張 毓
(大象建筑設(shè)計(jì)有限公司,杭州 310012)
綠色建筑是指在全壽命期內(nèi),最大限度地節(jié)約資源(節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材)、保護(hù)環(huán)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(shè)備是綠色建筑的重要構(gòu)成部分,為建筑全壽命期內(nèi)持續(xù)運(yùn)行、實(shí)現(xiàn)各種豐富的功能提供了保障。
電氣設(shè)備的運(yùn)行時(shí)刻消耗著能量,隨著建筑中非阻性負(fù)荷的增加,電氣設(shè)備產(chǎn)生了有功功率和無功功率。但是無功功率會(huì)降低電網(wǎng)電壓,增加電網(wǎng)損耗,而無功補(bǔ)償可以減小無功功率,降低損耗,節(jié)能效果非常明顯。因此綠色建筑將無功補(bǔ)償?shù)膬?nèi)容納入其中,并廣泛推行。早期的無功補(bǔ)償采用的是三相補(bǔ)償。
隨著民用建筑中單相負(fù)荷大量增加,無功補(bǔ)償?shù)男问揭仓饾u發(fā)生變化。由于各單相負(fù)荷在各相上分配不平衡或者使用不同時(shí),會(huì)導(dǎo)致三相不平衡。此時(shí)如果采用三相電容器進(jìn)行三相補(bǔ)償,取某一相的電流信號(hào)來判斷功率因數(shù)并投切電容器,則對(duì)無功功率的補(bǔ)償不夠準(zhǔn)確,會(huì)造成過補(bǔ)償或欠補(bǔ)償。因此單純的三相已經(jīng)無法滿足實(shí)際需求,而應(yīng)采用分相補(bǔ)償或者混合補(bǔ)償?shù)姆绞?,使補(bǔ)償方案更為高效準(zhǔn)確?;旌蠠o功補(bǔ)償是一種靈活有效補(bǔ)償方式,它比三相補(bǔ)償準(zhǔn)確,又比分相補(bǔ)償經(jīng)濟(jì),應(yīng)用較為廣泛。
選擇合理的無功補(bǔ)償設(shè)備、配置合理的補(bǔ)償容量,既能減少電能損耗,又能保證電氣設(shè)備安全、穩(wěn)定的運(yùn)行,因此無功補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)至關(guān)重要。目前許多文獻(xiàn)對(duì)無功三相補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)提出了切實(shí)有效的方法,但是在混合無功補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)方面談及較少。
本文結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況,提供混合無功補(bǔ)償設(shè)備選擇及補(bǔ)償容量計(jì)算的思路,給出混合無功補(bǔ)償設(shè)備中各元器件主要參數(shù)的確定過程,為設(shè)計(jì)人員正確配置無功補(bǔ)償方案提供依據(jù)。
無功補(bǔ)償能穩(wěn)定電網(wǎng)電壓,降低電網(wǎng)的無功損耗,因此無功補(bǔ)償是綠色建筑設(shè)計(jì)的重要部分,許多地區(qū)的綠色建筑規(guī)范都對(duì)此有一定的要求。表1為浙江、上海、江蘇、天津四個(gè)地區(qū)提出的無功補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)要求。
不同地區(qū)無功補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)要求對(duì)比 表1
從表1中可以看出,四個(gè)地區(qū)對(duì)于無功補(bǔ)償?shù)脑O(shè)置要求基本一致,但在細(xì)節(jié)上存在差異,同時(shí)江蘇省對(duì)無功補(bǔ)償設(shè)置要求的相關(guān)規(guī)定最為詳盡。各地?zé)o功補(bǔ)償?shù)陌惭b位置多為集中補(bǔ)償或就地補(bǔ)償,常規(guī)專用變電所設(shè)置集中補(bǔ)償。對(duì)于三相不平衡或采用單相配電的系統(tǒng),要求采用分相補(bǔ)償或混合補(bǔ)償?;旌涎a(bǔ)償中分相無功補(bǔ)償?shù)木唧w設(shè)置比例,按各地的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。其中江蘇省對(duì)混合補(bǔ)償中分相補(bǔ)償容量占總補(bǔ)償容量的比例做了規(guī)定,而浙江省未有明確規(guī)定,可結(jié)合項(xiàng)目的不平衡度進(jìn)行具體設(shè)置。此外,四個(gè)地區(qū)均要求無功補(bǔ)償裝置有一定的抑制諧波能力,在配置無功補(bǔ)償設(shè)備時(shí),單純的電容器無法滿足要求,需要串接適當(dāng)參數(shù)的電抗器來抑制諧波。
