10 kV变电站低压并联电容器的选型与计算

□文/谷 明

在民用建筑工程10 kV变电站电气设计中，一般要求用户0.4 kV侧的月平均功率因数达到0.95以上。当用户的自然总平均功率因数较低，单靠提高用电设备的自然功率因数达不到要求时，变电站0.4 kV侧一般设置低压成套无功补偿装置进行无功补偿，以达到提高功率因数和节能的目的。

低压成套无功补偿装置由低压并联电容器、串联电抗器、熔断器、避雷器、电流互感器及低压无功功率自动补偿控制器等电气设备组成。在设计阶段，电气设计人员在图纸上提出各电气设备的参数要求，由设备厂家根据设计参数要求成套供应。因此，能够正确、合理提出各电气设备参数显得尤为重要。

假设某民建工程，用户0.4 kV侧最大需要补偿240 kvar的三相无功容量；系统最大短路容量为10 MVA；工程中灯具、计算机等单相负荷数量较多，电网三次谐波较大。本文根据以上要求，对低压并联电容器补偿装置的各个电气设备参数进行计算。

1 串联电抗器的选型

电网三次谐波较大，为限制电容器投切时的涌流及三次谐波对电容器的损坏，低压电容器回路需串联接入电抗器，电抗器的电抗率选取为13.5%。

2 低压电容器的选型

根据工程要求补偿240 kvar的三相无功容量，低压并联电容器采用三角形接线方式，三相自动补偿，分4组投切，每组补偿60 kvar。低压并联电容器的选型需要考虑额定电压及额定安装容量，以下分别予以计算。

2.1 低压电容器额定电压的选择

因低压电容器投入后会引起的母线电压升高，同时低压并联电容器串联电抗器后会引起的电容器端电压升高。在选择低压电容器额定电压时，需考虑以上2个因素。

2.1.1 低压并联电容器投入后引起的母线电压升高

式中：△U为母线电压升高值，V；Ub为电容器投入前的母线电压，取400 V；Q为母线上运行的所有电容器容量，MVA；Sk为电容器安装处的母线短路容量，MVA。

将工程数据代入式（1），△U=9.6 V，即低压并联电容器投入后，母线电压升高9.6 V。

2.1.2 串联电抗器后引起的电容器端电压升高

式中：Uc为电容器端电压，V；Un为电容器连接处母线电压，V；K为电器容串联电抗器的电抗率，%。

由式（2）可知，串联的电抗率越高，电容器两端的电压越高。Un=400+9.6=409.6（V），K=13.5%，代入式(2)，Uc=474 V，即电容器两端的电压可达到474 V。

同时，电容器还应能承受1.15倍长期工频电压，还需考虑谐波引起的电网电压升高、相间和串联段间的容差、轻负荷引起电网电压升高等情况。

因此，当并联电容器串联的电抗器电抗率为13.5%时，并联电容器额定电压选取为525 V。

2.2 低压电容器安装容量的选择

在工程设计中，不能简单认为要求输出的无功补偿容量即为低压电容器的安装容量，应考虑低压电容器运行电压与额定电压的差异以及串联电抗器的无功损耗，低压并联电容器的实际输出容量可按式（3）计算

式中：Qc为并联电容器的实际输出容量，kvar；Qn为并联电容器的额定安装容量，kvar；Uc为电容器端电压，V；UN为并联电容器的额定电压，V。

电容器中串联电抗器的容量越大（电抗率越高），

吸收电容器所产生的补偿功率越高，电容器补偿到电网的无功越低。当并联电容器的端电压Uc=474 V，额定电压UN=525 V，实际需求输出容量Qc=240 kvar，由式（3）反求得电容器组额定安装容量Qn=340 kvar，每组并联电容器额定安装容量为85 kvar。

因此，电容器的安装容量应大于电容器的输出容量。如果电容器额定电压选得越高，电容器运行电压低于额定电压越多，则电容器输出容量的亏损也就越大，所需安装的电容器容量越大。所以电容器的额定电压应该大于运行电压可能出现的最高值并尽量接近这个最高值，以获得最佳的输出容量。

