淺談集合式電容器的應(yīng)用

淺談集合式電容器的應(yīng)用摘要：本文介紹了平頂山供電區(qū)裝設(shè)的集合式電容器成套裝置，對裝設(shè)過程中變電站無功補償容量的確定、集合式電容器及其配套設(shè)備型式和參數(shù)的選擇等作了說明，還對集合式電容器運行過程中可能出現(xiàn)的涌流、過電壓以及對電網(wǎng)諧波放大等一系列問題進行了分析并介紹了采取的抑制措施，最后對如何更合理地選用集合式電容器成套裝置提出了一些看法。

關(guān)鍵字：集合式電容器涌流過電壓諧波放大

1前言

平頂山供電區(qū)地處華中電網(wǎng)火電基地之一，多數(shù)變電站運行電壓偏高，所以過去各站均未裝設(shè)無功補償裝置。這就造成平頂山供電區(qū)內(nèi)缺乏無功，功率因數(shù)偏低，線損率偏高。隨著有載調(diào)壓變壓器的廣泛使用，經(jīng)計算分析，安裝補償電容裝置后，與變壓器有載調(diào)壓裝置配合，大部分變電站可滿足母線電壓的要求，同時也提高了系統(tǒng)功率因數(shù)，達到《城市電力網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計導(dǎo)則》的有關(guān)規(guī)定和一流供電企業(yè)的考核要求。于是從1998年起，平頂山供電區(qū)相繼在轄區(qū)內(nèi)的1個220kV變電站、5個110kV變電站和2個35kV變電站裝設(shè)了集合式電容器成套裝置。

并聯(lián)補償電容器在運行中存在操作過電壓、合閘涌流及放大諧波電流等一系列問題，這是設(shè)計工作中所必須考慮的。筆者參加了在這些變電站裝設(shè)集合式電容器成套裝置的安裝設(shè)計工作，設(shè)計工作中遇到了較多問題，通過對有關(guān)專著的學(xué)習(xí)研究和向有關(guān)專家請教，對這些問題有了一些初步的認識。這里針對一些具有普遍性的問題，結(jié)合平頂山供電區(qū)的具體做法，進行一些簡單的歸納和分析，以便于和廣大同行進行分析和探討，共同提高對電力電容器的認識。

2變電站無功補償容量的確定

根據(jù)無功分層平衡，就地補償?shù)脑瓌t，變電站裝設(shè)的無功補償裝置僅用來補償站內(nèi)的無功損耗。站內(nèi)的無功損耗主要是主變的無功損耗，包括勵磁損耗和漏抗損耗兩部分，勵磁損耗屬不變無功損耗，其值為變壓器額定容量的比例即變壓器的空載電流百分數(shù)，數(shù)值較小。漏抗無功損耗與變壓器的運行負荷大小有關(guān)，在變壓器無功損耗中占絕大部分。因此在計算時必須根據(jù)主變當前負荷并考慮到負荷將來的發(fā)展，計算出主變的無功損耗后，結(jié)合集合式電容器產(chǎn)品規(guī)格，來確定無功補償容量。

3集合式電容器的選用

集合式電容器由多個帶小鐵殼的單元電容器組成，單元電容器是全密封的，其內(nèi)部主要是多個并聯(lián)的裝有內(nèi)熔絲的小電容元件和液體浸漬劑。單元電容器按設(shè)計要求并聯(lián)和串聯(lián)聯(lián)接，固定在支架上，裝入大油箱，注入絕緣油，組成集合式電容器。

我們采用的集合式電容器全部為全膜介質(zhì)，全膜產(chǎn)品較膜紙復(fù)合產(chǎn)品損壞率很低，且體積小、重量輕、介損低、節(jié)能，元件擊穿時擊穿點的膜熔化，不析出氣體，大大提高了產(chǎn)品的可靠性。

我們采用的集合式電容器可分三檔（分Q／3、2Q／3和Q三檔，Q為集合式電容器總?cè)萘浚┗騼蓹n（分Q／2和Q兩檔調(diào)容，這使變電站可根據(jù)負荷變化合理調(diào)整補償容量，避免負荷輕時電容器投不上的弊病。調(diào)容須在斷電情況下進行，調(diào)容的方式有抽頭調(diào)容和轉(zhuǎn)換開關(guān)調(diào)容兩種。

