功率因数校正电容器组：如何降低无功功率成本

功率因数校正电容器组是停止支付您从未实际使用过的电费的最快方法。如果您的公用事业账单包含无功功率附加费，或者您的变压器运行温度比铭牌上规定的温度更高，则无功功率就是原因。本指南将引导您了解无功补偿设备的用途、如何在固定电容器柜、APFC 面板和静态无功发生器之间进行选择，以及在采购订单中添加哪些内容。

为什么功率因数不佳会给您带来比您想象的更多的损失

您的公用事业公司不仅仅向您收取机器消耗的千瓦时费用。大多数工业关税还会惩罚无功功率，即电机和变压器从电网获取但从未转化为有用功的 kVAR。当功率因数低于公用事业阈值（通常为 0.85 或 0.90）时，罚款附加费将逐行显示在您的每月账单上。

数字加起来很快。罚款通常会使商业电费增加 5% 到 15%，对于每月 5,000 美元的电费来说，这意味着每月有 250 到 750 美元的死钱。这还不包括二次损坏：电流过大导致的电缆损耗增加、视在负载增加导致变压器过热，以及生产过程中导致敏感设备跳闸的电压下降。

解决办法是从源头上进行无功功率管理。您无需从电网获取无功功率，而是通过电容器组在本地生成无功功率。公用事业公司看到了更清洁的负载。对于相同的生产输出，您的电缆承载的电流更少。处罚停止。

功率因数校正电容器组的工作原理

电容器组是与交流母线并联连接的电力电容器的组件。电容器存储和释放无功能量，这与感性负载的作用正好相反。将它们并排放在同一辆公共汽车上，它们就会相互抵消。

“功率因数”的实际含义是： 有功功率 (kW) 是机器所做的功。视在功率 (kVA) 是您的公用事业公司提供的功率。功率因数是 kW 除以 kVA 的比率。对于相同的生产产量，以 0.75 功率因数运行的工厂通过其电缆消耗的电流比统一运行的工厂多 33%。

当您在主配电盘上连接 功率因数校正电容器组时 ，来自电容器的无功电流会抵消来自电机的无功电流。电网的净无功消耗下降。功率因数上升。

要点： 功率因数校正电容器组是与交流电力系统并联连接的电容器开关装置组件，可在本地产生无功功率，减少从公用设施汲取的无功电流，并将系统功率因数提高到1（1.0）。

无功补偿设备的三种类型

并非每个负载都适合相同的解决方案。固定电容器柜、APFC 面板和静态无功发生器之间的选择取决于负载的变化程度及其变化速度。

固定电容器组（电容器柜）

固定电容器柜将设定的 kVAR 值连续连接至母线。没有控制器，也没有开关。当您的无功负载全天稳定且可预测时，它效果很好。

固定银行的风险是矫枉过正。如果您的负载在夜间或周末下降，电容器柜会继续向较轻的系统注入相同的 kVAR。功率因数领先。一些公用事业公司对超前功率因数的处罚与对滞后功率因数的处罚相同。

当您的负载曲线平坦且在选型前已使用电能质量分析仪测量了基线无功需求时，请使用固定电容器组。

APFC面板（自动功率因数校正面板）

APFC 面板是一个完整的 无功功率补偿设备 组件，配有微处理器控制器，可实时监控功率因数并切换电容器组的进出，以保持目标设定点（通常为 0.95 滞后）。

每一步都是一组电容器，通常为 25 至 200 kVAR，通过 CJ19 电容器专用接触器进行切换。当功率因数下降时，控制器增加一个阶跃。当负载落下时，它会移除一个负载。面板总额定值范围为 50 至 2,000 kVAR。

对于大多数工业设施来说，这是正确的解决方案：电机负载可变的工厂、批量循环的农产品加工厂、泵需求波动的水处理站。控制器自动防止过度校正。

静态无功发生器（SVG）

静态 无功发生器 使用基于 IGBT 的电力电子设备来连续、无级地产生或吸收无功功率。响应时间低于 10 毫秒。不存在电容器切换瞬变，也不存在机械触点磨损。

SVG 还可以处理电容器组无法完成的任务：它可以抑制电弧炉和大型电机启动时的电压闪变，补偿电压不平衡，并且可以根据 SCADA 的需求注入和吸收无功功率。

SVG 是钢铁厂、焊接线、采矿提升机或任何负载变化速度快于开关电容器系统跟随速度的应用的正确选择。

如何确定低压电容器组的尺寸

无功功率补偿设备的选型需要三个输入：现有功率因数、目标功率因数和有功负载（kW）。从主要收入来源的 7 天电能质量日志中获取这些信息，而不是单个点读数。

尺寸计算公式：

Q_c (kVAR) = P (kW) × [tan(φ₁) − tan(φ2)]

其中 φ₁ 是现有功率因数的角度，而 φ2 是目标的角度。

工作示例：

添加 10% 至 15% 的裕度以考虑负载增长和失谐电抗器中的 kVAR 损耗。对于谐波较多的站点，不要一步调整整个 300 kVAR 组，因为单个大开关事件会产生电压瞬变。请改用 6 到 8 个较小的步长，每个步长为 50 kVAR。

