低壓電容補償器柜溫升高原因探討獲獎科研報告

低壓電容補償器柜溫升高原因探討獲獎科研報告

摘要：國際工業(yè)項目建設(shè)中，當?shù)仉娋W(wǎng)對工廠自配電系統(tǒng)的無功補償要求較為嚴格，尤其是長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償。而由于補償柜在系統(tǒng)運行中的重要性，在工廠持續(xù)生產(chǎn)狀態(tài)下，其出現(xiàn)問題時，不方便即時切除檢修，常帶故障運行，比如溫升高，會造成設(shè)備逐漸老化，縮短設(shè)計使用壽命。鑒于此，有必要從根源上（如設(shè)計選型、安裝、運行條件）找出原因，并在早期杜絕隱患。

關(guān)鍵詞：低壓電容補償器;溫升高;投切;補償容量;諧波;高海拔

前言

本例為玻利維亞35萬噸/年鉀鹽工廠項目，在單獨設(shè)置的電控樓內(nèi)裝有四臺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)了動態(tài)無功補償柜，目標是功率因數(shù)達到0.9。在工廠交接后1年的運行中，電容器補償柜出現(xiàn)了溫升高的情況，環(huán)境溫度20℃時，柜內(nèi)溫度可達60℃左右，其內(nèi)保險開關(guān)溫度可達90℃。事實上，業(yè)內(nèi)也時有電容器爆炸的情況發(fā)生，因此，無論是為了設(shè)備可靠運行，還是出于人身安全考慮，對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無功補償原理

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

1.2一般補償方式

無功補償通常采用的方式主要有3種：低壓個別補償、低壓集中補償、高壓集中補償。

此處主要說明本例中采用的低壓集中補償。

低壓集中補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)低壓母線上的無功負荷而直接控制電容器的投切，電容器的投切是整組（階梯）進行，做不到平滑的調(diào)節(jié)。優(yōu)點是：接線簡單、運行維護工作量小，使無功就地平衡，提高配變利用率，具有較高的經(jīng)濟性。

1.3并聯(lián)電容器

并聯(lián)電容器是目前最主要的低壓無功補償方法。最大特點是價格便宜而又易于安裝維護。

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實際設(shè)計配置

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

2溫升高原因分析

2.1補償裝置的容量計算

通常按照經(jīng)驗來說，如果標準要求功率因數(shù)為0.90，配置無功補償容量時，取變壓器容量的30%～40%，如本例中的2000kVA的變壓器，補償容量為600～800kVar。

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

按照上表中的計算數(shù)據(jù)，補償效果應(yīng)該是符合當?shù)貥I(yè)主要求的（0.90），但是，根據(jù)實際運行情況看，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)熱問題，經(jīng)常有單組補償電容器退出運行的情況。因此，對于電機負載比重比較大的工廠負荷，建議按40%變壓器額定容量來配置補償容量更為合適（尤其是沒有備用柜的情況）。

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機械式接觸器投切電容裝置

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

2.2.2電子式無觸點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。采用過零觸發(fā)電路，檢測當施加到可控硅兩端電壓為零時，發(fā)出觸發(fā)信號，可控硅導(dǎo)通。此時電容器的電壓與電網(wǎng)電壓相等，因此不會產(chǎn)生合閘涌流。但是，可控硅在導(dǎo)通運行時，可控硅結(jié)間會產(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，則一個可控硅消耗功率約為220W，整套裝置消耗的功率可達660W，變成熱量使機柜溫度升高。

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零時投入電容器，然后再由磁保持繼電器觸點并聯(lián)閉合，可控硅退出，電容器在磁保持繼電器觸點閉合下運行。因而實現(xiàn)了投入無涌流、運行不發(fā)熱的目的。而磁保持繼電器觸點偏小且額定機械壽命一般為5萬次，從目前投入市場使用情況看，可控硅時有擊穿，磁保持繼電器也有卡住不動作現(xiàn)象，工作不夠穩(wěn)定。

本例中，出于快速頻繁投切的考慮，選用了電子式無觸點可控硅投切方式，但是，如果考慮工廠的無功量變化時間不是特別短的因素，建議還是選用對電網(wǎng)無沖擊、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)中常采用將無功補償柜安裝于靠近變壓器側(cè)（低壓進線柜后）或遠離變壓器側(cè)（母線末端）兩種方式，本例中采用的是前者。根據(jù)運行情況分析，無功補償柜的安裝位置對于相應(yīng)的配置容量（柜內(nèi)母排）、運行環(huán)境要求均有不同程度的差異影響。

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

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

2.4諧波和電壓波動的影響

并聯(lián)電容器的最主要缺點是其對諧波的敏感性。當電網(wǎng)中含有諧波時，電容器的電流會急劇增大，還會與電網(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有達到16%時，用錄波器測量的電流增量可達40%，電壓峰值可達580V。另外，電壓上升時，由于磁路飽和，無功增長很快，會造成補償裝置輸出負荷的增加，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%。而對于高發(fā)熱的靜止電器，每升高100m，溫升可能會達到2K以上。當?shù)睾０胃叨葹?660m，即便考慮空氣溫度降低對溫升的補償，這也是一個造成溫升