串聯(lián)電容器及成套裝置技術課件

串聯(lián)電容器及其成套裝置介紹高和平

西安西電電力電容器有限責任公司西安西電電力電容器有限責任公司串聯(lián)電容器及其成套裝置介紹（一）串聯(lián)電容器（二）高壓串聯(lián)電容器裝置1串聯(lián)補償裝置發(fā)展簡介隨著交流電力系統(tǒng)的發(fā)展，輸、配電線路的長度不斷增長，相應的線路阻抗隨之增大，使線路的輸送能力受到限制。在中低壓電網(wǎng)中由于線路阻抗的增大，使電壓質(zhì)量不能保證，從而限制了線路的送電能力，在高壓遠距離輸電線路上，很大的線路阻抗限制了系統(tǒng)的穩(wěn)定極限。

1920年，美國H.M.Hobart提出將電容器接在配電變壓器上，以減輕變壓器負荷。

1928年3月，美國紐約電力和照明公司所屬的一條33kV線路上，首先應用電容器，使線路的輸送容量自33A提高到67A。但由于一些技術問題（如：電容器的過電壓保護裝置）沒有得到解決，沒有得到很大推廣。1串聯(lián)補償裝置發(fā)展簡介1950年在瑞典斯塔茨福（Stadsforsen）到哈爾斯堡（Hallsbery）480km的220kV線路上的阿爾夫塔（Alfta）建立了世界上第一條220kV的高壓串聯(lián)電容器站，安裝容量31.4Mvar，補償度20.4%。由于串聯(lián)電容器的投入，線路輸送容量從140MVA提高到175MVA，提高25%。我國的串補自1954年起步，先后在東北（雞密線、齊富線）、華北（張宣線）及浙江等地區(qū)的22kV及35kV裝設串聯(lián)電容器補償裝置。1972年，我國330kV湯峪（固定式）串聯(lián)補償裝置投入運行。串補裝置發(fā)展情況詳見---我國串補裝置一覽表。

我國串聯(lián)補償裝置一覽表站名三堡ⅠⅡ蔚縣萬全平果河池成碧百色三堡Ⅲ伊馮渾源上承姜奉節(jié)越南地點徐州河北張家口廣西廣西甘肅成縣廣西徐州馮屯山西渾源承德重慶奉節(jié)老街線路陽城淮安大同房山豐萬順天廣貴廣碧口成縣羅平-百色馬窩-百色陽城淮安伊敏馮屯內(nèi)蒙北京上都承德萬縣-龍泉老街-安沛電壓等級

kV500500500500500220500500500500500500雙回220類型固定串補固定固定可控串補固定可控串補固定串補固定可控串補固定固定串補固定串補固定串補安裝組數(shù)2242212128222補償度

%40固35控550505041.4固30+控1534.9~46.6453570補償容量/套

Mvar50037225944440076295.41212529544.3326.6466.56*4539.42*4478.361097過電壓保護系數(shù)2.32.32.3/2.42.32.32.25/2.352.32.32.3供貨商西門子ABBNOKIAN西門子西門子電科院美國GE電科院電科院電科院電科院西門子電科院投運年份200020012003200320032004.1220052006200720082008.102006.82007.5串聯(lián)電容器單元單元并串聯(lián)10*4*2*2*211*8*2，10*2*26*2*26串*10*2*2*2額定電壓

kV8.8265.967.3/4.986.6154.38312.45額定容量kvar521736.7664/598722441367.4熔絲種類內(nèi)熔絲內(nèi)熔絲內(nèi)熔絲內(nèi)熔絲內(nèi)熔絲內(nèi)熔絲無熔絲箱殼尺寸mm343*178*699343*178*1140343*178*1000重量

kg6210082/8894100制造商COOPERABBNOKIANCOOPERCOOPER西安ABB美國GEC00PERNOKIAN上海庫柏我國串聯(lián)補償裝置一覽表站名桂林硯山建水忻都霍州沽源長-南-荊地點桂林靈山縣云南文山州硯山縣云南紅河州建水縣忻都線路墨江-紅河神木-石家莊長治-南陽-荊門電壓等級

kV5005005005001000類型固定串補固定串補固定串補固定串補固定串補安裝組數(shù)2（4分段）1（兩分段）254組（遠期12組）補償度

%35%20%補償容量

Mvar380.54*2297.44*31×960+2×720+1×600=（∑3000Mvar）過電壓保護系數(shù)2.32.3供貨商電科院電科院電科院電科院GE電科院投運年份予計09.320082012建串聯(lián)電容器單元單元并串聯(lián)4串19并額定電壓

kV6.15、6.25額定容量kvarCAM6.15-558-1CAM6.25-568-1熔絲種類內(nèi)熔絲箱殼尺寸mm重量

kg＜90kg制造商桂容、西安ABB西安ABB西安ABB思源西安ABB南陽站2×720桂林-荊門、思源-長治330kV湯峪串聯(lián)電容器裝置（固定，72年代）單臺45kvar

