低壓電容補(bǔ)償器柜溫升高原因探討

郝寶良 季廣平 鄧曉宗

摘 要：國(guó)際工業(yè)項(xiàng)目建設(shè)中，當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)對(duì)工廠自配電系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償要求較為嚴(yán)格，尤其是長(zhǎng)距離專用線路的情況，目前，比較常用的是低壓電容器柜集中補(bǔ)償。而由于補(bǔ)償柜在系統(tǒng)運(yùn)行中的重要性，在工廠持續(xù)生產(chǎn)狀態(tài)下，其出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，不方便即時(shí)切除檢修，常帶故障運(yùn)行，比如溫升高，會(huì)造成設(shè)備逐漸老化，縮短設(shè)計(jì)使用壽命。鑒于此，有必要從根源上（如設(shè)計(jì)選型、安裝、運(yùn)行條件）找出原因，并在早期杜絕隱患。

關(guān)鍵詞：低壓電容補(bǔ)償器;溫升高;投切;補(bǔ)償容量;諧波;高海拔

前言

本例為玻利維亞35萬(wàn)噸/年鉀鹽工廠項(xiàng)目，在單獨(dú)設(shè)置的電控樓內(nèi)裝有四臺(tái)6/0.4kV、2000kVA變壓器，為主要的工藝設(shè)備供電。為了提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，在各變壓器的400V側(cè)集中裝設(shè)了動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償柜，目標(biāo)是功率因數(shù)達(dá)到0.9。在工廠交接后1年的運(yùn)行中，電容器補(bǔ)償柜出現(xiàn)了溫升高的情況，環(huán)境溫度20℃時(shí)，柜內(nèi)溫度可達(dá)60℃左右，其內(nèi)保險(xiǎn)開關(guān)溫度可達(dá)90℃。事實(shí)上，業(yè)內(nèi)也時(shí)有電容器爆炸的情況發(fā)生，因此，無(wú)論是為了設(shè)備可靠運(yùn)行，還是出于人身安全考慮，對(duì)于電容柜的選擇及應(yīng)用的分析研究，都有十分重要的意義。

1 概述

1.1 無(wú)功補(bǔ)償原理

用電設(shè)備（主要是電機(jī)）需要無(wú)功功率來(lái)建立電磁場(chǎng)，當(dāng)電源側(cè)供給的無(wú)功功率滿足不了負(fù)荷需要時(shí)，需在電網(wǎng)中要設(shè)置一些無(wú)功補(bǔ)償裝置來(lái)補(bǔ)充。即把具有容性功率負(fù)荷的裝置與感性功率負(fù)荷并聯(lián)接在同一電路，能量在兩種負(fù)荷之間相互交換，這樣，感性負(fù)荷所需要的無(wú)功功率可由容性負(fù)荷輸出的無(wú)功功率補(bǔ)償。

1.2 一般補(bǔ)償方式

無(wú)功補(bǔ)償通常采用的方式主要有3 種：低壓個(gè)別補(bǔ)償、低壓集中補(bǔ)償、高壓集中補(bǔ)償。

此處主要說(shuō)明本例中采用的低壓集中補(bǔ)償。

低壓集中補(bǔ)償是指將低壓電容器接在配電變壓器低壓母線側(cè)，根據(jù)低壓母線上的無(wú)功負(fù)荷而直接控制電容器的投切，電容器的投切是整組（階梯）進(jìn)行，做不到平滑的調(diào)節(jié)。優(yōu)點(diǎn)是：接線簡(jiǎn)單、運(yùn)行維護(hù)工作量小，使無(wú)功就地平衡，提高配變利用率，具有較高的經(jīng)濟(jì)性。

1.3 并聯(lián)電容器

并聯(lián)電容器是目前最主要的低壓無(wú)功補(bǔ)償方法。最大特點(diǎn)是價(jià)格便宜而又易于安裝維護(hù)。

并聯(lián)電容器的性能缺陷是：它的輸出功率隨母線電壓降低而成平方地降低，這在電壓低的情況下將可能導(dǎo)致惡性循環(huán)。

1.4 實(shí)際設(shè)計(jì)配置

以單臺(tái)變壓器低壓側(cè)的配置為例，變壓器容量2000kVA，裝設(shè)4套電容補(bǔ)償柜，每柜補(bǔ)償容量150kVar，總?cè)萘繛?00kVar，保險(xiǎn)開關(guān)額度電流315A。

