陳雪晴 柳貴東

摘 要：《全國供用電規(guī)則》規(guī)定，功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)的用戶會(huì)被罰款。為了降低無功損耗，一般在供電系統(tǒng)中并聯(lián)電容柜來提供無功補(bǔ)償。目前，電容柜還存在溫度控制不好而導(dǎo)致電容器出現(xiàn)鼓肚和滲液的現(xiàn)象。電容柜不能立即切斷電容，導(dǎo)致過補(bǔ)償。其沒有三相指示燈，不能監(jiān)視三相熔斷器是否損壞。因此，本文設(shè)計(jì)了MNS型電容補(bǔ)償柜。這種電容補(bǔ)償柜是MNS系列開關(guān)柜的一種。電抗器串聯(lián)電容來消除諧波，電容垂直擺放于通風(fēng)支架上，防止電容因散熱不足而發(fā)生故障。系統(tǒng)通過自動(dòng)功率因數(shù)控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，由接觸器控制電容進(jìn)行無功補(bǔ)償，防止向電網(wǎng)倒置無功，并通過三相指示燈的亮度監(jiān)視熔斷器是否損壞。經(jīng)過質(zhì)量檢測，補(bǔ)償柜的各項(xiàng)指標(biāo)都符合技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞：功率因數(shù);無功補(bǔ)償;開關(guān)柜;電容器

中圖分類號：TM561 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1003-5168（2021）09-0037-04

Abstract： The "National Electricity Supply and Utilization Regulations" stipulate that users whose power factor does not meet the standard will be fined. In order to reduce reactive power loss， capacitor cabinets are generally connected in parallel in the power supply system to provide reactive power compensation. At present， the capacitor cabinet still has the phenomenon of poor temperature control， which leads to bulging and liquid leakage of the capacitor. The capacitor cabinet cannot immediately cut off the capacitor， resulting in over-compensation. It does not have a three-phase indicator light and cannot monitor whether the three-phase fuse is damaged. Therefore， the MNS type capacitor compensation cabinet was designed in this paper. This capacitor compensation cabinet is a kind of MNS series switch cabinet. The reactor is connected in series with capacitors to eliminate harmonics， and the capacitors are placed vertically on the ventilation bracket to prevent the capacitor from malfunctioning due to insufficient heat dissipation. The system conducts real-time monitoring through the automatic power factor controller， the contactor controls the capacitor for reactive power compensation to prevent inversion of reactive power to the grid， and monitors whether the fuse is damaged through the brightness of the three-phase indicator light. After quality inspection， all indicators of the compensation cabinet meet the technical requirements.

Keywords： power factor;reactive power compensation;switch cabinet;capacitor

本設(shè)計(jì)采用并聯(lián)電容的三相共補(bǔ)方式進(jìn)行無功補(bǔ)償，由刀熔開關(guān)、控制器、接觸器、電抗器、電容器、避雷器和散熱回路等組成，與進(jìn)線柜并聯(lián)安裝來提高功率因數(shù)，對電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行起著舉足輕重的作用[1-3]。但是，市場上的電容補(bǔ)償柜還是存在一些缺點(diǎn)。例如，電容器沒有正確擺放，溫度控制不好，導(dǎo)致電容器陸續(xù)出現(xiàn)鼓肚和滲液現(xiàn)象，部分電容器被迫停用;電容柜不能立即切斷電容，導(dǎo)致過度補(bǔ)償;電容柜沒有放電指示燈，不能監(jiān)視電容器電源側(cè)的三相熔斷器是否損壞[1]。

本設(shè)計(jì)利用濾波電抗串聯(lián)電容來消除諧波，將電容器垂直擺放于通風(fēng)支架上，防止電容因散熱不足而發(fā)生事故。自動(dòng)功率因數(shù)控制器實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測，接觸器控制電容投切進(jìn)行無功補(bǔ)償，防止向電網(wǎng)倒置無功。指示燈顯示電容投切路數(shù)，通過亮度還可以監(jiān)視三相熔斷器是否損壞。隨著MNS型電容補(bǔ)償柜應(yīng)用范圍的不斷推廣，電容柜的使用價(jià)值日益凸顯，人們必然會(huì)對電容柜提出新的、更高的要求。

1 技術(shù)指標(biāo)

產(chǎn)品能夠安全、穩(wěn)定運(yùn)行，技術(shù)指標(biāo)起著重要的作用[4-7]。下文將對補(bǔ)償柜的技術(shù)要求、設(shè)計(jì)指標(biāo)、柜體結(jié)構(gòu)、元器件及布線規(guī)范等進(jìn)行具體分析。

1.1 技術(shù)要求

柜體尺寸為1 200 mm（寬）×1 000 mm（深）×2 200 mm（高），滿足IP3X防護(hù)等級。系統(tǒng)的額定電壓（交流電）為400 V，電容器端電壓（交流電）為480 V，電抗率為7%，采用三相共補(bǔ)的方式，有手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制功能。