220kV碧成串補（TCSC）2004.121000kV長治-南陽-荊門（FSC）1:1模型2.串聯(lián)補償裝置在電力系統(tǒng)中的作用2.1串補裝置主要作用是減小輸電線路的電壓降。當線路負荷增大時，線路上的電壓損失使末端電壓水平不符合負荷正常工作要求，用串聯(lián)電容器補償一部分線路電抗，使線路電壓損失減少，以保障受端電壓達到要求。在滿足末端電壓達到要求的前提下，甚至可以把線路的輸送容量，提高到按導線發(fā)熱條件所決定的容量。2.串聯(lián)補償裝置在電力系統(tǒng)中的作用2.2改善電壓質(zhì)量減小末端電壓波動。當線路上帶有大容量沖擊負荷時（如：電弧爐，軋鋼設備等）電壓波動很劇烈，串聯(lián)電容器作為一種沒有延遲性的調(diào)壓裝置，可以有效地用來平息這種波動。2.3縮短線路電氣長度。高壓電網(wǎng)線路的電抗約占輸電設備總電抗的20～70%，且隨著高壓輸電線路的不斷增長，線路的穩(wěn)定極限和送電能力將受到限制，串聯(lián)電容器的作用相當于縮短了線路的電氣長度，從而提高線路的穩(wěn)定極限。2.串聯(lián)補償裝置在電力系統(tǒng)中的作用2.4增加線路輸送容量線路輸送容量往往是受線路電壓損失所限制，在線路上串聯(lián)電容器后，由于電壓的損失減少，可以提高同一線路的輸送容量。補償度越大，線路的輸送功率提的越高。2.5增大線路送端功率因數(shù)由于功率通過電容器時產(chǎn)生的容性無功功率，補償了一部分線路電抗中所消耗的感性無功功率，送端和末端電壓之間的相角的減小，在末端負荷功率因數(shù)不變的條件下，使線路送端的功率因數(shù)增大。2.串聯(lián)補償裝置在電力系統(tǒng)中的作用

2.6減少線路有功損耗由于串聯(lián)電容器的接入，是線路末端電壓的升高，也附帶地減少了線路的功率損失。串聯(lián)補償減少線損不如并聯(lián)補償減少線損的效果顯著。串補裝置在電力系統(tǒng)中的作用歸納：減少線路電壓降、減小系統(tǒng)電壓波動、增加輸送容量、提高送端功率因數(shù)和減少線路有功損失。3.串聯(lián)與并聯(lián)補償有哪些不同？從網(wǎng)絡等值電路圖（圖1）可以看出，并補裝置接在線路每個電壓等級的末端，與負荷阻抗相并聯(lián)。流過線路電流的一部分。而串補裝置是接在輸電線路上（圖2），輸電線路電流全部經(jīng)過串聯(lián)電容器組。3.串聯(lián)與并聯(lián)補償有哪些不同？3.3可靠性要求不同不管那一電壓等級的并補裝置因故障退出，不會影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。串補裝置退出運行，將會影響系統(tǒng)電壓、輸送容量等。因此，對串補裝置運行的可靠性要比并補可靠性要求高的多。3.4電壓調(diào)整效果不同并聯(lián)電容僅使電壓升高某一數(shù)值，且隨著負荷（電流）的增大（線路末端電壓下降），并聯(lián)電容無功輸出下降，用戶側需要容性無功時，并補裝置容性無功出力反而下降，（用電壓負反饋），對于電容器生產(chǎn)廠而言，反而更擔心輕負荷工況。串聯(lián)電容補償?shù)恼{(diào)壓作用是連續(xù)的，能隨著負荷變化而自動改變調(diào)壓能力，因而減少了受端電壓的波動。用串聯(lián)補償來改善電壓水平要比并聯(lián)電容補償優(yōu)越的多。