綜上所述,在實(shí)際項(xiàng)目實(shí)施中,設(shè)計(jì)人員應(yīng)該根據(jù)項(xiàng)目所在地的規(guī)范要求,結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際負(fù)載情況,選擇合理的無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)方案。
常用的補(bǔ)償設(shè)備通常帶有抑制諧波功能的低壓無功補(bǔ)償設(shè)備,根據(jù)其功能特點(diǎn),可以分為接觸器投切調(diào)諧濾波器、晶閘管投切調(diào)諧濾波器、無源濾波器、有源濾波器。
前兩種調(diào)諧濾波器設(shè)備側(cè)重補(bǔ)償,均用于諧波含量較低的場(chǎng)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(dòng)作時(shí)間比接觸器的動(dòng)作時(shí)間短,跟隨負(fù)載的能力強(qiáng),因此晶閘管投切調(diào)諧濾波器適用于負(fù)載變化較大的場(chǎng)所,接觸器投切調(diào)諧濾波器,適用于負(fù)載相對(duì)穩(wěn)定的場(chǎng)所。后兩種濾波器設(shè)備側(cè)重濾波,用于諧波含量較高的場(chǎng)所。無源濾波器適用于諧波次數(shù)相對(duì)確定的場(chǎng)所,有源濾波器適用于諧波次數(shù)變化較大的場(chǎng)所。
以浙江某地學(xué)校項(xiàng)目為例,該學(xué)校項(xiàng)目總建筑面積8萬m2,變壓器總安裝容量為4 500kVA,共設(shè)置4臺(tái)變壓器,其中兩臺(tái)1 000kVA,兩臺(tái)1 250kVA。按照浙江省DB33/1092-2016《綠色建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》第3.0.5條的要求,政府投資的項(xiàng)目至少應(yīng)滿足二星級(jí)綠色建筑要求。學(xué)校系政府投資的公共建筑,因此按二星級(jí)綠色建筑要求設(shè)計(jì)。
一星級(jí)綠色建筑要求,“無功補(bǔ)償宜在低壓側(cè)集中補(bǔ)償;單相負(fù)荷較多的供配電系統(tǒng),應(yīng)設(shè)置適當(dāng)容量的分相無功補(bǔ)償”。二星級(jí)綠色建筑要求,“當(dāng)單臺(tái)或成組用電設(shè)備的無功功率大于100kvar,且距變壓器較遠(yuǎn)時(shí),宜就地補(bǔ)償”。本項(xiàng)目無成組用電設(shè)備,單臺(tái)設(shè)備最大容量是85kW,無功功率小于100kvar,故未設(shè)置就地補(bǔ)償。僅在變壓器低壓側(cè)進(jìn)行集中補(bǔ)償,補(bǔ)償需采用單相三相混合補(bǔ)償。
對(duì)學(xué)校而言,諧波含量較低,調(diào)諧濾波器已經(jīng)基本滿足綠色建筑設(shè)計(jì)的補(bǔ)償濾波要求,同時(shí)學(xué)校的負(fù)荷相對(duì)穩(wěn)定,而晶閘管投切電容補(bǔ)償價(jià)格較貴,綜合考慮,該項(xiàng)目的電容補(bǔ)償柜采用接觸器投切的調(diào)諧濾波器。接觸器投切的調(diào)諧濾波器電氣原理圖如圖1所示。
圖1 接觸器投切的調(diào)諧濾波器電氣原理圖
根據(jù)設(shè)備選型,進(jìn)行以下參數(shù)計(jì)算。
(1)補(bǔ)償容量
選取其中一臺(tái)1 250kVA變壓器,明確該變壓器所帶的負(fù)荷,并整理得到負(fù)荷計(jì)算表。根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)(第四版)》表1.11-3及式1.11-5,為使低壓側(cè)功率因素提高到0.95,該變壓器低壓側(cè)設(shè)置的無功補(bǔ)償總?cè)萘繛?68kVar。由于規(guī)范中對(duì)單相補(bǔ)償容量的比例未做規(guī)定,因此結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況綜合考慮,單相補(bǔ)償容量按總補(bǔ)償容量的30%選取,則單相補(bǔ)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(bǔ)償裝置的電抗率為14%,5次諧波電容補(bǔ)償裝置的電抗率為7%。由于廠家的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)不同,不同產(chǎn)品電抗率也略有差異。本項(xiàng)目為學(xué)校建筑,主要負(fù)荷為照明,三次諧波較多,因此電容補(bǔ)償裝置的電抗率K需在14%左右。根據(jù)本項(xiàng)目采用的設(shè)備選型樣本,電抗率按14.8%選取。