1.2 設(shè)計(jì)指標(biāo)

補(bǔ)償裝置為封閉式戶內(nèi)成套設(shè)備，適合于三相對稱負(fù)荷的實(shí)時(shí)功率因數(shù)補(bǔ)償，根據(jù)負(fù)載無功和電壓波動(dòng)情況，自動(dòng)投切，保證功率因數(shù)超過0.95。結(jié)構(gòu)件采用阻燃骨架、無磁性材料，耐熱性高，穩(wěn)定性高，損耗低[8-10]。所有元器件和材料應(yīng)為阻燃和不燃的高品質(zhì)產(chǎn)品。

1.3 柜體結(jié)構(gòu)要求

柜體結(jié)構(gòu)是低壓開關(guān)柜的組合基礎(chǔ)，它既要滿足各電氣單元的組合功能要求，還要滿足柜體的固有要求[11-13]。柜體采用優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板折彎而成，厚度不小于2.0 mm，柜內(nèi)垂直母排采用TMY-T2系列硬銅排，規(guī)格見一次回路圖，如圖1所示。

1.4 元器件要求及布線規(guī)范

元器件是補(bǔ)償裝置的重要組成部分，它決定設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性[14-15]。布線規(guī)范使設(shè)備看起來美觀，也為以后的維修帶來便利。

無功補(bǔ)償控制器具備自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制方式。電源（交流電）范圍為100～415 V，采樣電壓輸入范圍為50～690 V，采樣電流為0～5 A，流互感器兩側(cè)轉(zhuǎn)化電流之間的比例（即CT變比）可設(shè)置為1 A或5 A，工作電壓為85～265 V，過壓設(shè)置在420～440 V，功率因數(shù)cos[φ]為0.9～1.0。

電抗器采用電抗率為7%的干式鐵芯三相電抗器，內(nèi)置溫度開關(guān)，其具備良好的抗諧波能力。額定電壓不低于600 V，額定頻率為50 Hz，額定誤差允許范圍為-0.2%～3%，噪聲不大于45 dB，絕緣等級為H級。

電容器采用圓形鋁質(zhì)外殼，屬于自愈式并聯(lián)三相電容器，每一相采用壓敏斷路技術(shù)，同時(shí)具備過壓開斷保護(hù)能力。額定電壓為480 V（電抗器電抗率7%），額定頻率為50 Hz，含放電電阻，使用壽命不小于15萬h，容量偏差允許范圍為-5%～5%，斷開電源1 min內(nèi)，放電電壓要低于75 V。

柜內(nèi)元器件排列整齊，布線規(guī)范有序，元器件、二次線路的標(biāo)識(shí)清楚，永久不脫落。柜內(nèi)母線、色標(biāo)、相序及二次布線規(guī)范等要滿足低壓開關(guān)柜技術(shù)要求。

2 MNS型電容補(bǔ)償柜元器件選型

MNS型電容補(bǔ)償柜主要由柜體、主母排、補(bǔ)償回路組成。柜體是開關(guān)柜的外殼骨架，能夠?qū)?nèi)部功能區(qū)域進(jìn)行劃分，支撐元器件。主母排是連接各開關(guān)元器件主回路的連接排。補(bǔ)償回路就是控制器智能控制接觸器的投切，讓電容組件進(jìn)行無功補(bǔ)償。

2.1 柜體和主母排規(guī)格

本設(shè)計(jì)柜體規(guī)格（寬×深×高）為1 200 mm×1 000 mm×2 200 mm。框架由C形柱、梁、鋁合金角位連接器構(gòu)成，均采用覆鋁鋅板壓筋材料，有效阻斷了框架的磁回路，柱、梁上的壓筋增強(qiáng)柱架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及柜體的穩(wěn)定性，使安裝更加簡單、方便。

主母排采用TMY-T2系列硬銅排，根據(jù)一次回路圖可知，銅排（1 200 W）的規(guī)格為：3×3 mm×10 mm×125 mm+2 mm×12 mm×100 mm。

2.2 元器件選型

本設(shè)計(jì)主要元件有刀熔開關(guān)、控制器、接觸器、電抗器和電容器等，它們對無功補(bǔ)償起著重要的作用。

刀熔開關(guān)選用ABB集團(tuán)的OS800D03P隔離開關(guān)熔斷器組，從結(jié)構(gòu)來看，它采用正面旋轉(zhuǎn)的操作形式，由操作機(jī)構(gòu)、觸頭系統(tǒng)和手柄三部分組成。熔斷器并列固定安裝在開關(guān)上，接通和分?jǐn)嚯娐妨碛幸惶子|頭。滅弧室是全封閉的，元器件之間的距離很小，也不會(huì)發(fā)生飛弧。

控制器選用北京英博的BKR 08G自動(dòng)功率因數(shù)控制器。它能夠智能計(jì)算出所需無功的補(bǔ)償容量，具備自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制方式。