3.串聯(lián)與并聯(lián)補償有哪些不同？開關重燃過電壓：正常開斷，電壓不大于1.37Um。單相重燃時過電壓，極間電壓1.37Um，極對殼電壓4.5Um。兩相重燃極間電壓3.1Um，當然幅值還與重燃的次數(shù)有關。正常允許過電流：1.3IN，考慮允許電容偏差允許范圍，最大電流不大于1.5IN。

3.串聯(lián)與并聯(lián)補償有哪些不同？串聯(lián)和并聯(lián)電容器組允許工況----過流和暫態(tài)極限過電壓對比表持續(xù)時間串聯(lián)過電流倍數(shù)（P.U）并聯(lián)允許的電壓水平GB/T6115.1項目要求GB11024.1長期持續(xù)運行1.0IN1.0IN1.0Un連續(xù)8h（間隔12h）1.1IN1.1IN1.10Un8h（間隔24h）1.15Un30（間隔24h）2h（間隔8h）1.2IN1.2Un5min1.3Un1min30min（間隔6h）1.35IN1.35IN10min（間隔2h）1.5IN1.5IN10sIN10s1.15Ulim300～500ms1.35Ulim

3.串聯(lián)與并聯(lián)補償有哪些不同？3.6試驗內(nèi)容和條件不同序號試驗內(nèi)容串聯(lián)電容器并聯(lián)電容器1試驗標準GB/T6115.1-2008GB/T11024.1-20019型式試驗熱穩(wěn)定試驗1.44Qn/50mm/55℃/48h/最熱點溫度≮80℃1.44Qn/50mm/55℃/48h/最熱點溫度≮80℃10端子與箱殼間交流電壓試驗50kV，60s50kV，60s11端子與外殼間雷電沖擊試驗±125各15次±125各15次12冷工作狀態(tài)試驗-40℃/1.5Un/1.1Ulim/10周波/100次13放電電流試驗無阻尼：√2Ulim一次有阻尼：1.6Ulim，Ipeak≥132In2.5Un，10min內(nèi)5次14內(nèi)熔絲隔離試驗下限0.5√2Un上限√2Ulim下限0.9√2Un上限2.2√2Un15常溫下局部放電1.35Un/10min1.6Un//10min≤20Pc

3.串聯(lián)與并聯(lián)補償有哪些不同？3.6試驗內(nèi)容和條件不同序號試驗內(nèi)容串聯(lián)電容器并聯(lián)電容器1試驗標準GB/T6115.1-2008GB/T11024.1-200116型式試驗常溫下局放起始/熄滅電壓＞1.3＞1.317低溫局放熄滅電壓測量-40℃，≥1.2-40℃，≥1.218電容、損耗與溫度曲線-40～+80℃/Un/C/tanδ-40～+80℃/Un/C/tanδ19耐久試驗過電壓周期試驗-40℃/1.1Un/2.25Un/15周波/850次-40℃/1.1Un/2.25Un/15周波/850次20老化試驗(60℃/1.25Un/3000h)/(1.4Un/1000h)21特殊試驗暫態(tài)過電壓試驗1.15Ulim/10s221.35Ulim/(300ms～500ms)3.串聯(lián)與并聯(lián)補償有哪些不同？歸納：串聯(lián)與并聯(lián)補償不同點：

1.作用不同;2.

接線方式不同;3.

