低压并联电容器装置设计简析.doc

低压并联电容器装置设计简析避掰电丢-_-_BUILDING2口11年第5期IELECTRICITY低压并联电容器装置设计简析盛小伟姜志勇(中国电子工程设计院北京时空筑诚建筑设计有限公司.北京市100036)BriefAnalysisontheDesignofLow-voltageShuntCapacitorsShengXiaoweiJiangZhiyong(ChinaElectronicsEngineeringDesignInstituteBeijingSpacetimeCreatorArchitectureDesignCo.,Ltd.,Beijing100036,China)AbstractThispaperanalysessomeaspectsoninstallationoflow-voltageshuntcapacitors,suchasconnectiontype,selectionanduseofswitchingmechanism,capacitorSparameter,reactanceratioofseriesreactorandSOon.Somedesignsuggestionsarealsoproposed.KeywordsLow?vohageshuntcapacitorsConnectiontypeSwitchingmechanismCapacitorbankcapacitySelf?healinglow?-voltagecapacitorSeriesreactorReactanceratioHarmonic摘要对低压并联电容器装置的接线方式,投切装置的选用,电容器参数及串联电抗器电抗率的选择进行分析.并给出相关设计建议.关键词低压并联电容器装置接线方式投切装置分组容量自愈式低压电容器串联电抗器电抗率谐波0弓f言并联电容器装置通过对感性负荷提供无功功率.在提高电能质量,节能降损方面起着重要作用.在无功补偿设备中.其凭借单位容量费用低,损耗小,安装方式灵活及维护简便等优点得到广泛应用.同时,由于运行中的电容器长期处于较高的电场场强之中,且对温度,谐波,电压和涌流等较敏感,导致并联电容器装置较其他电气设备更易于损坏,事故频发.随着变频设备,开关电源,气体放电灯等各种非线性设备的大量使用.造成并联电容器装置运行环境日益恶劣.如何使并联电容器装置能够保持安全,有效地运行.这对并联电容器装置的工程设计提出了更高的要求.本文就1kV及以下低压并联电容器装置设计有关要点进行一些探讨.1接线方式如图l所示.低压并联电容器装置可接成3种接线方式,分别是三角形接线,带中性线的星形接线和不带中性线的星形接线三角形接线方式对3次及3的整数倍次谐波不形成通路,不受背景谐波中3次谐波的影响.该接线方式只能够进行三相共补,不能够进行分相补偿.带中性线的星形接线.其引出中性线为3次谐波流动提供路径.考虑3次谐波流过电容器,为避免发生3次谐振而造成电容器过载.常采用提高串联电抗器的电抗率措施(电抗率宜取12.0%及以上),这导致投资增加该接线方式优点是.不仅能进行三相共补.亦能进行分相补偿.不带中性线的星形接线对3次谐波也不形成通路.不受背景谐波中3次谐波的影响.也只能进行三相共补.不能进行分相补偿.该接线方式缺点是,当某一相电容器发生故障被击穿形成短路后,剩余两相电容器则承受线电压(正常运行时承受的是相电压)而同时损坏:或者三相电容器因自身的电容误差会导致该接线的中性点漂移,使某一相电容器承受电压超出额定值而损坏.因此,不带中性线的星形接线在工程应用中是禁止选用的.作者信息盛小伟,男,中国电子工程设计院北京时空筑诚建筑设计有限公司,高级工程师.姜志勇,男,中国电子工程设计院北京时空筑诚建筑设计有限公司,高级工程师.Ivb-_型垫!:垫垒璺268TI.一_QBlQS一()()BE虫f11)C(a)三角形接线(a)DeltaconnectionL1L2L3NTT一一_QBlQs()()()BE1II一5南lIC.I,d,dFE一目审厂TT(b)带中性线的星形接线(b)Starconnectionwithneutralline图1三相低压并联电容器接线图1一I一_QBlQs()()舻BETff一耋一f11)一C-I=工丁(C)不带中性线的星形接线(C)StarconnectionwitIloutneutrallineFig.1Connectiondiagramofthree-phaselow-voltageshuntcapacitor在工程设计中.