订购无功补偿设备之前要检查什么

第一步是获得正确的 kVAR 大小。当您编写采购订单时，这些规格同样重要。

额定电压： 您的系统电压（380 V、400 V、415 V 或 690 V）必须与电容器组完全匹配。 415 V 系统上的 400 V 电容器以 6% 的过压运行。即使是中等程度的过压，电容器的寿命也会急剧下降。

电容器标准： 指定 IEC 60831。符合 IEC 60831 标准的自愈式金属化聚丙烯薄膜电容器的设计寿命为 60,000 至 100,000 工作小时，并包含内置过压隔离开关。

组装标准： 完整的电容器柜必须符合IEC 61439-1/-2。这涵盖了整个组件（而不仅仅是单个组件）的母线尺寸、内部隔离和温升限制。

失谐电抗器： 如果您的站点有 VFD、UPS 系统、整流器或焊接负载，请在每个电容器级上指定失谐电抗器。如果没有它们，电容器组就会与系统谐波产生谐振，从而放大失真并在几个月内损坏电容器。具有主要五次谐波的 50 Hz 系统的标准调谐为 189 Hz（7% 失谐系数）。

接触器类型： 标准电机接触器不适用于电容器切换。指定CJ19电容器专用接触器。它们在建立主触点之前通过内置电阻器对电容器进行预充电，从而抑制浪涌电流，否则浪涌电流会对电介质造成压力并触发上游保护。

IP 等级： IP41，适用于洁净的室内配电室。如果开关室有灰尘、湿气或附近过程产生的空气颗粒，则为 IP54。

失谐电抗器和谐波：大多数买家错过的

这是我们在使用 VFD 的站点上最常见的错误。买家正确确定了银行的尺寸并安装了它，三个月内就出现了电容器烧毁和令人讨厌的跳闸。

问题是谐波共振。您的 VFD 会产生 5 次和 7 次谐波电流。电容器组具有固有谐振频率。当这些对齐时，谐波电流会放大，有时放大 5 到 10 倍，电容器会受到全面打击。

失谐电抗器将谐振频率移至 5 次谐波以下，在 50 Hz 系统上移至 189 Hz。谐波放大停止。电容器仅看到基频。

对于谐波严重（THD高于10%）的场所，纯电容器组加失谐电抗器可能还不够。在这种情况下，请考虑将 电容器组 与 有源谐波滤波器配对，这样可以从源头消除谐波，而不是使其失谐。

将电容器组与 SVG 相结合

一些工厂已经拥有固定电容器组或较旧的 APFC 面板，需要处理新的可变负载，例如配备大型 VFD 的第二条生产线。在这种情况下，在现有银行旁边添加一个较小的 SVG 通常比更换整个系统更具成本效益。

SVG 处理反应性需求中快速、可变的部分。固定银行处理基线。 SVG控制器与现有APFC控制器配合，防止同时补偿和过度校正。

这种混合方法适用于添加冷藏压缩机的农产品加工厂，或在现有固定补偿开关室添加变速泵驱动器的自来水公司。

常问问题

• 电容器组和电容器柜有什么区别？

电容器组是无功功率产生元件，即电容器本身。电容器柜或电容器补偿柜是容纳电容器、接触器、保护装置、控制器和母线的完整外壳。这两个术语有时可以互换使用，但当您从制造商处订购时，您订购的是完整的机柜组件。

• 我可以安装没有失谐电抗器的电容器组吗？

您可以，但前提是您的站点没有 VFD、UPS 系统、整流器或其他非线性负载。如果您有其中任何一个，失谐反应堆就不是可选的。如果没有它们，谐波谐振会损坏电容器并使保修失效。

• 我应该在 APFC 控制器上设置什么功率因数目标？

设置 0.95 滞后。轻载时超过 0.97 的功率因数可能会导致功率因数领先，一些公用事业公司会对此进行处罚。 Unity (1.0) 不是 APFC 面板的实际目标。

• 功率因数校正电容器的使用寿命有多长？

根据 IEC 60831 标准，自愈聚丙烯薄膜电容器的额定工作时间为 60,000 至 100,000 小时。在清洁、通风、温度为 25 至 35°C 的开关室中，预计可使用 10 至 15 年。在炎热或多尘的环境中，或有持续谐波的场所，请规划 5 至 8 年。

• 什么时候静态无功发生器比电容器组更有意义？

当负载变化快于 1 至 10 秒时。电弧炉、轧机、大型焊接线和采矿提升机会在几毫秒内改变无功需求。步进电容器系统无法跟上。 SVG 就可以。

• 世界银行和非洲开发银行项目是否需要无功补偿设备的特定认证？

是的。由资助的项目 世界银行 或 非洲开发银行 通常需要符合 IEC 61439 标准的组件、工厂验收测试 (FAT) 报告以及来自 SGS 或必维国际检验集团等机构的第三方检验证书。下订单之前，请确认项目规范中的文档要求。

最后的想法

在确定任何大小之前，先获取 7 天的电能质量日志。稳定负载和可变负载之间的差异决定了固定电容器柜、 APFC 面板还是 静态无功发生器是否 是正确的选择。