2 溫升高原因分析

2.1 補(bǔ)償裝置的容量計(jì)算

通常按照經(jīng)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，如果標(biāo)準(zhǔn)要求功率因數(shù)為0.90，配置無(wú)功補(bǔ)償容量時(shí)，取變壓器容量的30%～40%，如本例中的2000kVA的變壓器，補(bǔ)償容量為600～800kVar。

本例中，由4臺(tái)2000kVA干式變壓器帶廠區(qū)主要負(fù)荷，其中#1和#2直接啟動(dòng)方式和電源類負(fù)載較多，每臺(tái)補(bǔ)償容量600kVar（和經(jīng)驗(yàn)計(jì)算數(shù)據(jù)中的30%是一致的），#3和#4變頻器啟動(dòng)方式較多，每臺(tái)補(bǔ)償容量240kVar（考慮了變頻器自有補(bǔ)償功能）。下表是補(bǔ)償容量的理論計(jì)算數(shù)據(jù)：

按照上表中的計(jì)算數(shù)據(jù)，補(bǔ)償效果應(yīng)該是符合當(dāng)?shù)貥I(yè)主要求的（0.90），但是，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況看，略有不足，功率因數(shù)經(jīng)常落在0.88～0.90的區(qū)間內(nèi)，尤其是考慮柜內(nèi)發(fā)熱問(wèn)題，經(jīng)常有單組補(bǔ)償電容器退出運(yùn)行的情況。因此，對(duì)于電機(jī)負(fù)載比重比較大的工廠負(fù)荷，建議按40%變壓器額定容量來(lái)配置補(bǔ)償容量更為合適（尤其是沒(méi)有備用柜的情況）。

2.2 投切方式

低壓電容投切裝置所采用的開關(guān)元件可以分為三大類：

2.2.1 機(jī)械式接觸器投切電容裝置

接觸器投切過(guò)程中，電容器的初始電壓為零，觸點(diǎn)閉合瞬間會(huì)合閘涌流，嚴(yán)重時(shí)可達(dá)電容器額定電流的50倍。這不僅影響電容器和接觸器的壽命，而且對(duì)電網(wǎng)造成沖擊，影響其它設(shè)備的正常工作。因此，后來(lái)采用串接電抗器和加入限流電阻來(lái)抑制涌流，這雖然可以控制合閘涌流在額定電流的20倍以內(nèi)，但從長(zhǎng)期運(yùn)行情況來(lái)看，其故障率仍然非常高，維修費(fèi)用較高。

2.2.2 電子式無(wú)觸點(diǎn)可控硅投切電容器裝置

可控硅投切是利用了電子開關(guān)反應(yīng)速度快的特點(diǎn)。采用過(guò)零觸發(fā)電路，檢測(cè)當(dāng)施加到可控硅兩端電壓為零時(shí)，發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，可控硅導(dǎo)通。此時(shí)電容器的電壓與電網(wǎng)電壓相等，因此不會(huì)產(chǎn)生合閘涌流。但是，可控硅在導(dǎo)通運(yùn)行時(shí)，可控硅結(jié)間會(huì)產(chǎn)生一伏左右的壓降。如本例中，電容器采用三角形接法，額定電流220A，則一個(gè)可控硅消耗功率約為220W，整套裝置消耗的功率可達(dá)660W，變成熱量使機(jī)柜溫度升高。

2.2.3 復(fù)合開關(guān)投切電容裝置

復(fù)合開關(guān)投切是先由可控硅在電壓過(guò)零時(shí)投入電容器，然后再由磁保持繼電器觸點(diǎn)并聯(lián)閉合，可控硅退出，電容器在磁保持繼電器觸點(diǎn)閉合下運(yùn)行。因而實(shí)現(xiàn)了投入無(wú)涌流、運(yùn)行不發(fā)熱的目的。而磁保持繼電器觸點(diǎn)偏小且額定機(jī)械壽命一般為5萬(wàn)次，從目前投入市場(chǎng)使用情況看，可控硅時(shí)有擊穿，磁保持繼電器也有卡住不動(dòng)作現(xiàn)象，工作不夠穩(wěn)定。