当三相负荷平衡时建议三相共补选用三角形接线方式:当单相负荷或三相负荷不平衡较大时,需要分相补偿,采用带中性线的星形接线顺便指出,采用分相补偿时.自动投切控制器需要检测三相负荷电流,而三相共补只需要检测一相负荷电流2投切装置的选择目前常用的低压并联电容器投切装置主要有两种,分别为电容器投切专用接触器和可控硅开关f固态继电器).固态继电器是将可控硅开关以标准形式封装在一个壳体内而形成和普通交流接触器相比,电容器投切专用接触器可以降低投切时的涌流和过电压,无压降,控制简单,成本低.缺点是不能够完全抑制投切时产生的涌流和过电压,关断时产生拉弧,造成接触器寿命变短可控硅投切开关利用电子开关反应速度快的特点,在电压过零点导通,实现无涌流投入:在电流过零点关断,不会产生拉弧.无触点,使用寿命长缺点是可控硅在导通运行时,可控硅结间会产生大约0.7V的压降,通常30kvar三角形接线的电容器.额定电流为46A,则一个可控硅所消耗功率约为32W同时可控硅装置自身会产生谐波,关断期间还会产生电流泄漏,使用成本也较高在负荷变化较快,而且用电设备对电压质量要求较高的场合建议选用可控硅开关作投切装置.反之,建议选择专用接触器作投切装置,如建筑物空调,照明等负荷用电.当然,随着科技的发展.性能更优越的投切装置会不断出现,提供给设计师们更多的选择.如目前出现的复合投切装置.其原理是利用可控硅开关进行投切,而运行时采用接触器.可控硅开关退出.它兼有二者的优点.但目前市场上的产品使用寿命短.成本较高.3电容器的选择选择电容器时,一般需要考虑电压,电网背景谐波,补偿容量和分组容量,环境空气温度,散热条件及电容器保护等因素3.1电容器额定电压选择电容器的容量与运行电压平方成反比.选择电容器的额定电压应从实际电容器容量和其耐压能力来考虑.电容器额定电压至少要等于其所接人电网的运行电压,同时还要考虑接人后电网电压的升高,电网谐波电压的存在使电压升高,以及为降低谐波影响而串联电抗器后的电容器端子上电压升高堡茎壁皇查塑薹曼设计简析(蛊小伟姜志勇)n陆队明b队建裁电乞._BUILDING2口11年第5期fELECTRlClTY并联电容器接入电网后.高,其值可由公式(1)计算:导致母线运行电压升3.2电容器分组容量选择(1)Usos一式中:U母线电压升高值,kV;.并联电容器装置投入前的母线电压.kV;S母线三相短路容量,MVA;Q母线上所有运行的电容器组容量.Mvar.串联电抗器后.电容器端子上电压升高.其值可按照公式(2)计算:=(2)式中:电容器的运行电压,kV;并联电容器装置的母线运行电压,kV;K电抗率:接线系数,星形接线或单相取,/了,三角形接线取1.举例说明,如有一300kvar并联电容器装置,串联电抗率为7%,投入前母线电压为0.4kV,母线短路容量为20MVA,根据式(1)可得母线电压升高值:AU.QUso.s0.3x0.42O=0.006kV由式(2)可得电容器端子上所加电压为:=40610.07437V考虑谐波存在会使电压升的更高.可选额定电压480V的电容器.需要指出.选择电容器额定电压时,安全裕度并非取的越大越好,因为与额定容量相比,当运行电压低于额定电压时.电容器实际运行容量会降低较多.电容器容量分组通常有两种方式:单一容量分组和混合容量分组.按照每次投切容量命名时也可称单一步长和混合步长.如补偿300kvar.当选用10组30kvar的电容器组合时称为单一容量分组(或单一步长);当选用4组50kvar+4组25kvar的电容器组合时称为混合容量分组(或混合步长).选择合理的分组容量有助于提高电容器的效率和延长电容器使用寿命.通常按照加大分组容量.减少组数的原则来考虑,其好处有两点:一是减少投切次数延长电容器使用寿命.因为过于频繁的投切会缩短电容器的使用寿命.文献【-】通过计算做了充分论证:二是能有效地避开谐振点或远离谐振点附近区域.减少谐波对电容器的影响.缺点是在某些情况下当分组容量选择过大时会出现过补偿.这会导致母线电压抬高超出限值.对用电设备和电容器本身也是不利的.对于谐波的放大效应对电容器的影响.只要弄清电网含有的背景谐波次数.串联合适的电抗器就可以解决,在分组时可以不用考虑谐波因素的影响.需要指出的是.当串联电抗器后电容器的容量不等于该电容器与电抗器串联组的实际输出容量,根据下式可计算串联电抗器后该串联组的输出容量:Q=Q(1一K)(3)式中:Q未串联电抗器时输出的无功功率;Q,串联电抗器后输出的无功功率.如何做到分组容量最优.这是一个复杂的问题.笔者认为.