用于电容补偿柜的低压断路器

随着社会的发展,对工业化的要求程度越来越高,各种电器的使用使人们对电力的需求和依赖性都越来越大。在电力供电系统中,为了提高电网的功率因数,节约电能,提高供电质量,改善供电环境,无功功率补偿装置被广泛应用于电力供电系统。

无功补偿的具体实现方式主要为: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。

目前,低压无功补偿内使用的电力电容器装置,经常会选用微型断路器作为保护,也经常发生一些事故和灾害。为了让潜在的危害尽可能地少发生,需要了解微型断路器相关知识及保护特性,也要了解电力电容器的配套要求。

用于低压补偿柜内的断路器,主要是用来保护其内部的电力电容器及其相关电气元件。

根据GB 50227—2008的4.2.9的条款要求,低压并联电容器装置宜装设以下配套元件:总回路刀开关和分回路投切器件、操作过电压保护用避雷器、短路用的保护熔断器、过载保护器件、限流线圈、放电器件及谐波含量超限保护、自动投切控制器、保护元件、信号和测量表计等配套器件,接线图如图1所示。

在图1中,QS为刀开关或隔离开关,TA为电流互感器,FV为避雷器,FU为熔断器,L为电抗器或限流线圈,KM为交流接触器,FR为热继电器,C₁、C₂、…、C_n为电容器,TV为放电线圈,HL为照明指示灯。

根据GB 50227—2008的5.3.1要求,应用于并联电容器装置的断路器选型,应采用真空断路器或SF₆断路器等适合于电容器组投切的设备,其技术性能应符合断路器共用技术要求,尚应满足下列要求:

(1)应具备频繁操作的性能;

(2)合、分时触头弹跳不应大于限定值,开断时不应出现重击穿;

(3)应能承受电容器组的关合涌流和工频短路电流以及电容器高频涌流的联合作用。

目前电容器配套有以下几种用法:

如图1所示,总线回路开关使用框架式断路器ACB替代刀开关QS,用塑壳断路器(MCCB)替代熔断器FU和电抗器L,用微型断路器(MCB)替代接触器KM和热继电器FR。

如图1所示,他们使用MCB替代熔断器FU和电抗器L,其它不变。

按图1所示,使用刀熔开关替代刀开关QS,用微型断路器MCB替代熔断器FU和电抗器L,其它不变。

即图1所示,此种情况最为合理。

作为总回路刀开关QS是对总回路电流的接通和分断。

熔断器FU主要是对分回路进行过电流保护,它是根据电流的热效应工作,当电流超过规定值一段时间后,以其自身产生的热量使熔体熔化,从而使电路断开;它的优点为:价格低廉、过电流保护效果好(因为动作快速且分断短路电流时,不产生喷弧,对其周边元件和设备不会产生伤害);缺点为:安装不太方便,反时限电流保护范围小,分断短路电流后,需要更换熔体,不能实现遥控。

避雷器FV主要用来抑制电气回路中产生的操作过电压。

电抗器L主要用来限制电网电压突变和操作过电压引起的电流冲击;另外,电抗器也是用来抑制谐波以及用来限制电容器合闸时过高的涌流值。

接触器KM主要用来对电气回路进行快速接通和断开的频繁操作控制。

热继电器FR主要利用电流的热效应对电气回路进行过载保护。

放电线圈TV与电容串联,起放电作用,就是当系统断电的时候,放电线圈可以卸除电容里的剩余电量。

电容器在投切运行时,在投入瞬间出现较高的频率和较大幅值的电流(涌流)和过电压,严重时伴随谐波的产生。

按GB 50227—2008的5.5.3要求,电容器合闸涌流最高可达到电容器组额定电流的20倍。

另外,电容器作为容性载荷,负载超前电压的相位角为90°,对线路上的元件产生较大的伤害。

在上述第2章节(1)、(2)、(3)中,都为取消熔断器FU及电抗器L,如此,电网电压突变、操作过电压引起的电流冲击及涌流等直接施加给断路器,断路器容易受到过度伤害而造成保护失效;另外,断路器在分断短路电流瞬间会产生喷弧,对电容柜内其它元件造成伤害。

对上述第2章节(1),由于取消接触器KM,MCB为非频繁操作元件,此场合下,MCB因为频繁通断电流易受到伤害而造成保护失效;且由于去除热继电器FR,电流的热效应对电气回路中的元件伤害而不能及时被保护,从而发生电气事故。

用于保护电容器装置的MCB,在选用时要注意以下方面:

(1)MCB只能用于保护中小型容量的电容器载荷系统,容量一般为40 kvar以下。

(2)注意电气配套元件的选用,见图1,用MCB替代熔断器FU,但电抗器L、接触器KM、热继电器FR等应保留。

(3)尽可能选用额定短路分断能力不低于10 k A的MCB。

(4)要根据电容器的规格,确定选用合适技术参数及规格的MCB。

(5)选用的电容器及接触器应符合GB 50027的相关要求。

(6)电容柜内的连接导线或汇流排应符合相关GB 7251.1—2013、GB 7251.12—2013等标准要求,型号规格正确,安装接线及带电导体间的电气距离等应符合标准及规范要求。

(7)所有配套元件及电容器安装完毕,需要仔细检查,对电容器的放电部件进行放电(除非此电容器本身有自动放电的部件),确定无误后,人工进行试运行,此步骤要注意操作元件的次序,具体为:首先闭合MCB—关上电容柜门—总回路控制开关(刀开关或隔离开关)合闸—电容器控制器得电—转换柜组控制开关,使电容器投入切换工作。

运行过程中有异常情况,应立即停止,断电检查,故障排查完毕,要对电容器的放电部件进行放电(除非此电容器本身有自动放电的部件,此点要注意,曾经见到运行检查人员,在未对电容器的放电部件进行放电的情况下,直接闭合MCB,导致MCB当场爆炸,喷出的电弧伤害临近的MCB即柜体底板,幸而未伤害到人体,事故未扩大)。

在试运行时,对于一台电容柜内有多组电容器的情况,不要同时启用让多组电容器同时切换投入工作,要依次、逐组性地让其切换投入工作。

根据标准要求,选用断路器的额定电流为(1.37~1.5)I_c(I_c为电容器额定电流),实际中常常取用I_n=1.5I_c。

如电容器未标明额定电流,可通过下述的公式计算:

式中:Q—电容器的容量,kvar;

U—电容器的工作电压,kV。

示范举例:有一台电容器,工作电压为400 V,容量30 kvar,求其额定电流。

根据公式(1):

实际上,可以根据电工手册的经验公式来估算,其估算公式:

如上例,I_c=1.5Q=1.5×30=45(A)。

根据5.1中的公式(2),可用MCB来保护的电容器最大容量(目前短路分断能力为10 k A及以上的MCB,其额定电流为63 A):

Q=63×2/3=42(kvar)。

则电容器最大容量规格为40 kvar。

但在实际应用中,可能涉及一些影响因素,如高温环境、密闭柜体内散热不良等影响因素,需要对选用的保护断路器降容使用,一般根据使用的环境及场合,降容系数约为0.9。

随着短路高分断能力MCB的问世,MCB用于保护电容器载荷的场合也会越来越多,但要真正让MCB正常用于该场合,且发挥其应有的保护效果,要有一个过程,这也是MCB生产厂家与低压无功补偿柜的生产公司共同研究的课题。这不仅需要提高MCB的短路分断能力,还需要解决其在分断额定短路电流时,不能有明显喷弧。