绿色建筑中混合无功补偿的设计

张 毓

(大象建筑设计有限公司，杭州 310012)

0 引言

绿色建筑是指在全寿命期内，最大限度地节约资源(节能、节地、节水、节材)、保护环境、减少污染，为人们提供健康、适用和高效的使用空间，与自然和谐共生的建筑。电气设备是绿色建筑的重要构成部分，为建筑全寿命期内持续运行、实现各种丰富的功能提供了保障。

电气设备的运行时刻消耗着能量，随着建筑中非阻性负荷的增加，电气设备产生了有功功率和无功功率。但是无功功率会降低电网电压，增加电网损耗，而无功补偿可以减小无功功率，降低损耗，节能效果非常明显。因此绿色建筑将无功补偿的内容纳入其中，并广泛推行。早期的无功补偿采用的是三相补偿。

随着民用建筑中单相负荷大量增加，无功补偿的形式也逐渐发生变化。由于各单相负荷在各相上分配不平衡或者使用不同时，会导致三相不平衡。此时如果采用三相电容器进行三相补偿，取某一相的电流信号来判断功率因数并投切电容器，则对无功功率的补偿不够准确，会造成过补偿或欠补偿。因此单纯的三相已经无法满足实际需求，而应采用分相补偿或者混合补偿的方式，使补偿方案更为高效准确。混合无功补偿是一种灵活有效补偿方式，它比三相补偿准确，又比分相补偿经济，应用较为广泛。

选择合理的无功补偿设备、配置合理的补偿容量，既能减少电能损耗，又能保证电气设备安全、稳定的运行，因此无功补偿的设计至关重要。目前许多文献对无功三相补偿的设计提出了切实有效的方法，但是在混合无功补偿的设计方面谈及较少。

本文结合项目实际情况，提供混合无功补偿设备选择及补偿容量计算的思路，给出混合无功补偿设备中各元器件主要参数的确定过程，为设计人员正确配置无功补偿方案提供依据。

1 绿色建筑中无功补偿的一般规定

无功补偿能稳定电网电压，降低电网的无功损耗，因此无功补偿是绿色建筑设计的重要部分，许多地区的绿色建筑规范都对此有一定的要求。表1为浙江、上海、江苏、天津四个地区提出的无功补偿的设计要求。

不同地区无功补偿的设计要求对比 表1

从表1中可以看出，四个地区对于无功补偿的设置要求基本一致，但在细节上存在差异，同时江苏省对无功补偿设置要求的相关规定最为详尽。各地无功补偿的安装位置多为集中补偿或就地补偿，常规专用变电所设置集中补偿。对于三相不平衡或采用单相配电的系统，要求采用分相补偿或混合补偿。混合补偿中分相无功补偿的具体设置比例，按各地的标准执行。其中江苏省对混合补偿中分相补偿容量占总补偿容量的比例做了规定，而浙江省未有明确规定，可结合项目的不平衡度进行具体设置。此外，四个地区均要求无功补偿装置有一定的抑制谐波能力，在配置无功补偿设备时，单纯的电容器无法满足要求，需要串接适当参数的电抗器来抑制谐波。

综上所述，在实际项目实施中，设计人员应该根据项目所在地的规范要求，结合项目实际负载情况，选择合理的无功补偿设计方案。

2 补偿设备的分类

常用的补偿设备通常带有抑制谐波功能的低压无功补偿设备，根据其功能特点，可以分为接触器投切调谐滤波器、晶闸管投切调谐滤波器、无源滤波器、有源滤波器。

前两种调谐滤波器设备侧重补偿，均用于谐波含量较低的场所，但主要差别在投切电容器的元器件不同，由于晶闸管的动作时间比接触器的动作时间短，跟随负载的能力强，因此晶闸管投切调谐滤波器适用于负载变化较大的场所，接触器投切调谐滤波器，适用于负载相对稳定的场所。后两种滤波器设备侧重滤波，用于谐波含量较高的场所。无源滤波器适用于谐波次数相对确定的场所，有源滤波器适用于谐波次数变化较大的场所。

3 设备参数确定

以浙江某地学校项目为例，该学校项目总建筑面积8万m2，变压器总安装容量为4 500kVA，共设置4台变压器，其中两台1 000kVA，两台1 250kVA。按照浙江省DB33/1092-2016《绿色建筑设计标准》第3.0.5条的要求，政府投资的项目至少应满足二星级绿色建筑要求。学校系政府投资的公共建筑，因此按二星级绿色建筑要求设计。

一星级绿色建筑要求，“无功补偿宜在低压侧集中补偿；单相负荷较多的供配电系统，应设置适当容量的分相无功补偿”。二星级绿色建筑要求，“当单台或成组用电设备的无功功率大于100kvar，且距变压器较远时，宜就地补偿”。本项目无成组用电设备，单台设备最大容量是85kW，无功功率小于100kvar，故未设置就地补偿。仅在变压器低压侧进行集中补偿，补偿需采用单相三相混合补偿。

