形。

每相电容器单元两端并接放电电阻。

（c）过压力保护装置串接在芯子和接线端子之间，并固定在箱内壁上。

（d）箱壳材料按额定容量的大小分马口铁和薄钢板两大类。

出线端子设在箱顶，根据用户的特殊要求装设防尘罩。

安装脚和接地端子设在箱壳底部。

适用环境：

（a）温度：

最高+45℃，最低-25℃（户内外）。

（b）海拔高度：

不超过2000米。

（c）相对湿度：

不大于85%。

主要运行参数：

（a）介质损失：

不大于0.0012。

（b）容差：

标称容量的0～+15%，相间不平衡不大于108%。

（c）试验电压：

相间1.75倍额定电压，10秒；

相地间3000伏，10秒。

（d）过负荷：

允许过电压：

不大于1.1倍额定电压。

允许过电流：

不大于1.3倍额定电流。

（e）放电：

断电后，1分钟内使放电至50伏以下。

（2）BKMJ型自愈干式并联电容器

（a）我国标准GB12747；

（b）国际电工委员会标准IEC831-1.2。

（a）该电容器采用ABB公司全部技术（专利）和主要设备由锦州电力电容器有限责任公司金属化电容器厂生产。

（b）电容器适用于频率50/60HZ，电压≤2KV的交流系统与负载并联，以提高系统的功率因数。

（c）采用银锌边缘加厚的梯形镀膜，使电容器具有良好的自愈性和电容稳定性。

（d）独特的喷金工艺使电容器具有良好的耐涌流能力。

（e）特殊设计的元件熔丝保护（专利），使击穿元件可靠地退出运行。

（f）独特的浸渍工艺，使电容器不但具有干式的结构，而且具有油浸电容器的优点。

（g）绝缘无毒的矿物颗粒填充物，使电容器避免爆炸、燃烧和污染环境的可能。

（a）环境温度：

最高+50℃，最低-25℃（户内），-40℃（户外）；

（a）损耗：

介质采用聚丙烯薄膜；

损耗＜0.5W/KVAr；

（b）电容偏差：

0-+10%；

相间2.15倍额定电压，10秒；

相地间3000伏，10秒。

允许过电压1.1倍额定电压，每24小时中8小时（系统电压调整及波动）

允许过电流1.3倍额定电流连续运行

最大负荷1.35倍额定容量稳定运行（由过电压及谐波引起）

（e）放电电阻：

断电后，电压525伏及以下的电容器1分钟内使放电至50伏。

2．电容器型号的选择

在选择电容器型号时，首先应了解各种型号电容器的技术特点、运行参数、对环境的要求，然后结合工程的具体情况，根据电压、工作频率、相数等需要，从产品样本中，查出具体的型号，根据“民用建筑电气设计规范”（JGJ/T16）4.9.13条的要求，设置在民用主体建筑中的低压电容器应采用非可燃性油浸式电容器或干式电容器。

3．电容器的容量计算

电容器的容量按下式计算：

千克………（3-1）

式中：

Un—额定电压，千伏；

—工作频率，周/秒；

c—标称电容，微法（1微法=10-6法）

由上式可以看出，电容器的容量与电容器电压的平方成正比。

由于电网的电压往往与电容器的额定电压不相等，因此电容器的输出容量和额定容量也不相等。

在实际使用电压下，电容器的输出容量可按下式计算：

……………………（3-2）

U—实际使用电压，千伏。

由上式可以看出，如果使用电压低于电容器的额定电压时，电容器的输出容量则大大的降低。

因此在选择电容器时，应尽量电容器的额定电压等于或稍大于使用电压。

三相低压并联电容器，通常制成三组（相）接成三角形（只有690伏电容器接成星形），因为接成星形时，每相电压比接成三角形小倍，所以在每相电容值相同时，电容器的无功功率接成星形比接成三角形小三倍。