可靠性要求不同;4.電壓調(diào)整效果不同;5.運行工況不同;6.試驗內(nèi)容和條件不同

4.串聯(lián)電容器設計中的幾個爭議問題4.1內(nèi)熔絲下限熔斷試驗應該用交流還是直流進行。持另一觀點認為：標準規(guī)定下限試驗即可以用交流，也可以用直流，直流試驗易把控，直流儲能是一定的，熔絲熔斷或不熔斷只有一次釋放能量的機會，沒有交流工頻續(xù)流的作用，認為直流不容易熔斷，建議以直流考核熔絲熔斷作為通過與否的手段。經(jīng)過試驗：在相同試品的條件下，交流下限試驗，熔絲在工頻續(xù)流作用下都能夠熔斷。直流試驗條件下熔絲隔離試驗則不容易通過試驗。4.串聯(lián)電容器設計中的幾個爭議問題4.1內(nèi)熔絲下限熔斷試驗應該用交流還是直流進行。雖然直流試驗時的元件儲能是確定的，但不存在故障元件的熔絲流過工頻續(xù)流的能量。交流擊穿時的儲能是不確定的，即使擊穿時的儲能沒有熔斷，此后故障段工頻續(xù)流全部通過故障元件熔絲是熔絲熔斷關鍵。也就是說：通過直流下限試驗的熔絲，是可以通過交流下限試驗的，反之則不然（充分不必要條件）。既然直流不容易熔斷，熔絲下限試驗通過與否，確定以直流試驗為準。4.串聯(lián)電容器設計中的幾個爭議問題4.2串聯(lián)電容器介質(zhì)結構是采用三膜還是采用兩膜的好常言道：金無足赤人無完人，電容器固體介質(zhì)采用的是電工聚丙烯薄膜，同其它電介質(zhì)一樣，也不可避免存在著電弱點。這些電弱點包括：金屬、非金屬（如炭）粒子、灰分及針孔等。國標（GB/T13542.3-2006）《電氣絕緣用薄膜第三部分：電容器用雙軸定向聚丙烯薄膜》6.3條關于電氣弱點的規(guī)定：電氣弱點應按IEC60674-2:1988中第19章的規(guī)定測試。施加的電氣強度為200V/μm，被測試樣的最小面積5m2，所測得的弱點數(shù)不超過表3所規(guī)定的值。4.串聯(lián)電容器設計中的幾個爭議問題4.2串聯(lián)電容器介質(zhì)結構采用三膜還是采用兩膜為好4.串聯(lián)電容器設計中的幾個爭議問題4.2串聯(lián)電容器介質(zhì)結構采用三膜還是采用兩膜為好為了避開電弱點的影響，將電容器極間固體介質(zhì)多層疊放，彼此弱點相互隔離，減少絕緣介質(zhì)電弱點貫穿的可能性。尚若采用兩膜結構，當一層膜存在弱點，極板間的耐電強度僅由一層膜承擔。顯然三膜介質(zhì)電弱點重合概率遠小于兩膜介質(zhì)結構。并聯(lián)電容器大多數(shù)采用的三膜結構。從可靠性角度看，串聯(lián)電容器應當采用三膜結構的好。4.串聯(lián)電容器設計中的幾個爭議問題4.2串聯(lián)電容器介質(zhì)結構采用三膜還是采用兩膜為好實際試驗情況：

在進行1.15Ulim/10s和1.35Ulim/300～500ms過電壓特殊試驗時，在同樣的試驗條件下，所有的三膜結構的試品全部（全軍覆沒）擊穿，而兩膜結構的試品則大部分通過了試驗。究其原因，這和串聯(lián)電容器的運行工況有關，串聯(lián)電容器需要經(jīng)受幅值較高暫態(tài)過電壓，而暫態(tài)過電壓造成元件擊穿主要發(fā)生在邊沿，兩膜結構的邊沿電場分布較三膜邊沿的相對均勻，兩膜元件的額定電壓又比三膜元件額定電壓低。4.串聯(lián)電容器設計中的幾個爭議問題4.2串聯(lián)電容器介質(zhì)結構采用三膜還是采用兩膜為好最終串聯(lián)電容器的介質(zhì)結構確定為兩膜結構。4.3短路放電試驗和熔絲下限隔離試驗是否矛盾？國標（GB/T6115.1-2008）《電力系統(tǒng)用串聯(lián)電容器第一部分：總則》5.2.1條例行試驗中：內(nèi)部熔絲放電試驗，5.2.2條型式試驗中：放電電流試驗。熔絲應當經(jīng)受上述試驗下的儲能。國標（GB/T6115.3-2002）《電力系統(tǒng)用串聯(lián)電容器第三部分：內(nèi)部熔絲》2.2條隔離要求：當元件在0.5√2UN和√2Ulim電壓范圍內(nèi)發(fā)生電擊穿時，熔絲應能使故障元件隔離開來。4.串聯(lián)電容器設計中的幾個爭議問題4.3短路放電試驗和熔絲下限隔離試驗是否矛盾？以CAM6.15-558-1W型串聯(lián)電容器為例，內(nèi)部電氣連接19并4串，計算下限隔離儲能為105.2J，短路放電元件儲能為123.6J，短路放電元件儲能大于下限隔離儲能。選擇熔絲臨界熔斷能量時，通常要求熔絲的臨界熔斷能量大于短路放電能量，小于熔絲下限隔離能量為邊界條件。上述電容器，如果選擇臨界熔斷能量大于短路放電能量，滿足短路放電熔絲不被熔斷的條件，但熔絲下限隔離也不會熔斷，反之若選擇熔絲下限隔離熔斷，短路放電時熔絲也會熔斷，熔絲臨界能量選擇處于兩難境地。4.串聯(lián)電容器設計中的幾個爭議問題4.3短路放電試驗和熔絲下限隔離試驗是否矛盾？4.串聯(lián)電容器設計中的幾個爭議問題內(nèi)容欠阻尼短路放電回路電阻/電感量熔絲吸收能量效率回路電阻能量吸收效率單次放電熔絲溫升數(shù)值0.127Ω/5.688μH1.7%98.3%31.1℃