使用轉(zhuǎn)換開關(guān)調(diào)容的集合式電容器調(diào)容轉(zhuǎn)換開關(guān)置于集合式電容器的箱體內(nèi)，由調(diào)容轉(zhuǎn)換開關(guān)引出一根16芯控制電纜至調(diào)容控制器，在斷電情況下通過調(diào)容控制器上的檔位轉(zhuǎn)換按鈕實現(xiàn)集合式電容器的調(diào)容。調(diào)容控制器上還裝有遠動接口，所以采用轉(zhuǎn)換開關(guān)調(diào)容的集合式電容器為電容分組自動投切、實施無功、電壓綜合控制以及實現(xiàn)遠方操作創(chuàng)造了條件。其缺點是若轉(zhuǎn)換開關(guān)出現(xiàn)故障，需打開集合電容器箱體進行維修，這需廠方派技術(shù)人員現(xiàn)場指導(dǎo)。

使用抽頭調(diào)容的集合式電容器在電容器箱體上一般按總?cè)萘康?／3和2／3引出抽頭，并在箱體上安裝兩組調(diào)容隔離開關(guān)，通過操作調(diào)容隔離開關(guān)，對集合式電容器進行調(diào)容。其優(yōu)點是調(diào)容隔離開關(guān)裝置的故障機率較低，出現(xiàn)故障后也容易維修，缺點是使用抽頭調(diào)容的集合式電容器體積較大，難以實現(xiàn)遠動、自動功能。

在平頂山供電區(qū)變電站裝設(shè)無功補償裝置前，除郟縣變和龍泉變外其它各已建成的變電站均未預(yù)留裝設(shè)電容補償裝置的位置，多數(shù)變電站內(nèi)可利用空地較少。根據(jù)我局實際情況，比較其優(yōu)缺點，我們確定采用集合式電容器成套裝置對各已建成的變電站進行無功補償。

目前全膜、充油的集合式電容器已成為并聯(lián)補償電容器的主導(dǎo)產(chǎn)品。但更先進的產(chǎn)品已經(jīng)出現(xiàn)并投入運行。

3．1充氣集合式電容器

這種集合式電容器的內(nèi)部電容器單元與常規(guī)集合式電容器相同，但在大外殼中采用SF6等氣體進行絕緣和散熱，在場強和容量相同的情況下含油量為常規(guī)集合式電容器的1／8，大大降低了故障情況下造成火災(zāi)的危險性，當然也不存在滲漏油的問題。充氣集合式電容器更易維護，只在氣體壓力低于0．005MPa時，充入少量氮氣既可，而這一般是在產(chǎn)品正常使用十年之后的事。另外充氣集合式電容器還具有零部件種類少，結(jié)構(gòu)簡單；重量輕，安裝運輸方便；防爆，經(jīng)濟性能好（成本與常規(guī)集合式電容器相當）等優(yōu)點。

3．2箱式電容器

箱式電容器基本上相當于去掉單元電容器小金屬外殼的集合式電容器，這就排除了單元電容器對小金屬外殼擊穿的可能性，提高了可靠性。用油量少，較同等級的集合式電容器重量減輕30％左右。箱式電容器在比特性、制造成本、消耗金屬材料和冷卻介質(zhì)以及重量等技術(shù)經(jīng)濟指標上均優(yōu)于集合式電容器，但若發(fā)生內(nèi)部故障則必須返廠修理。在日本，集合式電容器經(jīng)過短暫時間即被箱式電容器所取代。

3．3干式可自愈高壓并聯(lián)電容器

這種電容器的元件采用金屬化聚丙烯膜繞卷而成，并由樹脂灌封，多個這種電容器元件并聯(lián)組成電容器單元，電容器單元電壓限制在1kV左右。多個電容器單元串聯(lián)組成這種電容器。這種電容器難燃、難爆，免維護，為模塊結(jié)構(gòu)，可根據(jù)需要擴展成不同容量。

這些更先進的產(chǎn)品應(yīng)是我們今后選用并聯(lián)補償電容器時重點關(guān)注的對象。

4并聯(lián)補償電容器投入電網(wǎng)時的涌流計算及串聯(lián)電抗器的選擇

在電容器（組）投入電網(wǎng)運行的瞬間總會出現(xiàn)高幅值的電流，稱為涌流。若不串聯(lián)電抗器加以限制，涌流峰值可能超過電容器（組）額定電流的100倍。在高幅值涌流的沖擊下，不僅會使電容器發(fā)生損壞，還會使電網(wǎng)中的開關(guān)、電流互感器等設(shè)備受損，繼電保護設(shè)備誤動。

