民用建筑中电容器电抗率的选择

建號电芝/
2D19年第5期BUILDING
ELECTRICITY
民用建筑中电容器电抗率的选择
付明民(同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，上海市200092)
Selection of Reactance Rate of Capacitor in Civil Buildings
FU Mingmin(Tongji Architectural Design(Group)Co.,Ltd.,Shanghai200092,China)
Abstract:The selection of reactance rate directly affects the function of electric reactor and the safe and stable operation of system.In this paper, the effect of series reactor on harmonic wave inhibition is analyzed,and the method for selecting reactance rate is proposed.
Key words:civil buildings；capacitor；electric reactor；reactance rate；power factor；harmonic wave；harmonic current；resonance point
摘要：电抗率选择正确与否直接影响着电抗器的功能和系统的安全稳定运行，本文对串联电抗器抑制谐波的作用进行分析，并提出电抗率的选择方法。

关键词：民用建筑；电容器；电抗器；电抗率；功率因数；谐波；谐波电流；谐振点
中图分类号：TM477文献标识码：A
doi：10.3969/j.issn.1003-8493.2019.05.007
0引言
为了减少输电线路中的无功损耗，通常供电部门要求民用建筑中变压器高压侧功率因数需要提高到0.9以上，为此，电力电容器得到了广泛应用。

随着电力电子技术的广泛应用与发展，供电系统中增加了大量的非线性负载，非线性负载会使负载电流产生畸变，按照傅立叶级数分解与合成，周期性畸变电流可分解为不同倍数工频电流，基频电流之外的其他频率电流即为谐波山。

在并联电容器装置的回路中串联电抗器，可以有效抑制高次谐波和限制合闸涌流，防止谐波对电容器造成危害，避免电容器装置的接入对谐波的放大和谐振的发生，但串联电抗器不能和电容器组任意
组合，需考虑电容器组接入处的谐波背景。

如果电抗器使用不当，电容器组会对谐波起放大作用，严重时会发生谐振，造成电容器组的损坏或无法工作，甚至危及附近其它电气设备的安全。

本文从串联电抗器抑制谐波的作用进行分析，并提出电抗率的选择方法。

1民用建筑中的主要谐波源
民用建筑中谐波次数主要为奇次谐波：①电力变压器，特征频率为150Hz（3次谐波）；②荧光灯，特征频率150Hz（3次谐波）；③整流装置、变频装置、电子办公设备等，特征频率为250Hz或550Hz （5次或11次谐波）。

一般而言，非线性配电设备和非线性用电负载导致配电系统中的谐波电流，而谐波电流流经配电系统的阻抗，又导致了谐波电压。

谐波电流导致配电变压器的温升增加，这一现象对于D,ynll型变压器尤为显著。

对于D,ynll型变压器，3次及3的倍数次谐波电流会在三角形绕组内形成环流，从而有效阻断3次及3的倍数次谐波电流在变压器两侧之间的传递；阻止了低压侧的3次及3的倍数次谐波电流对高压侧公用电网的影响。

但这些谐波功率只能通过热效应等方式予以消耗，因此在同等谐波状况下此类变压器将比其他结线方式的变压器承受更高的温升。

2串联电抗器抑制谐波原理分析
在同一条母线上有非线性负荷形成的谐波电流源时（电阻忽略不计），并联电容器装置的简化模型如图1所示。

工程师。

作者信息
付明民，男，同济大学建筑设计研究院（集丙）有限公司，30
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(a)谐波原理图(a)Schematic diagram of harmonic wave
(b)谐波等效电路图(b)Equivalent circuit diagram of harmonic wave
图1系统原理图及简化电路模型
Fig.1System schematic diagram and
simplified circuit model
流入电容器组的谐波电流厶n与流入系统的谐波
感性支路容性支路
非放大放大非放大
4放大非放大
电流I sn分别为:
nXs
必+(nX L-X c/n)
图2谐波电流随y值变化曲线
Fig.2Curves of harmonic current with change of value y
/=/_nX.-XJ]——（1）nX s+（nX L-X c/n）
式中：n——谐波次数；
/…—
—谐波源的第n次谐波电流；
壘一系统等值基波短路电抗；
Xc—电容器组基波容抗；
Xi—
—串联电抗器基波电抗。

令.nX L-X c/n（2）'nX s
得：=—（3）
i n i+y人丨+y
由式（3）可得出I cn/I n与Mn随丫变化的曲线，如图2所示。

由式（2）可得岀：
当y =-2时,由式（3）得：Icn//n=-1,Z9n/I n =2,即流入电容器组的谐波电流与谐波源电流相同，流入系统的谐波电流被放大了2倍。

由式（4）得此时谐波次数巾为：
n=ri\=X。

/—（X l+2Xs）~（5）
当y<-2时，由式（4）、式（5）可得出此时谐波次数n<m,由式（3）及图2可以得出：：<人、]<厶丄<2,即流入电容器组的谐波电流厶“缩小了，厶流入系统的谐波电流厶n被放大了，但放大得不多，
放大倍数为1~2之间。

