低压电容补偿器柜温升高原因探讨

郝宝良 季广平 邓晓宗

摘 要：国际工业项目建设中，当地电网对工厂自配电系统的无功补偿要求较为严格，尤其是长距离专用线路的情况，目前，比较常用的是低压电容器柜集中补偿。而由于补偿柜在系统运行中的重要性，在工厂持续生产状态下，其出现问题时，不方便即时切除检修，常带故障运行，比如温升高，会造成设备逐渐老化，缩短设计使用寿命。鉴于此，有必要从根源上（如设计选型、安装、运行条件）找出原因，并在早期杜绝隐患。

关键词：低压电容补偿器;温升高;投切;补偿容量;谐波;高海拔

前言

本例为玻利维亚35万吨/年钾盐工厂项目，在单独设置的电控楼内装有四台6/0.4kV、2000kVA变压器，为主要的工艺设备供电。为了提高系统的功率因数，在各变压器的400V侧集中装设了动态无功补偿柜，目标是功率因数达到0.9。在工厂交接后1年的运行中，电容器补偿柜出现了温升高的情况，环境温度20℃时，柜内温度可达60℃左右，其内保险开关温度可达90℃。事实上，业内也时有电容器爆炸的情况发生，因此，无论是为了设备可靠运行，还是出于人身安全考虑，对于电容柜的选择及应用的分析研究，都有十分重要的意义。

1 概述

1.1 无功补偿原理

用电设备（主要是电机）需要无功功率来建立电磁场，当电源侧供给的无功功率满足不了负荷需要时，需在电网中要设置一些无功补偿装置来补充。即把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，能量在两种负荷之间相互交换，这样，感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率补偿。

1.2 一般补偿方式

无功补偿通常采用的方式主要有3 种：低压个别补偿、低压集中补偿、高压集中补偿。

此处主要说明本例中采用的低压集中补偿。

低压集中补偿是指将低压电容器接在配电变压器低压母线侧，根据低压母线上的无功负荷而直接控制电容器的投切，电容器的投切是整组（阶梯）进行，做不到平滑的调节。优点是：接线简单、运行维护工作量小，使无功就地平衡，提高配变利用率，具有较高的经济性。

1.3 并联电容器

并联电容器是目前最主要的低压无功补偿方法。最大特点是价格便宜而又易于安装维护。

并联电容器的性能缺陷是：它的输出功率随母线电压降低而成平方地降低，这在电压低的情况下将可能导致恶性循环。

1.4 实际设计配置

以单台变压器低压侧的配置为例，变压器容量2000kVA，装设4套电容补偿柜，每柜补偿容量150kVar，总容量为600kVar，保险开关额度电流315A。

2 温升高原因分析

2.1 补偿装置的容量计算

通常按照经验来说，如果标准要求功率因数为0.90，配置无功补偿容量時，取变压器容量的30%～40%，如本例中的2000kVA的变压器，补偿容量为600～800kVar。

本例中，由4台2000kVA干式变压器带厂区主要负荷，其中#1和#2直接启动方式和电源类负载较多，每台补偿容量600kVar（和经验计算数据中的30%是一致的），#3和#4变频器启动方式较多，每台补偿容量240kVar（考虑了变频器自有补偿功能）。下表是补偿容量的理论计算数据：

按照上表中的计算数据，补偿效果应该是符合当地业主要求的（0.90），但是，根据实际运行情况看，略有不足，功率因数经常落在0.88～0.90的区间内，尤其是考虑柜内发热问题，经常有单组补偿电容器退出运行的情况。因此，对于电机负载比重比较大的工厂负荷，建议按40%变压器额定容量来配置补偿容量更为合适（尤其是没有备用柜的情况）。

2.2 投切方式

低压电容投切装置所采用的开关元件可以分为三大类：

2.2.1 机械式接触器投切电容装置

接触器投切过程中，电容器的初始电压为零，触点闭合瞬间会合闸涌流，严重时可达电容器额定电流的50倍。这不仅影响电容器和接触器的寿命，而且对电网造成冲击，影响其它设备的正常工作。因此，后来采用串接电抗器和加入限流电阻来抑制涌流，这虽然可以控制合闸涌流在额定电流的20倍以内，但从长期运行情况来看，其故障率仍然非常高，维修费用较高。

