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并联电容器

并联电容器,shunt capacitor,原称移相电容器。主要用于补偿电力系统感性负荷的无功功率,以提高功率因数,改善电压质量,降低线路损耗。单相并联电容器主要由心子、外壳和出线结构等几部分组成。用金属箔(作为极板)与绝缘纸或塑料薄膜叠起来一起卷绕,由若干元件、绝缘件和紧固件经过压装而构成电容心子,并浸渍绝缘油。电容极板的引线经串、并联后引至出线瓷套管下端的出线连接片。电容器的金属外壳内充以绝缘介质油。

变电站装设并联电容器是改善电压质量和降低电能损耗的有效措施。 [1] 电网中的电力负荷电动机、变压器等,大部分属于感性负荷,在运行过程中需向这些设备提供相应的无功功率。在电网中安装并联电容器等无功补偿设备以后,可以提供感性负载所消耗的无功功率,减少了电网电源向感性负荷提供、由线路输送的无功功率,由于减少了无功功率在电网中的流动,因此可以降低线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗。

电网负荷时刻发生变化,并联电容器需频繁投入和切除,断路器开断并联电容器的过程中,不可避免发生操作过电压,可能会损坏并联电容器,影响电网的正常运行。 [2]

并联电容器会对谐波放大,放大的谐波可能对电气设备造成损害。 [3]

1 谐振

谐波与并联电容器在低压电网中并存时,最怕的就是引发串联谐振并联谐振

1.1 串联谐振

若谐波来自电源系统,则变压器的电抗和低压并联电容器的电容在一定的参数下配合,就能引发串联谐振,文献[1]有数字实例,一台Uk为6-的1000kVA变压器,在低压母线上接有160kVar的并联电容器,结果引发了11次谐波的谐振,使电容器中的11次谐波电流达175A,电容器中的基波电流只有233A,总有效电流Iceff为313A,过载1.35倍,已超过允许值1.30倍。负载母线上11次谐波电压畸变系数达6.9-,也已超过允许值,而低压电源(含变压器阻抗ZT在内)母线上的畸变率只有1.5-。

1.2 并联谐振

若谐波源来自低压侧的非线性负荷,例如变频器,则变压器的电抗(加上电源系统的少量电抗)和低压侧的电容可构成并联谐振,文献[1]也有数字实例,低压侧接有300kvA的驱动装置,其它如变压器和电容器参数同,1.1节串联谐振中的实例,结果引发11次谐波的并联谐振,使电容器中11次谐波电流达到212A,已大于电容器中基波的90-,总有效电流达334A,过载1.45倍,也超过允许值1.30倍,其实负载的11次谐波电流才39A,又11次谐波电压的畸变率已达8.3-,大大超过允许值。

2 避免谐振的措施

措施之一为改变网络元件的电抗电容量值,然而,它的可能性不大,特别当电容器组是自动控制的场合,将有许多谐振条件都要考虑。同时要注意,即使系统参数只是接近谐振频率也能使电容器组过电流和电压畸变率超过标准。

最常用的方法是与电容器串联一个电抗器,调谐的谐振频率低于网络中产生的最低次谐波的频率,这样,无论是串联谐振还是并联谐振就不会发生。

现代的工业和建筑物电网中完全没有谐波电压和电流是不可能的,那么是否凡并联电容器都要串电抗器呢?那也不一定,如果需要串,电抗值取多少呢?下面着重讨论1000V以下低压电网情况。

2.1 并联电容器组(不串电抗器)

当不存在谐振条件即电网的电抗值和并联电容器的电容值所构成的谐振频率比较高而负载产生的谐波电流母线谐波电压又很低时,此时,不需要考虑降低谐波值,但是IEC标准[1]并未给出划分界线的具体数据。笔者认为,谐波次数≥17就可以不考虑,即谐振频率≥17次谐波

15次谐波是3的整数倍,一般只存在于单相220V的设备中,这样只考虑到了13次就可以了。什么场合一定要串联电抗,GB[3]对此问题没有提及,厂家[4]在样本中规定的条件为GN/SN<15-,GN为产生谐波设备的现在功率。SN为变压器视在功率。笔者认为产生谐波的设备类型有几种,发射谐波电流的大小也不同,还与一些外部条件的变动有关。因此,规定 GN/SN<15-似乎并不明确说明什么问题,还不如IEC标准[1]的条件,至少概念上是明确的。

2.2 失谐滤波器(detuned filter)

失谐滤波器是一种滤波器,它的调谐频率比有相当大(considerable),电压(电流)副值的最低次谐波频率还要小过10-多。

常用的并联电容器按其结构不同,可分为单台铁壳式、箱式、集合式、半封闭式、干式和充气式等多类品种。

单台铁壳式并联电容器

这类电容器量大面广,单台容量一般是50、100、200、334kvar等多种,现在还有更大容量(例如500kvar及以上容量)的产品问世,一般100kvar以上容量的产品带有内熔丝。这种产品一旦损坏,用户可以很快用备品自行更换,及时让装置恢复运行,因此采用此类产品时投运率高。加之可以配置外熔断器,保护相对比较完善。目前220kV、特别是330kV及以上电压等级变电站大多采用单台铁壳式并联电容器。也有越来越多的人为了提高电容器的防锈防腐能力,要求用不锈钢板代替普通钢板生产电容器。即使如此,也有的还要在其表面喷涂防紫外线漆;这样的防护层即可防锈防腐蚀,又可大大减少紫外线辐射对电容器温升的负面效应,从而延长电容器的使用寿命。