本例中，出于快速頻繁投切的考慮，選用了電子式無(wú)觸點(diǎn)可控硅投切方式，但是，如果考慮工廠的無(wú)功量變化時(shí)間不是特別短的因素，建議還是選用對(duì)電網(wǎng)無(wú)沖擊、節(jié)能、發(fā)熱量少的的復(fù)合開關(guān)投切方式（磁保持繼電器觸點(diǎn)可以考慮用容量大些的接觸器代替）。

2.3 安裝位置

在400V配電系統(tǒng)中常采用將無(wú)功補(bǔ)償柜安裝于靠近變壓器側(cè)（低壓進(jìn)線柜后）或遠(yuǎn)離變壓器側(cè)（母線末端）兩種方式，本例中采用的是前者。根據(jù)運(yùn)行情況分析，無(wú)功補(bǔ)償柜的安裝位置對(duì)于相應(yīng)的配置容量（柜內(nèi)母排）、運(yùn)行環(huán)境要求均有不同程度的差異影響。

若補(bǔ)償柜安裝于靠近變壓器側(cè)，由于所有負(fù)載電流將流經(jīng)補(bǔ)償柜內(nèi)的主母排，因此其母排所需考慮的容量較大（工廠正常運(yùn)行時(shí)，電流約為1680A），其將產(chǎn)生較高的溫度，提高補(bǔ)償柜內(nèi)的溫升。反之，若安裝于遠(yuǎn)離變壓器側(cè)，補(bǔ)償柜內(nèi)的主母排只需考慮補(bǔ)償柜的運(yùn)行電流（約為210A），相較于前者，補(bǔ)償柜內(nèi)產(chǎn)生較低的損耗及溫升。

因此，補(bǔ)償柜安裝于遠(yuǎn)離變壓器側(cè)（母線末端）為較經(jīng)濟(jì)且符合環(huán)境要求的配置方式。

2.4 諧波和電壓波動(dòng)的影響

并聯(lián)電容器的最主要缺點(diǎn)是其對(duì)諧波的敏感性。當(dāng)電網(wǎng)中含有諧波時(shí)，電容器的電流會(huì)急劇增大，還會(huì)與電網(wǎng)中的感性元件諧振使諧波放大，本例中，以5次諧波為主的諧波含量時(shí)有達(dá)到16%時(shí)，用錄波器測(cè)量的電流增量可達(dá)40%，電壓峰值可達(dá)580V。另外，電壓上升時(shí)，由于磁路飽和，無(wú)功增長(zhǎng)很快，會(huì)造成補(bǔ)償裝置輸出負(fù)荷的增加，趨近于額定值。

2.5 海拔高度影響

隨著海拔高度的增加，空氣壓力和密度隨之降低，引起冷卻效應(yīng)（散熱能力）的下降，以強(qiáng)迫通風(fēng)為主要散熱方式的電氣盤柜尤為顯著，在海拔至5000m范圍內(nèi)，每升高1000m，溫升增加3%～10%。而對(duì)于高發(fā)熱的靜止電器，每升高100m，溫升可能會(huì)達(dá)到2K以上。當(dāng)?shù)睾０胃叨葹?660m，即便考慮空氣溫度降低對(duì)溫升的補(bǔ)償，這也是一個(gè)造成溫升高的不可忽視的原因。

3 結(jié)語(yǔ)

電氣設(shè)備設(shè)計(jì)中，常有出于經(jīng)濟(jì)考慮或直接采用成熟的配套設(shè)計(jì)，而對(duì)當(dāng)?shù)剡\(yùn)行條件的估計(jì)有所不足，給設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)帶來(lái)不必要的麻煩。因此，在設(shè)備設(shè)計(jì)和制造的前期，項(xiàng)目各參與方對(duì)于溫升之類的“頑疾”應(yīng)給予充分的重視，多方面綜合考慮論證，確保設(shè)備選擇和應(yīng)用的精確性。

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