(3)電容器的額定電壓
根據(jù)GB 50053-2013《20kV及以下變電所設(shè)計(jì)規(guī)范》中5.1.2條的規(guī)定,“電容器的額定電壓應(yīng)按電容器接入電網(wǎng)處的運(yùn)行電壓計(jì)算,電容器應(yīng)能承受1.1倍長(zhǎng)期工頻過電壓?!蓖瑫r(shí),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(duì)于三相電容器,系統(tǒng)的標(biāo)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(duì)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(jù)GB 50227-2017《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》中5.5.4條的規(guī)定,“串聯(lián)電抗器的額定電壓和絕緣水平,應(yīng)符合接入處的電網(wǎng)電壓要求”,因此三相電抗器的額定電壓為系統(tǒng)的標(biāo)稱電壓,即400V。
對(duì)于電抗器而言,三相電抗器等同于三個(gè)單相電抗器分別接于各相,故單相補(bǔ)償和三相補(bǔ)償時(shí),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(shù)量
下面需確定單相補(bǔ)償和三相補(bǔ)償?shù)碾娙萜鹘M數(shù)。
根據(jù)本項(xiàng)目采用的設(shè)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(shí)際輸出容量相差較大,無法根據(jù)額定容量確定電容器的組數(shù),因此需要對(duì)于設(shè)備上標(biāo)注的額定容量進(jìn)行換算。根據(jù)公式(2):
(2)
可見額定容量為30kVar的電容器,其實(shí)際輸出的電容補(bǔ)償量遠(yuǎn)低于30kVar。為保證110.4kVar的單相補(bǔ)償容量,則至少需選用6組額定容量30kVar的電容器,其實(shí)際補(bǔ)償容量為6×20.44=123kVar,相當(dāng)于每相補(bǔ)償容量為61kVar。
確定了單相補(bǔ)償容量,則可得到三相補(bǔ)償容量為368-123=245kVar。
因此,需選6組額定容量60kVar的電容器,其實(shí)際補(bǔ)償容量為6×40.88=245kVar。
由于電抗器是發(fā)熱元件,為保證良好的散熱,單個(gè)電容補(bǔ)償柜的補(bǔ)償容量一般控制在300kVar。此處總補(bǔ)償容量超過300kVar,故按兩個(gè)電容補(bǔ)償柜設(shè)計(jì)。每個(gè)電容補(bǔ)償柜配置1組單相補(bǔ)償及3組三相補(bǔ)償,單個(gè)電容補(bǔ)償柜的容量為184kVar。
(6)熔斷器的選型
根據(jù)GB 50053-2013《20kV及以下變電所設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.1.4條,“并聯(lián)電容器裝置的總回路和分組回路的電器和導(dǎo)體的穩(wěn)態(tài)過電流應(yīng)為電容器組額定電流的1.35倍;單臺(tái)電容器導(dǎo)體的允許電流不宜小于單臺(tái)電容器額定電流的1.5倍”。
對(duì)單臺(tái)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(shí)會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)充電過程,出現(xiàn)很大合閘涌流,同時(shí)伴有很高電流頻率振蕩,觸頭閉合過程中可能燒蝕嚴(yán)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(wěn)態(tài)過電流。根據(jù)并聯(lián)電容器標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn),在過電壓和諧波的共同作用下,電容器應(yīng)能在有效值為1.3倍額定電流的穩(wěn)態(tài)過電流下運(yùn)行。如果考慮電容器容量的最大正偏差+10%,則穩(wěn)態(tài)過電流允許值達(dá)到1.43倍的額定電流,因此對(duì)單臺(tái)電容器穩(wěn)態(tài)過電流規(guī)定為單臺(tái)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(tái)單相電容器的接觸器,額定電流取160A,單臺(tái)三相電容器的接觸器,額定電流取125A。