这种款式的电容器中,我国二三十年间一直以内熔丝电容器为主,即电容器内部每个元件上都配装一根小熔丝。近几年来出现了无熔丝电容器,是一种既无内熔丝、也无外熔丝的电容器。20世纪70年代以前,国内生产的全纸电容器与早期的纸膜复合电容器,白于当时内熔丝还处在研究阶段,不可能采用到产品中去,保护电容器的专用外熔断器也是从1980年起才开始研制。电容器出现内部元件击穿后,全依靠电磁式继电器来保护,所以当时的电容器都是完全的无熔丝电容器。随后内外熔丝的相继应用,使我国的无熔丝电容器消失了约30年。此间虽然也一直存在无内熔丝电容器,但要配置外熔丝后才允许使用。

熔丝全膜电容器有与前不同的新含义,越过了晶体管继电器、集成电路继电器阶段,直接进入了微机保护时代。我国无熔丝电容器内部元件的连接方式,有以下三种:

(1)传统的占主导地位的元件先并联后串联的方式。内部并联元件数量比较少,不宜配置内熔丝的小容量电容器(例如lO0kvar以下),一直沿用这种接线方式。

(2)内部元件先串联后并联的方式,即最近又被重新倡导的一种接线方式。

(3)内部元件既有串联成分,也有并联成分,但与上述两种接线方式不同,串中有并,并中有串,属于混合连接方式。这样的接法没有统一的格式,需要根据设计时对单台容量大小与保护上的要求而定。

这类电容器不宜用于lOkV级电容器成套装置。先串后并的元件接线方式虽然在三者中相对来说好一些,其单台容量也不宜做得大于lOOkvar。无熔丝电容器的优点是结构简单,损耗与制造成本较低。

箱式并联电容器

该电容器外形和中小型变压器相似,内部为去掉铁壳的单台电容器芯子,按设计要求若干个串并联、预留散热油道、抽空脱气后注满合格的油而成。这种产品单台容量较大(500kvar及以上),内部出现损坏元件后,一旦炭黑析出并扩散,则基本无法修理了。

集合式并联电容器

这款电容器按其结构分,有半密封和全密封两大类。储油柜干燥过滤器的,入口处无论有无油封,属于前者;无储油柜而在箱体内部用其他方式来补偿油位冷热变化的,属于后者。目前研发的一种电动调容产品,运行实践表明不太可靠,它的活动触点在油里面,久而久之很容易出现接触不良,可能产生局部过热,加上在两个端子间转接瞬间会产生相位问题,可能引发麻烦,因此可采用断电后用开关手动调容的方法。

该电容优点突出,缺点也突出。其主要优点是安装方便、维护工作量小、节省占她面积。而其缺点主要是给用户带来不便,它的维护工作量虽小,但对它的观察很不直观,不能放松对其容量变化的关注;特别是在有谐波的场所,对其容量的变化必须时刻注意。随着运行时间的推移,内熔丝可能会逐步动作,从而引发三相电容量失衡,这一故障很难在现场修复,返厂修理又费时间,影响电容器的投运率。再者因此引起的并补装置串联电抗百分率的变化,大到一定程度时会远离预定目标,甚至带来麻烦。特别是选取4. 5-电抗百分率的并联补偿装置,应事先做好预案,一旦这个百分率出现下滑向4-靠近时,要有可靠的应对措施。更值得注意的是,电容器高压出线套管下端(在油中)对地闪络或击穿时,对地保护有“死区”。《并联电容器装置设计规范》(GB 50227 --1995)及相关国家行业标准均对此没有针对性措施;一旦发生这类事故,只能待其发展到元件损坏而出现不平衡电压或电流后,才能迫使后备继电保护动作。运行实践表明已有这类事故发生,而且都是恶性事故。因此在投运该类产品时,应考虑对此问题加以防范。其实这类事故的起因是对地绝缘失效,在保护上存在盲区造成的。后备保护动作是事故已经扩大,导致集合式电容器严重损坏,产生了不平衡电压或电流后的补救揩施,现有保护不能对这类恶性事故起到预防作用。

近年来并联补偿装置实际运行的统计数据表明,集合式电容器的年损坏率大约是单台铁壳式电容器的4倍,有些地区还要高一些;加上现场无法维修等因素,近年来这类产品的市场份额呈现出明显的下降趋势。

半封闭式并联电容器

半封闭式并联电容器是将单台电容器套管对套管卧放在特制的钢架上,然后封闭其导电部分(地电位部分不封闭)而成的组装体。可多层布放、向高空发展以节省占地面积。这种产品对电容器单元的浸渍工艺要求较高,最好要装外熔丝,否则难以保证运行安全。该类产品由ABB公司生产,国内亚热带地区有他们的产品,已安全运行10多年。国产的早期出过一些问题,也有人主张禁止使用,但改进后的产品已有10年以上安全运行记录。

干式并联电容器

该电容器是将低压金属化膜技术移植过来,若干个元件串、并联后制成高压电容器,因而仍具有自愈特性,而且符合产品无油化的发展方向。无油电容器不会像人们期待的那样不燃烧,电容器内部的聚丙烯基膜在条件具备时仍会着火。另外,自愈式电容器也不能万无一失,每次局部击穿后都能可靠自愈。实践证明不“自愈”(即自愈失效)的概率是存在的,因此这种产品设计时必须要有切实的防火措施和特殊的保护措施,方能确保安全运行。

充气式并联电容器

这款电容器目前实际上是油气并存,即将集合式产品箱体内的油换成气体,内部的单台铁壳产品仍然是油浸的。由于气体导热性能不及液体,所以这类产品在这一方面要有特别措施,以便散热可靠。热管技术是其中常用的一种。但是,这类产品的实际表现不尽如人意;其原因之一是气体的泄漏无法及时自动报警,同时还要给断路器发出跳闸信号,以便适时切除电容器,防止气体泄漏导致绝缘水平下降引起恶性事故。

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