接觸器選用ABB集團(tuán)的UA110-30-11 AC220 V交流接觸器，它是電容專用接觸器，能夠有效、及時(shí)控制電容的投切。

電容器的實(shí)際投切是有損耗的，所以電容器容量的計(jì)算公式為：

已知電容器額定電壓為480 V，電抗率為7%，負(fù)載電壓為380 V，預(yù)計(jì)一路電容計(jì)劃補(bǔ)償容量為30 kVAR，將相關(guān)參數(shù)帶入式（1），則電容器容量約為44.5 kVAR。

本設(shè)計(jì)的無功補(bǔ)償需要400 kVAR的容量，所以設(shè)計(jì)8路50 kVAR的電容器來進(jìn)行補(bǔ)償。本設(shè)計(jì)選用福州圖瑞工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備有限公司的HPCL 50.0-480-3P電容器。

本設(shè)計(jì)需要電抗率為7%的電抗器，每一路電容補(bǔ)償容量為50 kVAR，所以電抗器的容量計(jì)算公式為：

已知電容器設(shè)計(jì)容量為50 kVAR，電抗率為7%，則電抗器容量為3.50 kVAR。

因?yàn)橄到y(tǒng)的額定電壓為400 V，所以選用上海同垚電氣制造有限公司的LKSG-350-400/7三相電抗器。

2.3 元器件統(tǒng)計(jì)

上文對MNS型電容補(bǔ)償柜的主要元器件進(jìn)行選型，下面將對裝置的元器件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表1所示。

3 MNS型電容補(bǔ)償柜電路設(shè)計(jì)

本文將根據(jù)技術(shù)指標(biāo)的要求，設(shè)計(jì)主電路和控制回路電路圖，如圖2、圖3所示。

3.1 主電路圖設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)運(yùn)用于大型生產(chǎn)企業(yè)，三相用電設(shè)備使用量大，所以補(bǔ)償柜采用并聯(lián)電容的三相共補(bǔ)方式。系統(tǒng)設(shè)有八路補(bǔ)償回路，由控制器控制接觸器的吸合，讓電抗器串聯(lián)電容為電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償。因?yàn)槿嗷芈菲胶猓曰芈分袩o功電流相同，當(dāng)進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，電流只取三相中的任意一相。三相回路同時(shí)投切，可以保證三相電壓的質(zhì)量[2]。

3.2 控制回路電路圖設(shè)計(jì)

當(dāng)QS開關(guān)閉合時(shí)，KZQ自動(dòng)功率因數(shù)控制器得電，將實(shí)時(shí)從進(jìn)線柜讀取取樣電流[Iu]與取樣電壓[Uv]、[Uw]，自動(dòng)計(jì)算功率因數(shù)。如果功率因數(shù)小于0.95，那么控制器將智能控制接觸器動(dòng)作，從而控制電容器對電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償。

當(dāng)電容器投入電網(wǎng)時(shí)，對應(yīng)的三相指示燈亮。若三相電壓缺相，則對應(yīng)路數(shù)的三相指示燈亮度也會(huì)變暗，人們可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)。電抗器串聯(lián)在電容器上的作用是抑制諧波干擾。測量回路的電流互感器可以檢測三相電流的情況并在電流表中顯示結(jié)果，精密電流互感器所測得的數(shù)據(jù)被傳輸至后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)。

溫濕度控制器會(huì)對環(huán)境溫濕度自動(dòng)進(jìn)行采樣和及時(shí)監(jiān)控。當(dāng)工作環(huán)境溫度高于溫度設(shè)定值時(shí)，風(fēng)扇得電，開始轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)工作環(huán)境溫度低于溫度設(shè)定值（回差值）時(shí)，風(fēng)扇停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

4 結(jié)論

隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的快速推進(jìn)和國民經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，電網(wǎng)中的感性負(fù)載越來越多，導(dǎo)致電能損耗的數(shù)值越來越大。并聯(lián)電容器擁有容量組合靈活、安裝維護(hù)方便、有功功率損耗小等優(yōu)點(diǎn)，因此被普遍使用。根據(jù)市場上補(bǔ)償柜存在的缺點(diǎn)，本文做了以下創(chuàng)新。一是在并聯(lián)電容前串聯(lián)電抗器，不僅可以防止電容器和用電系統(tǒng)發(fā)生串、并聯(lián)諧振，以免諧波被放大，使并聯(lián)電容的電流過載而損壞，還可以限制涌流;二是在電容組中并聯(lián)三相指示燈，不僅方便查看電容的投切情況，還可以為電容器放電，同時(shí)通過燈的亮度監(jiān)視三相熔斷器是否損壞;三是采用BKR 08G自動(dòng)功率因數(shù)控制器，自動(dòng)計(jì)算功率因數(shù)，防止電容過補(bǔ)償或欠補(bǔ)償。經(jīng)過質(zhì)量檢測，產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)都符合國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)指標(biāo)的要求。

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