BZMJ0.4-16-3电容器，在400伏电压下可以输出16千乏。

如果用在380伏的电压下，仅仅能输出：

千乏

BKMJ0.4-16-3电容器，在400伏电压下可以输出16千乏，如果用在350伏的电压下，仅仅能输出：

4．电容器个数的确定

在需要的补偿容量Q和一个电容器在实际使用电压下的输出容量Qe知道之后，电容器个数可按下式计算：

……（3-3）

按上式计算一律取整数。

5．电容器的串并联使用

电炉中的电容器往往成组使用，由一个电容器的不同抽头串并联或单个电容器串并联组成。

（1）电容器串联

电容器串联时，总电容的倒数，等于单个电容器电容的倒数之和。

当电容同为C0的n个电容串联时，其总电容为：

当电容器串联使用时，必须注意：

为了防止电容器过电压而损坏，串联电容器电容间的最大值与最小值之比不得大于1.1。

（2）电容器并联

电容器并联时，总电容等于每个电容器电容之和。

当电容同为C0的n个电容器并联时，其总电容为每个电容的n倍：

6．电容器电容的确定

单相电容器的电容可以用阻抗电桥和电流电压表法测定。

三相电容器电容可如下确定：

每相电容可由下列式子确定：

电容器的电容为：

四、电容器放电电阻的计算

根据供电安全的要求，电容器要在停电后放电，以免由于电容器上的残存电荷造成较高电压，使接触者触电。

国家标准（GB50053-94）第5.1.3条规定：

电容器组应装设放电装置，使电容器组两端的电压从峰值（倍额定电压）降至50V所需时间，高压电容器不应大于5min，低压电容器不应大于1min。

低压电容器一般均采用电阻放电。

1．单相电容器放电电阻的计算

R.C串联放电的等效电路见图4-1。

其回路方程为：

Ir+Uc=0

则

或

该微分方程通解为：

R—放电回路中的电阻，欧；

C—放电回路中的电容，法（1法=106微法）；

T—R·

C为放电时间常数；

Uc—时间t电容器上的放电电压，伏；

Uo—电容器放电的初始电压，伏。

为了安全起见初始电压为放电前的峰值电压，U0=（U为电源电压的有效值）

电容器的放电时间由下式计算：

秒

电容器的放电电阻R由下式计算：

欧………………（4-1）

设t=60秒，Uc=50伏，U0=（U分别为220V、400V、525V、750V），将t、UC、U0的值代入上式，可求出R值的简化计算表（表4-1）

单相电容器放电电阻计算表

表4-1

电容器的电容值可查产品样本，或按下式计算

………（4-2）

将Vn分别为230V、400V、525V、750V代入上式，可求C值的简化计算表如下表：

计算电容

表4-2

将各种电压下计算的电容值（表4-2），代入放电电阻计算表（表4-1），就可求出各种电压下不同容量的电容器所需要的放电电阻值（见表4-3）

放电电阻

表4-3

粗略计算放电电阻容量为：

P=瓦………………（4-3）

2．三相电容器放电电阻的计算

低压三相电容器除3690伏电容器为星形接线以外，其他均为三角形接线（见图4-2）。

（1）放电电阻为三角形接线

这种方式，每一相的电容为整个电容器电容的三分之一。

将整个电容器电容的1/3代入三相电容器放电电阻计算表，就可求出所需要的放电电阻R值。

三相电容器放电电阻计算表

表4-4

三相电容器的电容值，可查产品样本，或按简化计算表（表4-5）计算。

计算电容

表4-5

最后利用简化计算表（表4-6），就可将各种电压下不同容量电容器的放电电阻值R求出。

放电电阻

表4-6

（2）放电电阻为星形接线

当放电电阻为星形接线时，仍可按放电电阻为三角形接线的情况计算。

然后将计算出的值再换算成等效的星形接线的值即可。

其电阻为：

=。

五、谐波对补偿电容器的影响及消除措施

1．谐波对补偿电容器的影响

由于可控硅（整流、调压、变频）、计算机、气体放电灯、微波炉等设备的广泛应用，使高次谐波对电力系统的影响也愈来愈大，谐波能使变压器，电动机发热而降低出率，也能使线路过载发热，自动开关跳闸，不能正常运行，甚至引起火灾。