对学校而言，谐波含量较低，调谐滤波器已经基本满足绿色建筑设计的补偿滤波要求，同时学校的负荷相对稳定，而晶闸管投切电容补偿价格较贵，综合考虑，该项目的电容补偿柜采用接触器投切的调谐滤波器。接触器投切的调谐滤波器电气原理图如图1所示。

图1 接触器投切的调谐滤波器电气原理图

根据设备选型，进行以下参数计算。

(1)补偿容量

选取其中一台1 250kVA变压器，明确该变压器所带的负荷，并整理得到负荷计算表。根据《工业与民用供配电设计手册(第四版)》表1.11-3及式1.11-5，为使低压侧功率因素提高到0.95，该变压器低压侧设置的无功补偿总容量为368kVar。由于规范中对单相补偿容量的比例未做规定，因此结合项目实际情况综合考虑，单相补偿容量按总补偿容量的30%选取，则单相补偿容量为368×0.3=110.4kVar。

(2)电抗率

电抗率是谐波抑制的要求，为防止谐波放大，在电容器上串接一定容量的电抗器。一般3次谐波电容补偿装置的电抗率为14%，5次谐波电容补偿装置的电抗率为7%。由于厂家的生产标准不同，不同产品电抗率也略有差异。本项目为学校建筑，主要负荷为照明，三次谐波较多，因此电容补偿装置的电抗率K需在14%左右。根据本项目采用的设备选型样本，电抗率按14.8%选取。

(3)电容器的额定电压

根据GB 50053-2013《20kV及以下变电所设计规范》中5.1.2条的规定，“电容器的额定电压应按电容器接入电网处的运行电压计算，电容器应能承受1.1倍长期工频过电压。”同时，考虑到电抗器的升压作用，电容器的额定电压Ur为：

Ur=1.1Un/(1-K)

(1)

对于三相电容器，系统的标称电压Un为400V，则电容器的额定电压Ur=1.1×400/(1-14.8%)=516V，一般取525V。

对于单相电容器，电容器的额定电压Ur=1.1×230/(1-14.8%)=297V，一般取300V。

(4)电抗器的额定电压

根据GB 50227-2017《并联电容器装置设计规范》中5.5.4条的规定，“串联电抗器的额定电压和绝缘水平，应符合接入处的电网电压要求”，因此三相电抗器的额定电压为系统的标称电压，即400V。

对于电抗器而言，三相电抗器等同于三个单相电抗器分别接于各相，故单相补偿和三相补偿时，均可选用三相电抗器，两种情况下电抗器的额定电压为400V。

(5)电容器的数量

下面需确定单相补偿和三相补偿的电容器组数。

根据本项目采用的设备选型样本，电容器的额定容量有30、40、50、60、75、80、90、100、110kVar。

但是由于电容器的额定容量与实际输出容量相差较大，无法根据额定容量确定电容器的组数，因此需要对于设备上标注的额定容量进行换算。根据公式(2)：

(2)

可见额定容量为30kVar的电容器，其实际输出的电容补偿量远低于30kVar。为保证110.4kVar的单相补偿容量，则至少需选用6组额定容量30kVar的电容器，其实际补偿容量为6×20.44=123kVar，相当于每相补偿容量为61kVar。

确定了单相补偿容量，则可得到三相补偿容量为368-123=245kVar。

因此，需选6组额定容量60kVar的电容器，其实际补偿容量为6×40.88=245kVar。

由于电抗器是发热元件，为保证良好的散热，单个电容补偿柜的补偿容量一般控制在300kVar。此处总补偿容量超过300kVar，故按两个电容补偿柜设计。每个电容补偿柜配置1组单相补偿及3组三相补偿，单个电容补偿柜的容量为184kVar。

(6)熔断器的选型

根据GB 50053-2013《20kV及以下变电所设计规范》第5.1.4条，“并联电容器装置的总回路和分组回路的电器和导体的稳态过电流应为电容器组额定电流的1.35倍；单台电容器导体的允许电流不宜小于单台电容器额定电流的1.5倍”。

对单台额定容量30kVar的单相电容器，其额定电流为Ir=Qr/Ur=30×103/300=100A，则该电容器所选用的熔断器的额定电流不小于1.5×100=150A，取160A。

(7)接触器的选型

电容器接通时会产生瞬态充电过程，出现很大合闸涌流，同时伴有很高电流频率振荡，触头闭合过程中可能烧蚀严重，因此电容器组用的接触器需按AC-6b的使用类别选用。另外，接触器的额定工作电流需考虑稳态过电流。根据并联电容器标准和IEC标准，在过电压和谐波的共同作用下，电容器应能在有效值为1.3倍额定电流的稳态过电流下运行。如果考虑电容器容量的最大正偏差+10%，则稳态过电流允许值达到1.43倍的额定电流，因此对单台电容器稳态过电流规定为单台电容器额定电流的1.5倍。

综上，接触器的额定电流选择同熔断器，即单台单相电容器的接触器，额定电流取160A，单台三相电容器的接触器，额定电流取125A。

4 结束语