并聯(lián)補償電容器裝置的合閘涌流限值為電容器額定電流的20倍，當超過時應(yīng)裝設(shè)串聯(lián)電抗器予以限制。裝設(shè)的串聯(lián)電抗器僅用于限制合閘涌流時，電抗率宜取0．1％～1％。

結(jié)合平頂山供電區(qū)諧波治理情況，考慮到集合式電容器成套裝置中為限制某次諧波而配置大電抗器時一方面增加無功損耗，另一方面還將提高電容器端子上的運行電壓，提高過電壓水平，影響電容器的安全與壽命。所以我們的集合電容器成套裝置中均配置K＝1％的小電抗器，僅用來限制合閘涌流。

5并聯(lián)補償電容器的過電壓保護

5．1目前國內(nèi)外主要使用氧化鋅避雷器（MOA）對并聯(lián)補償電容器進行操作過電壓保護。試驗研究中的數(shù)據(jù)表明：

①各種操作過電壓中，分閘操作時的過電壓是主要的，其中分閘操作過電壓又主要出現(xiàn)在單相重擊穿時，兩相重擊穿和一次操作時出現(xiàn)多次重擊穿的機率均很少。

②單相重擊穿的突出特點是電容器極間電壓基本不升高，過電壓主要在中性點對地的雜散電容上，然后由中性點傳遞到非重擊穿相，因此，無論直接限制相—地間電壓，還是限制中性點—地間電壓，均能達到限制單相重擊穿過電壓的目的。這種過電壓可超過4（P．U）。而當電源側(cè)有接地故障時發(fā)生單相重擊穿，其過電壓倍數(shù)更高。

③兩相重擊穿由于重擊穿后時間上的差異，不僅可能產(chǎn)生極對地的過電壓，也可產(chǎn)生電容器的極間過電壓。極對地過電壓是在一相首先擊穿后，即單相重擊穿過程中產(chǎn)生。隨即在另一相斷口上產(chǎn)生很高的恢復(fù)電壓，而使斷口擊穿，即形成兩相重擊穿。兩相重擊穿后在兩相的電容、電感回路中產(chǎn)生強烈的暫態(tài)過程，由此在電容器極間產(chǎn)生過電壓。過電壓值與網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、XL／XC值等有關(guān)。兩相重擊穿時極間過電壓可達3（P．U），而極對地過電壓卻遠沒有帶接地故障時的單相重擊穿嚴重。如電容器相間雜散電容與回路中的電感發(fā)生諧振，則可能產(chǎn)生更高的過電壓。

④電源側(cè)有單相接地故障時的單相重擊穿，對電容器的極間電壓無影響；兩相重擊穿時過電壓也不受單相接地的影響。

以上四點是我們確定避雷器接線方式和選擇避雷器參數(shù)的主要依據(jù)。

5．2保護并聯(lián)補償電容器用MOA的接線方式

典型的對集合式電容器進行操作過電壓保護的MOA的接線方式見圖1。圖1a接線將串聯(lián)電抗器串接在集合式電容器之前，將MOA接在串聯(lián)電抗器和集合式電容器之間。圖1b接線將串聯(lián)電抗器后置，將MOA接在集合式電容器和串聯(lián)電抗器之前。由于串聯(lián)回路中電容器和電抗器上的電壓相位總是相反的，所以，對于圖1b接線方式，避雷器上的電壓要低于電容器上的電壓，使電容器極地間過電壓不能得到有效的保護。

運行中，使用MOA采用傳統(tǒng)的相地保護方案限制單相重擊穿過電壓時，多次發(fā)生避雷器的爆炸事故。因此，武漢高壓研究所和東北電力試驗研究院都在自己的研究報告中提出了中性點避雷器的保護方案，并建議以此代替?zhèn)鹘y(tǒng)的相對地保護方案。即采用圖1c接線，報告中分析認為，中性點避雷器有以下優(yōu)點：

①正常運行時荷電率接近于零，僅在電源側(cè)有單相接地故障時荷電率較高，這使避雷器電阻片得以自恢復(fù)，大大延緩避雷器的老化速度，減少了避雷器的損壞事故，對電容器的安全運行有利；