2.2.2 电子式无触点可控硅投切电容器装置

可控硅投切是利用了电子开关反应速度快的特点。采用过零触发电路，检测当施加到可控硅两端电压为零时，发出触发信号，可控硅导通。此时电容器的电压与电网电压相等，因此不会产生合闸涌流。但是，可控硅在导通运行时，可控硅结间会产生一伏左右的压降。如本例中，电容器采用三角形接法，额定电流220A，则一个可控硅消耗功率约为220W，整套装置消耗的功率可达660W，变成热量使机柜温度升高。

2.2.3 复合开关投切电容装置

复合开关投切是先由可控硅在电压过零时投入电容器，然后再由磁保持继电器触点并联闭合，可控硅退出，电容器在磁保持继电器触点闭合下运行。因而实现了投入无涌流、运行不发热的目的。而磁保持继电器触点偏小且额定机械寿命一般为5万次，从目前投入市场使用情况看，可控硅时有击穿，磁保持继电器也有卡住不动作现象，工作不够稳定。

本例中，出于快速频繁投切的考虑，选用了电子式无触点可控硅投切方式，但是，如果考虑工厂的无功量变化时间不是特别短的因素，建议还是选用对电网无冲击、节能、发热量少的的复合开关投切方式（磁保持继电器触点可以考虑用容量大些的接触器代替）。

2.3 安装位置

在400V配电系统中常采用将无功补偿柜安装于靠近变压器侧（低压进线柜后）或远离变压器侧（母线末端）两种方式，本例中采用的是前者。根据运行情况分析，无功补偿柜的安装位置对于相应的配置容量（柜内母排）、运行环境要求均有不同程度的差异影响。

若补偿柜安装于靠近变压器侧，由于所有负载电流将流经补偿柜内的主母排，因此其母排所需考虑的容量较大（工厂正常运行时，电流约为1680A），其将产生较高的温度，提高补偿柜内的温升。反之，若安装于远离变压器侧，补偿柜内的主母排只需考虑补偿柜的运行电流（约为210A），相较于前者，补偿柜内产生较低的损耗及温升。

因此，补偿柜安装于远离变压器侧（母线末端）为较经济且符合环境要求的配置方式。

2.4 谐波和电压波动的影响

并联电容器的最主要缺点是其对谐波的敏感性。当电网中含有谐波时，电容器的电流会急剧增大，还会与电网中的感性元件谐振使谐波放大，本例中，以5次谐波为主的谐波含量时有达到16%时，用录波器测量的电流增量可达40%，电压峰值可达580V。另外，电压上升时，由于磁路饱和，无功增长很快，会造成补偿装置输出负荷的增加，趋近于额定值。

2.5 海拔高度影响

随着海拔高度的增加，空气压力和密度随之降低，引起冷却效应（散热能力）的下降，以强迫通风为主要散热方式的电气盘柜尤为显著，在海拔至5000m范围内，每升高1000m，温升增加3%～10%。而对于高发热的静止电器，每升高100m，温升可能会达到2K以上。当地海拔高度为3660m，即便考虑空气温度降低对温升的补偿，这也是一个造成温升高的不可忽视的原因。

3 结语

电气设备设计中，常有出于经济考虑或直接采用成熟的配套设计，而对当地运行条件的估计有所不足，给设备的运行维护带来不必要的麻烦。因此，在设备设计和制造的前期，项目各参与方对于温升之类的“顽疾”应给予充分的重视，多方面综合考虑论证，确保设备选择和应用的精确性。

参考文献

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[2] 邓彦国。智能低压无功补偿装置的研制。北京交通大学，2007。

[3] 王凌宜，侯世英，吕厚余，等。电力系统无功优化与无功补偿。电气应用，2006.