说明谐波源的谐波电流仅有
部分流入电容器支路，大部分流入系统，电容器支路
没有起到滤波的作用。

当y=-l时，由式（3）及图2可以得出：若
I n^0.则心=8,厶厂*，电容器支路与系统发生
并联谐振。

由于实际电路中系统存在等值电阻，/“、
An实际为有限量大值。

由式（4）可得出此时谐振点
的谐波次数必为：
n-n0-\/Xc/（X l+島）（6）
由式（6）可以得出，谐振点的谐波次数与系统
等值基波短路电抗島、电容器组基波容抗Xc、串联
电抗器基波电抗X l有关；在Xs、Xc不变的情况下，
串联电抗器基波电抗X l越大，谐振点的谐波次数越
低。

因此，可通过串联电抗器的电感量X l大小控制
谐振点的谐波次数，从而可以避开谐波源中的各次谐
波在谐振点发生谐振。

当-2<y<-1时，由式（4）、式（5）及
式（6）可得出：此时«!<zi<n0,由式（3）及图2可
得出流入电容器组的谐波电流I cn与流入系统的谐波
电流都被严重放大了。

当y=-0.5时,由式（3）得：Z cn//n=2,I sn/I n
=-1,由式（4）得此时谐波次数“2为：
n-n2=（2血+心）（7）
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建貌电？;
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当- l<y <-0. 5时，由式（4）、式（6）及 式（7）可得出：此时n u <n< n 2,由式（3）及图2 可得出：此时流入电容器组的谐波电流/<. n 与流入系
统的谐波电流人都被严重放大了。

当 y = 0 时，由式（3）得：/5=/”，/sn = 0,电 容器与串联电抗器发生串联谐振，由式（4）可得出
此时谐振点的谐波次数为心为：
此时谐波电流完全流入电容器支路，流入电容器 组的谐波电流/cn = /…,流入系统的谐波电流厶n 为0
当-0.5<y<0时，由式（4）、式（7）及式（8）
可得出：血< n 5 此时，由式（3）及图2可得出：
1<&亠<2、/sn </…,即流入电容器组的谐波电流厶“
人被放大了，但放大得不多，放大倍数为1~2之间，
流入系统的谐波电流/sl ,缩小了。

说明谐波源的谐波 电流仅有部分流入系统，大部分流入电容器支路，电 容器支路起到滤波的作用。

当 y=l 时,由式（3）得：/rn = 0.5/,,, /sn = O.5 7n ,
由式（4）得此时谐波次数皿为：
n = n 4= \/（血-Xs ）
（9）
当0 <y<l 时，由式（4）、式（8）及式（9）可
得出：此时心<“<m ；当y>l 时,由式（4）、式（9） 可得出：此时" >心；由式（3）及图2可得出：当 0<y< 1及y M 1时，流入电容器组的i 皆波电流与
流入系统的谐波电流75…都缩小了，说明电容器对谐
波电流不起放大作用，电容器支路起到滤波的作用。

3电抗器的选择
安装在民用建筑中的电容器组串联电抗器，宜选 用设备外漏磁场较弱的干式铁芯电抗器
串联电抗器的额定电压和绝缘水平，应符合接入 处的电网电圧要求。

串联电抗器的额定电流应等于所 连接的并联电容器组的额定电流.其允许过电流不应
小于并联电容器组的最大过电流值。

民用建筑中电容器组串联电抗器的电抗率：K =显
（10）
由串联电抗器抑制谐波原理分析町得出.若要使
电容器支路起到滤波的作用并使流入电容器组的谐波 电流不被放大.需要使谐振点的谐波次数n 工心, 由式（8）得：n M “3 = 7X&X\_ = 1 / VF
BP: A'= 4
（11）
n
当民用建筑中主要谐波次数为3次及以上谐波
时，由式（11）得：此时K M 11. 11 % ,即选用电 抗率不小于11. 11%的电抗器；当民用建筑中主要
谐波次数为5次及以上谐波时，由式（11）得：此时
KM4%,即选用电抗率不小于4 %的电抗器“
根据GB 50227 - 2017《并联电容器装置设计规 范》规定，串联电抗器电抗率的选择，电抗率取值范
围如下：
a. 仅用于限制涌流时，电抗率宜取0. 1%~1%0
b. 用于抑制谐波时，电抗率应根据并联电容器
装置接入电网处的背景谐波含量的测量值选择。

当谐 波为5次及以上时，电抗率宜取5%；当谐波为3次
及以上时，电抗率宜取12%,亦可采用5%与12.0%
两种电抗率混装方式°：。

民用建筑中，并联电容器组电抗率根据不同的厂
商产品，有7%、14%等，根据串联电抗器抑制谐
波的作用分析，笔者认为，对于背景谐波主要为3次
及以上时，可选择电抗率为12%及以上的电抗器；
对于背景谐波主要为5次及以上时，可选择电抗率为
5%及以上的电抗器。