对电力设备而言，受影响最大的就是补偿电容器。

众所周知，电容器的容值（与电压的频率（f）成反比，在高次谐波电压作用下，电容器n次谐波容抗是基波容抗值的几分之一，即使谐波电压值不高，也可产生显著的谐波电流，造成电容器过电流。

但更多的情况是投入电容器时，冲击电流比没有谐波时的冲击电流更大，加速了电容器的损坏。

为了消除谐波对电容器的不利影响，国际GB50053-94第5.2.5条中规定：

当电容器装置附近有高次谐波含量超过规定允许值时，应在回路中设置抑制谐波的串联电抗器。

串联电抗器感抗值的选择，应使电容器和电抗器串联回路对电网中含量最高的谐波而言成为感性回路而不是容性回路，以消除产生谐波振荡的可能。

为防止可能出现铁磁谐振，一般宜采用无铁芯电抗器。

串联电抗器的额定电流应稍大于电容器的额定电流，电抗器的电压也应稍大于电容器的额定电压。

2．串联电抗器感抗值的确定

电抗器的感抗值按下式计算：

…………（5-1）

Xc—补偿电容器的工频容抗，（欧）；

n—可能产生的最低谐波次数；

K—可靠系数，一般取1.2～1.5。

对5次谐波则：

Xc=（1.2～1.5）≈（0.048～0.06）Xc

对3次谐波则：

XL=（1.2～1.5）=（0.13～0.17）Xc。

目前国内电抗器回路使用的大多是6%及13%电抗器，用于限制5次谐波和3次谐波。

3．串联电抗器后电容器的电压计算

由于电容器回路串联了电抗器，这样就会使电容器的电压升高，其值为：

Uc=U……………（5-2）

U—系统额定电压，伏。

将（5-1）式代入上式可得下式：

Uc=U

Uc=400

对5次谐波，n=5，代入上式，求出电压为：

Uc=400（1.05～1.06）≈（420～424）伏

对3次谐波，n=3，代入上式，求出电压为：

Uc=400（1.15～1.20）≈（460～480）伏

4．电抗器电感值的计算

电抗器的电感值可按下式计算

L=K1………（5-3）

K1—系数，K1=，K—可靠系数，

—基波的角频率，=2=314，

f—频率，周/秒；

L—电感，毫亨（1亨=103毫亨）；

C—电容，微波（1法=106微法）。

将有关数据代入（5-3）可求L值：

对5次谐波，则：

L=（0.048～0.06）×

=（0.048～0.06）×

如果K1取0.06，则：

L=0.06×

…………（5-4）

对3次谐波，则：

L=（0.13～0.17）×

=（0.13～0.17）×

如果K1取0.13，则：

L=0.13×

……………（5-5）

三相电容器的电容值，可查产品样本，或按表4-5计算。

对5次谐波，K1=0.06，电容器选用420伏电压时：

L=……………（5-6）

对3次谐波，K1=0.13，电容器选用460伏电压时：

L=……………（5-7）

六、电容器的保护

1.电容器的额定电流

电容器的额定电流可以从产品样本中查出。

也可按下式计算：

三相电容器：

In=安……………（6-1）

单相电容器：

In=安……………（6-2）

（6-1）、（6-2）两式中：

Qn—电容器的额定容量，千乏；

Un—电容器的额定电压，千伏。

由（6-1）、（6-2）两式可以看出，电容器的额定电流In与电容器的额定容量成正比，与电容器的额定电压成反比。

在额定电容电压和额定容量相同的条件下，单相电容器的额定电流比三相电容器的额定电流大倍。

分别以400伏、420伏、440伏、460伏和525伏的不同电压代入上两式，就可以求出计算电容器额定电流的简化计算表（表6-1）。

