低压无功补偿柜的设计改进

陈虹霓

（南海油脂工业（赤湾）有限公司，广东 深圳 518067）

实行限制用电后，为提高用电质量，降低系统损耗，减少电费的支出，很多单位企业安装了无功功率补偿柜（以下简称PFC 柜），因此，我们首先要了解无功功率补偿的原理，进而提出当前PFC 柜设计中存在的问题并针对这些问题提出解决的思路。

1 无功补偿的基本原理

在电力系统中，电动机及其它有线圈（绕组）的设备是负载的主要形式，我们称为感性负载。这类负载将消耗一部分电功率来建立线圈磁场，额外的增加了电源的负担，功率因素cosφ就是反映总电功率中有功功率所占的比例。从理论公式P=UIcosφ可以看出，功率因素的降低，为了维持有功功率，电流将增大，使线路的损耗加大，增加了电压损失，降低了供电的质量，不利于提高用电的效率。因此，在供电系统中，增加无功补偿设备，提高供电网络的功率因数，对电网降损节电，安全可靠的运行有着极为重要的意义。我国大部分供电公司规定用户的功率因素必须大于0.9。

无功补偿最基本的形式就使提高感性负载的功率因数，也就是用适当容量的电容器与感性负载并联，这样就可以使电感中的磁场能量与电容器的电场能量进行交换，从而减少电源与负载间能量的互换，感性负载两端并联一个适当电容器后，可以有效提高功率因数，使功率因数cosφ尽量接近1。

2 目前PFC 柜设计上的存在的问题

1）目前PFC 柜的设计，基本上是假设负荷侧性质为线性状态来设计生产的，不能完全适应各种负荷性质的需要。取样信号一般都取线电压和相电流之间的相位差，电容柜投切仅以电压为约束条件,功率因数为投切阀值是不完善的,缺乏电容器投切后电压及无功变化的动态预算,作为反馈信号输入到控制器,避免产生投、切振荡的闭环技术措施。没有考虑到投、切时电容产生的浪涌电流，交流接触器极易拉弧。以谐波污染为主要原由的配电网络，控制器没有设定约束条件，仅以过压作为保护条件，不能满足现行电网中的各种运行情况。

2）电容器的选型不当，相当一部分PFC 柜仍然选用的是油浸式的电容，没有预充电电阻，电容器内部没有安全保险；在电路设计中，忽视对电容器的保护，相当一部分补偿柜仍然采用的是空气开关，使电容出现故障时不能及时切断回路，导致短路事故的发生，发生火灾，甚至导致整个配电柜烧毁。

3）PFC 柜的柜体设计存在严重缺陷，不重视通风设计，导致电容器长期运行在规定温度以上，使电容器的使用寿命大幅降低；柜内存在的母排，开关、接触器、电容、电感等器件没有有效的隔离，当电容爆炸（任何好的保护都有可能失效）时会产生大量的电尘团，导致故障的扩大，甚至发生电气火灾。

3 改进PFC 柜设计的探讨

针对目前市场上PFC 柜在设计上存在的问题，本文主要从电容器的选型/保护及柜体的设计等方面提出改进的思路。

3.1 电容器的选择

1）选择至少可以承受100In的浪涌电流和电压高一个等级的电容（比如用440V 电容取代400V 电容），像FRAKO 电容，可以承受200-300In的浪涌电流。较高的电压等级和耐浪涌电流的能力，可以使电容在谐波存在的情况下，寿命更长。

2）选择节能（能耗在0.2～0.5W/Kvar）环保型的干式电容，由于采用了自愈式和分段薄膜技术，电容器带有预充电电阻，内置保险，可以使把电容的灾难性的损坏变成渐进式的或自愈式的。不能选择油浸式的电容，不利于环保并有火灾的风险。

3.2 电容器的保护

1）检查供电侧的用电质量，确认是否在可接受的范围之内（V-THD＜3%，I-THD＜10%），如果超出范围，建议使用有解谐的补偿柜（例如使用7%的电抗器）来防止系统电容产生共振，谐波的抑制可以有效的延长电容的寿命。