一些專家形象的比喻：一條被子顧頭顧不了腳。通過對欠阻尼短路放電波形分析，短路放電時的能量分配并不完全消耗在熔體上，其中大部分是消耗在熔絲以外的回路電阻上。

熔絲的設計重點應當放在下限隔離上。經(jīng)過試驗將驗證，所設計的熔絲在欠阻尼短路放電時沒有出現(xiàn)熔斷，而在下限隔離試驗時可靠熔斷。4.3短路放電試驗和下限隔離試驗是否矛盾？5.串聯(lián)電容器設計可靠性估計

采用兩膜介質(zhì)結構，制做了國產(chǎn)膜和進口膜試品，進行了交流和直流擊穿試驗，試驗接線原理圖，見圖3、圖4.圖3交流擊穿試驗回路圖4直流擊穿試驗回路Figure3ACbreakdowntestcircuitFigure4DCbreakdowntestcircuitT1---調(diào)壓器T2---變壓器R---保護電阻V--靜電電壓表T1---調(diào)壓器T2---變壓器R---保護電阻V---靜電電壓表PT---電壓互感器CX----被試電容SB—記憶示波器CR---阻容分壓器CX----被試電容SB—記憶示波器

D---高壓硅堆5.串聯(lián)電容器設計可靠性估計

試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計交流電壓為方均根值，直流電壓為峰值。按照GB/T4883-2008《數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理和解釋正態(tài)樣本離群值的判斷和處理》中的判斷規(guī)則，用奈爾（Nair）檢測法，對每臺試品數(shù)據(jù)進行了下側情形，統(tǒng)計離群值和岐離值判斷和處理。元件（兩膜）交、直流擊穿電壓數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

按照國標GB/T4885-2009《正態(tài)分布完全樣本可靠度置信下限》規(guī)定，運用試驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)，進行完全樣本置信下限電壓、場強估算。

5.串聯(lián)電容器設計可靠性估計試驗（個數(shù)）擊穿電壓/場強kV/MV/m樣本方差置信水平置信下限置信系數(shù)電壓置信下限kV場強置信下限MV/m國產(chǎn)膜交流1536.975/257.20.24/10.410.990.9993.6826.091218.9直流6810.54/388.90.245/9.030.990.9993.9069.583353.6進口膜交流1527.065/262.70.268/10.120.990.9993.6826.078225.4直流7310.47/392.080.259/9.680.990.9993.8739.467354.6

5.串聯(lián)電容器設計可靠性估計

進行4.3UN極間直流耐壓試驗、1.15Ulim（10s）、1.35Ulim（300ms）短時過電壓試驗條件下及保護水平電壓下的設計裕度估計。額定值保護水平UpL（peak）短時交流1.15Ulim(kV)、10s短時交流1.35Ulim(kV)、300ms4.3Un極間電壓(kV)（DC）(10s)國產(chǎn)膜交流電壓裕度%296.221.7949.7827.59-場強裕度%284.018.0745.1923.68-直流電壓裕度%----44.95場強裕度%----44.27進口膜交流電壓裕度%295.321.5449.4627.32-場強裕度%295.421.5749.5027.36-直流電壓裕度%----43.19場強裕度%----44.68

6串聯(lián)電容器組內(nèi)部故障保護

單元配平對號安裝，相間、組間、臂間和段間容量偏差盡可能小，初始不平衡電流小于同一個串聯(lián)段3個內(nèi)熔絲熔斷所引起的不平衡電流。損壞元件橋式不平衡電流

（mA）元件過電壓(PU)故障臺過電壓（PU）11041.051.0122201.101.0333481.161.0444901.231.0656511.311.0868331.391.10710401.491.138