一般可遵循如下原则:当负荷固定时,选择单一容量分组:当负荷处于变化状态时选择混合容量分组分组容量值一般为两档,此时要选用自动投切方式.3,3环境空气温度环境空气温度对电容器使用寿命的影响是非常显着的.电容器运行温度过高,可能导致介质击穿强度降低.或导致介质损耗(tan8)的迅速增加.若温度继续上升,将破坏热平衡,造成热击穿,影响电容器的寿命21电容器内部介质温度每升高78寿命减少一半31为提高电容器的使用寿命,设计时需根据电容器的环境温度类别来确定并联电容器装置室的排风雌温度.保持良好的散热条件;避免电容器长期在过负荷下运行.这些都是避免电容器温升过高而需考虑的.工程设计中.要注意高环境空气温度对电容器的运行影响以低压并联电容器装置常用的自愈式并联电容器为例.电容器按照环境温度类别分类,每一环境温度类别由下限温度值和斜线后代表上限温度的字母代号来表示.如一40/A,一25/B等.下限温度表示电容器可以投入运行的最低环境温度,其值在+5,一5,一25,一40,一50中选取.上限温度为电容器可以连续运行的最高环境温度.表1是环境空气温度上限与字母代号的关系.表1环境空气温度上限与字母代号的关系Tab.1Therelationbetweentheupperlimitofambientairtemperatureandlettercode环境空气温度,代号最高24h平均最高年平均最高A403020B453525C504030D554535代号为C的电容器适用于大多数热带地区.少数地区环境温度有可能要求代号D的电容器特殊场所最高环境温度可能高于55.或日平均温度高于45,同时又不可能改善冷却条件.则应适用特殊设计的电容器海拔高度对电容器运行温度有一定影响.海拔过高时,空气稀薄对散热不利.如自愈式低压电容器通常能正常运行的海拔高度不大于2000m.对于海拔高于2000m的地区.应向制造厂订购适于该地区海拔高度使用的高原型电容器为降低电容器运行温度,散热条件是设计时需要考虑的因素之一.国家标准GB502272008并联电容器装置设计规范9.2.4条规定:并联电容器装置室,宜采用自然通风.当自然通风不能满足要求时,可采用自然进风和机械排风.另外.建议设计时优先选用电容器厂家的成套柜.专业电容器厂家的成套柜体一般具有良好的通风系统及温度控制系统不宜采用电容器元件在普通开关柜中组装形式.因为普通开关柜柜体的通风降温系统设计难以满足电容器的散热要求.影响电容器使用寿命.4串联电抗器的选择当电网中存在谐波时.并联电容器会与电网的等效电抗发生并联谐振.未串联电抗器时,谐振次数和补偿容量的关系可以用下式表示:n=1y/軎(4)式中:n发生谐振的谐波次数;&并联电容器装置安装处的母线短路容量.MVA:Q发生n次谐波谐振的电容器容量.Mvar.串联电抗器后.并联电容器接线及其谐波等效电路见图2.下面分析发生并联谐振时电容器容量与串联电抗率的关系谐波源jj2谐波条件l,LC串联回蹯及其等效电路Fig.2LCseriescircuitundertheconditionofharmonicwaveaswellasitsequivalentcircuit在基波情况下,假设母线B电压为.短路容量为,可求系统电抗X(忽略电阻):瓦:(5)sd根据电容器组的容量和额定电压(假定母线B电压等于电容器额定电压)可求其容抗:c=瓦U2(6)电容器组串联电抗率定义为串联电抗器的感抗与并联电容器组的容抗之比:=噩,.对于任何次数It的谐波,有X=nX,X.=/n.建裁电乞._I_?_1BUILDtNG2口11年第5期IELECTRlCITY在n次谐波情况下电容器组容抗与电抗器感抗之比为:XfXcn=n2XL/Xc=nKXn2KXcn电容器支路等效容抗为:Xc:XcnLn=(1一K)G(7)在次谐波情况下:nXs=n?U/Xca:Xc|n=U,(nQ)发生并联谐振条件:Xsh=Xc(8)可得出并联谐振时的电容器容量:Q=Sd(一K)(9)n2通过公式(9)可以很容易计算出抑制谐波放大的电抗率.只要让Q0就不会发生谐振现象.例如当谐波次数为5次时,K0.04即可;当谐波次数为3次时.K0.111即可.并联电容器装置设计规范5.5.2条规定,电抗率的取值范围如下:1仅用于限制涌流时,电抗率宜取0.1%一1.0%.2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背景谐波含量的测量值选择.当谐波为5次及l2J:时,电抗率宜取4.5%5.0%;当谐波为3次及以上时.电抗率宜取12.0%,