2）选择熔断器隔离开关代替空气开关，电容投切可以采用可控硅与交流接触器相结合的复合开关，可以有效的降低电容投入时的涌流和电容断开时接触器的拉弧。

3）PFC 组应该留出30%～40%的余量，内部电缆应适当放大，并且必须是A 级阻燃电缆，控制电线也必须是阻燃的。

4）在控制线路设计中，应采用以单片机为基础的控制器，按负荷侧有功、无功的值取样，进行分析计算，自动识别工作电容器和备用电容器，发出指令，自动循环选择不同的电容器进行投切，使每个电容的运行时间大致相同，延长电容器的使用寿命。控制器同时还具有电容回路过压，过流等保护功能。

3.3 补偿柜柜体的设计

不能排除一个电容会发生爆炸或者火灾，因为，无论任何品牌/型号，任何好的保护功能都可能会失效。当发生短路时，铜和金属汽化时会膨胀22000倍，所有这些气体和热量都会急剧膨胀。因此，设计一个合理的配电盘，隔离，通风，电容的装配方式及ΙP 防护等级就非常重要：

1）电容器要与电抗器要相互隔离，两者都要与接触器，熔断器隔离开关，电缆，母排等隔离，同时每个柜之间也要隔离，把故障限制在每个柜子里。以下的图1是一个很好的例子（其中的进线开关不建议安装，应由电缆供电）。

图1 补偿柜柜体

2）使用强制通风系统

根据电容器的经验法则，电容器的工作温度，每降低10℃，寿命会增加一倍。一般电容器规定的最高工作温度为55℃，所以期望电容器工作温度在40～45℃左右。

目前很多PFC 柜都是自然通风方式，强烈建议安装强制通风系统。如上图2、图3所示，PFC 柜前后都有进风口,顶部安装至少两个抽风扇（下面装有防止风扇意外跌落下来的装置），带自动恒温调节器和超温报警装置，如果PFC 柜的通风系统出现风机跳闸或进风口堵死等情况，可以立即知道。

3）电容器的装配方法对于通风和散热也起到很重要的作用，电容器不应该安装在水平封闭的底板上，底板板上应该有通风孔。建议以下面图4的方式安装：

图4 推荐的安装方式

5）柜子的设计还要体现安全的原则，不允许有裸露的母排和手指可能触摸到的带电体。若有，必须用阻燃隔板加以隔离，并贴有“当心触电”的标识。PFC 柜的顶部应该安装防护板（见图6），距离柜顶约200mm，防止垂直滴下来的液体直接进入配电盘，也利于散热；防护板的尺寸应略大于电柜柜顶尺寸，四周有折边，略微倾斜，留一面小开口，让液体可以从柜体旁落到地面，使柜体的防护等级达到应为ΙPX1。

4 结论

无功功率补偿的方式还分为个别就地补偿，分组补偿，集中补偿等多种形式，确保通过并联电容器等设备装置，达到补偿线路电流损耗的目的。保护功能全面的控制技术，良好通风的柜体设计，元器件正确的安装隔离方式，细致周到的安全防护措施，规范良好的维护保养是补偿柜能够正常安全运行的保证。改进低压无功补偿柜设计，克服存在的问题，为供电网系统建设提出新的工作方向，为电能质量的推进树立标杆。当然，怎么样更加科学合理的用电，更加环保健康的生活方式一直是现在社会生活追求的目标。

[1] 吴振飞.基于谐波因数的低压无功补偿分析[J].低压电器.2011(21): 45-49.

[2] 王少杰,罗安.配电网低压大电流负荷的谐波与无功补偿装备研制[J].电力自动化设备,2010(12): 25-29.

[3] 伍正阳.智能低压配变监测与无功补偿箱设计探索[J].云南大学学报(自然科学版),2009(S2): 296-303.

[4] 詹铭,刘志平,牛宇干,等.并联无功补偿对大型变压器低压母线带负荷能力的影响[J].武汉大学学报(工学版),2011(2): 254-256.

[5] 熊勇军,肖慧荣,张君,等.中低压配电网不平衡无功补偿系统的设计[J].计算机仿真,2011(10): 278-281.

[6] 李川,王军,舒欣梅,等.一种基于电容器组优化配置的智能低压无功补偿装置[J].西华大学学报(自然科学版),2010(4): 15-17.

[7] 陈涛,高平,黄艳铃,等.低压配电网并联电容器无功补偿优化算法的研究[J].哈尔滨理工大学学报,2010,3:82-85.