3 熔断器的选择

式中：IN为熔断器额定电流，A；QN为并联电容器的容量，kvar；k为计算系数，当电容器的额定电压为525 V时

用于电容器保护的熔断器应采用电容器专用熔断器，其熔丝额定电流应按照电容器额定电流的1.65～1.80倍选择。

因此，并联电容器实际输出容量为60 kvar时，上口熔断器熔断体额定电流IN为2×60=120（A），选额定电流为125 A的熔体。同理，并联电容器组实际输出容量为240 kvar时，上口熔断器熔断体额定电流IN为2×240=480（A），选额定电流为500 A的熔体。电流互感器变比选择为500/5。

4 避雷器的选择

为限制电容器操作过电压，在紧靠电容器组的电源侧装设3只无间隙氧化锌避雷器，每个避雷器采用相对地接线。

避雷器选用型号为Y3W-0.5/2.6，系统电压为0.4 kV，避雷器额定电压为0.5 kV，持续运行电压为0.42 kV，直流1 mA参考电压≮1.2 kV，雷电残压峰值≯2.6 kV，通流容量（2 ms）为 90 A。

5 低压无功功率自动补偿控制器的选择

选用功率因数型自动补偿控制器。功率因数控制器灵敏度（c/k）是电容器组接通时的最小动作电流的阈值，其数值≯0.2 A。当大于此值时控制器接通电容器组，当小于此值时控制器不接通电容器组。阈值的大小按电容器组额定电流的0.62倍考虑，三相电容器组的灵敏度计算

式中：Qc为并联电容器的实际输出容量，kvar；UN为并联电容器的额定电压，V；nTA为电流互感器变比。

将Qc=240 kvar、UN=525 V、nTA=500/5=100，代入式（5），可知功率因数控制器灵敏度（c/k）为1.64 A＞0.2 A，满足要求。

6 基本选型结果

在串联电抗器电抗率选取13.5%的条件下，电容器、电抗器、熔断器、避雷器、电流互感器的基本选型见图1。

图1 电抗率13.5%低压并联电容器补偿装置系统

当电网内五、七次谐波含量较大时，本文选用电抗率为7%的串联电抗器，在同等工程条件下，低压并联电容器补偿装置的输出容量要求为Q=240 kvar，采用三相自动补偿的方式，分4组投切，4组60 kvar，低压电容器补偿装置安装处的短路容量约为Sk=（10MVA）。由式（1）计算得低压并联电容器投入后引起的母线电压升高值△U=9.6 V；由式（2）计算得串联电抗器后引起的电容器端电压升高值Uc=440 V，并联电容器额定电压在K=7%的条件下，选取为480 V；由式（3）计算得电容器组额定安装容量Qn=308 kvar，4组并联电容器额定安装容量为77 kvar；由式（4）知，当电容器的额定电压为480 V时，计算系数并联电容器上口熔断器熔断体额定电流IN为2.2×60=132 A，选额定电流为150 A的熔体。同理，并联电容器组上口熔断器熔断体额定电流IN为2.2×240=528（A），就近选额定电流为600 A的熔体。电流互感器变比选择为600/5。避雷器型号保持不变。由式（5）知，功率因数控制器灵敏度（c/k）为1.49 A＞0.2A，满足要求。

在串联电抗器电抗率选取7%的条件下，电容器、电抗器、熔断器、避雷器、电流互感器的基本选型见图2。

图2 电抗率7%低压并联电容器补偿装置系统

不同的电网电压、并联电容器中串联不同容量的电抗器，对电容器的额定电压、安装容量、熔断器熔体的选择均有影响。并联电容器中串联的电抗器容量越高，吸收电容器所产生的补偿功率越高，电容器两端电压越高，电容器所需的安装容量也就越大。

7 结语

在实际的工程设计中，应分析工程实际电网的运行情况，首先确定采用限制哪种谐波的串联电抗器，然后根据选用的串联电抗器的电抗率及需要补偿的无功容量，确定电容器接线方式，补偿方式(三相补偿还是单相补偿)并向低压并联电容器补偿装置厂商提供电容器的额定电压，安装容量、熔断器、避雷器、电流互感器等设备参数。切不可仅标注补偿的容量，而不说明此容量是输出容量还是安装容量，否则将两者混淆，达不到设计要求的补偿效果。

[1]中国航空规划设计研究总院有限公司.工业与民用配电设计手册[M].4版.北京：中国电力出版社，2016.

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