②使用避雷器數(shù)量少，最經(jīng)濟；

③避雷器接在中性點，萬一發(fā)生爆炸事故，難以形成相間短路，事故影響面小。

但是，當電源側(cè)有單相接地故障時開斷電容器發(fā)生單相重擊穿，中性點避雷器的工作條件更為嚴酷，它將同時吸收電源、電容器組和中性點雜散電容釋放的能量，易引起避雷器爆炸，因此，中性點避雷器的使用條件還要局限于不考慮電源側(cè)有單相接地故障時的單相重擊穿，或?qū)\行條件加以限制：當電源側(cè)有單相接地故障時不能作停運電容器的操作。

對于兩相重擊穿時產(chǎn)生的極間過電壓避雷器的圖1a～圖1c三種接線均限制不了，為限制兩相重擊穿過電壓同時也能限制單相重擊穿過電壓，可采用圖1d和圖1e接線。但由于電容器極間耐受電壓水平較低，用于電容器極間過電壓保護的MOA的直流1mA參考電壓只能選擇在（1．86～2）Un左右，在兩相重擊穿時承受過大的放電能量，極易造成用于電容器極間過電壓保護的MOA的損壞，因此，這種保護方式是不完全可靠的。兩相重擊穿過電壓發(fā)生的概率很小，為此增加用于電容器極間過電壓保護的MOA的2ms方波通流能力得不償失，最好的解決辦法是選用不重擊穿的，至少是不發(fā)生兩相重擊穿的真空開關(guān)投切電容器。

經(jīng)過分析比較，我們對集合式電容器進行操作過電壓保護的MOA的接線方式采用圖1a接線。避雷器采用有機復(fù)合外套的MOA，以避免因避雷器爆炸而造成集合式電容器成套裝置的相間短路。由于圖1a接線無法限制兩相重擊穿過電壓，我們盡量選用性能良好的真空斷路器來投切集合式電容器，要求用來投切集合式電容器的真空斷路器必須經(jīng)過“老煉”處理，并對真空斷路器的機構(gòu)嚴格進行調(diào)整，保證三相同期操動，減少彈跳，以限制重擊穿過電壓。

6結(jié)束語

通過對這次平頂山供電區(qū)大規(guī)模裝設(shè)集合式電容器成套裝置的工作的回顧和總結(jié)，對變電站的無功補償裝置有這樣幾個想法。

6．1按照變電站的無功補償裝置僅補償站內(nèi)無功損耗的原則來確定變電站無功補償容量時，準確掌握變壓器的負荷情況是非常重要的。因為變電站的無功損耗主要是變壓器的無功損耗，變壓器的無功損耗直接受其所帶負荷的影響。因此確定變電站無功補償容量時，首先應(yīng)準確掌握變電站當前的負荷情況，包括其年最大負荷、年最小負荷、月最大負荷、月最小負荷及其負荷在1年內(nèi)和1月

內(nèi)的變化規(guī)律等情況，然后還需掌握該變電站5年乃至10年的負荷發(fā)展，最后根據(jù)這些情況確定無功補償總?cè)萘亢头謾n容量。

6．2目前我們使用電壓無功自動控制屏對集合式電容器進行控制，它根據(jù)變電站的功率因數(shù)和電壓水平來調(diào)節(jié)有載調(diào)壓變壓器分接頭和自動投切集合式電容器，但集合式電容器的分檔調(diào)容仍需在斷電情況下手動操作，這就難以充分發(fā)揮可調(diào)容集合式電容器的優(yōu)勢，也難以使變電站的功率因數(shù)和電壓水平達到最佳狀態(tài)。據(jù)了解有的廠家已生產(chǎn)出了與其可調(diào)容集合式電容器配套的高壓可調(diào)容智能綜合控制器，該裝置可根據(jù)變電站的功率因數(shù)和電壓水平，對可調(diào)容集合式電容器自動進行調(diào)檔、投切。該裝置同時還對電容器組設(shè)有過流、速斷、欠壓、過壓和開口三角形電壓保護，并可自動按照電容檔位修正保護定值。用這種裝置和電壓無功自動控制屏結(jié)合起來使用，無疑將會提高變電站對電壓和無功功率自動控制的水平，更