一般电容器组电抗率越大，产 品越贵，合理地选择电抗率，可以避免电容器组对谐
波的放大和谐振发生。

4在项目中的应用
正荣集团虹桥商务区核心区北13地块项目，建
筑高度为23. 4 m,总建筑面积约为145 634 nr 地下 1层，地上5层，用途为、办公;，本项目谐波源主要为
5次、11次谐波。

本项目在地下1层设置4处10/0.4kV 变配电所，变配电所内共设有1 600 kVA 干式变压器
4台，1 250kVA 干式变压器2台，800 kVA 干式变压
器2台。

10/0.4k V 变压器均采用低损耗的D, ynll 接线SCB10变压器，变压器为环氧树脂浇铸低噪低
耗且带强迫通风装置及IP3X 外保护罩，在变压器低 压侧设置成套静电电容器自动补偿装置，减少无功损
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288 http: // www. jzdq. net.
cn
o GB51309-2018学习GB51309-2018《消防应急照明和疏散指示系统技术标准》
国家标准GB51309-2018《消防应急照明和疏散指示系统技术标准》自2019年3月1日起实施，由应急管理部负责日常管理，应急管理部沈阳消防研究所负责具体技术内容的解释。

GB51309-2018国家标准编制组委托建筑电气杂志社组织全国宣贯活动，并收集整理宣贯过程中大家反映比较集中的问题，由GB51309-2018国家标准编制组以“GB51309-2018问答”的形式陆续在《建筑电气》杂志及建筑电气杂志微信公众号上发布，以帮助大家正确理解和执行GB51309-2018国家标准。

问题1：GB51309-2018《消防应急照明和疏散指示系统技术标准》（以下简称《技术标准》）第3.3.7条要求灯具采用口带蓄电池供电时，防烟楼梯间/封闭楼梯间应急照明配电箱应/宜独屯设置，集中电源是否也应如此设计？
解答：蓄电池电源是就地电源，被认为是最可靠的电源；应急照明配电箱电源来自于变电所，可能经过了2级或3级配电，其输入电源一旦失去，则所有的支路都同时失电。

集中电源的每个支路都相当于1级配电，其可靠性高于配电箱。

所以，一台集中电源可以为不同疏散单元内设置的灯具供配电，但是配电回路的设置需符合《技术标准》的相关规定。

问题2：同一防火分区内楼梯是否可以共用一台应急照明呢电箱？如果不行，剪刀梯是否应设两台配电箱？
解答：（1）按照建筑安全疏散的设计要求，一般同一防火分区内的人员至少应利用两个不同部位的竖向楼梯间进行疏散，竖向楼梯间分为敞开楼梯间、封闭楼梯间及防烟楼梯间等几种形式。

当采用防烟楼梯间时，楼梯间应单独设置应急照明配电箱；当采用封闭楼梯间时，楼梯间宜单独设置应急照明配电箱；当采用敞开楼梯间时，敞开楼梯间可以与位于同一防火分区的一个楼层或几个楼层共用一个应急照明配电箱，但配电回路的设置需符合《技术标准》的相关规定。

（2）剪刀楼梯间是一种结构形式比较特殊的楼梯间，从安全疏散设计的角度而言，应按两个独立的楼梯间考虑，因此，不同的楼梯间内应分别设置独立的应急照明配电箱问题3：《技术标准》3.3.7条第4款2）：应急照明配电箱的毎个输出冋路对以跨越8个防火分区，这样理解对否？
解答：《技术标准》中不允许系统的配电回路跨越防火分区，即同一配电回路不能穿越不同的防火分区为相应防火分区内的灯具供电。

电气竖井在建筑结构上与不同楼层的防火分区间有有效的防火隔离措施，且不属于任何一个防火分区。

配电回路沿电气竖井垂直敷设为不同楼层（防火分区）的灯具供电，不能理解为跨越防火分区。

GB51309-2018国家标准编制组
建筑电气杂志社
耗，以低压集中补偿形式使高压侧功率因数提高到
（）.9以上。

电容器输出容量按照变压器容量的30%选取，自动过零投切。

本项目采用电抗率为7%电抗器，谐振点为189Hz,抑制5次及以上谐波。

经业主实际使用反馈，选择7%电抗率的电抗器有效抑制了5次及以上谐波，变配电设备正常稳定运行，是合理的。

5结语
民用建筑中，随着电力电子技术的广泛应用与发展，供电系统中增加了大量的非线性负载，电容器组选择合理的电抗率电抗，对于抑制谐波，减少谐波对公用电网的污染，避免电容器组因谐波发生谐振，保证电力设备的稳定运行有重要意义。

金
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