电容器额定电流计算简化表

表6-1

2．电容器回路允许连续运行的最大电流

电容器回路允许的连续运行电流按下式计算：

I=K1·

K2·

In=K·

In安……………（6-3）

In—电容器的额定电流，安；

K1—系数，K1=1.3，根据《并联电容器》GB3983-83和IEC标准规定，在过电压和谐波共同作用下，电容器应能在1.3倍额定电流的稳定过电流下连续运行。

K2—考虑电容器制造时电容值的偏差而取的系数，偏差值各厂有所不同。

例如：

锦州电力电容器有限责任公司金属化电容器厂生产的BKMJ系列电容器的最大容差为+10%，无锡康达电力电容器厂生产的BZMJ系列电容器的最大容差为+15%。

上述两厂生产的电容器K2分别为1.1、1.15。

K—系数，K=K1·

K2。

上述两厂生产的电容器，其K值分别为1.3×

1.1=1.43和1.3×

1.15=1.495。

众所周知，电容器合闸时，暂态冲击电流很大，可达到其额定电流的3～7倍，但衰减很快（1～2毫秒）。

当采用熔断器保护时，必须使其在合闸冲击电流作用下，熔断器不熔断。

当采用自动开关保护时，自动开关脱扣器不跳闸。

3．电容器的保护

电容器一般设过载保护，短路保护，过电压保护。

（1）过载保护

电容器是一个容抗，它本身没有过载问题。

我们所说的过载是由电压升高和网络里存在高次谐波而引起。

目前国内多用热继电器做保护元件。

热继电器的整定按（6-3）式计算。

如果用自动开关做保护元件时，过负荷保护元件也是按（6-3）式计算。

（2）短路保护

如果用熔断器保护，熔体电流一般为电容器额定电流的1.5～2倍。

如果用自动开关的电磁脱扣器保护，电磁脱扣器的整定电流不应小于自动开关脱扣器额定电流的10倍。

熔断器和自动开关的分析能力，应大于安装位置的短路电流。

（3）过电压保护

电容器允许过电压为1.1倍额定电压（每24小时中8小时），一般选用FYS-0.22型低压金属氧化物避雷器。

七、电容器的控制设备

无功功率补偿控制器（以下简称为控制器）和接触器，是无功补偿柜中的主要控制设备。

现介绍如下：

1．控制器

控制器是低压补偿柜中的专用仪器。

目前智能型控制器得到广泛的使用。

单片机是控制器的核心。

备有精练的硬件和丰富的软件。

具有工作稳定、灵敏度高、抗干扰能力强、体积小、功耗低等特点。

现以JKG系列智能型控制器为例，作如下介绍。

（1）功能特点

（a）采用功率因数检测系统，用户无需考虑采样输入极性，使全负荷范围控制精确。

（b）抗干扰能力特强，能抵御电源直接输入的幅值2000伏的干扰脉冲。

（c）输出电路采用先接通的先分断、先分断的先接通的循环方式。

（d）有超低负荷判断、显示、封锁功能、防止振荡。

（e）有过电压显示、判断并快速逐级切除补偿电容器的功能，分断时间小于1分钟。

（f）对电网过补偿，欠补偿情况都能显示并自动作出相应处理。

（g）具有故障自诊断功能。

（2）使用环境条件

（a）海拔高度不超过2500米（特殊要求协商订货）。

（b）环境温度不超过40℃，不低于-5℃。

（c）空气湿度不超过90%。

（d）周围环境无腐蚀性气体、无导电灰尘、无易燃易爆的介质。

（e）安装地点无剧烈振动。

（f）电压波动范围不大于±

15%。

（3）技术参数

（a）控制器整定值和可调范围

投入门限0.95滞后

切除门限0.98超前

过电压保护250V245V～255V可调

欠电流封锁3%0～15%可调

延时时间10s10s～100s可调

（b）基本参数

工