1.電力電容器及其主要特性參數

 

    電力電容器是無功補償裝置的主要部件。隨著技術進步和工藝更新，紙介質電容器已被自愈式電容器所取代，自愈式電容器采用在電介質中兩面蒸鍍金屬體為電極，其大的改進是電容器在電介質局部擊穿時其絕緣具有自然恢復性能，即電介質局部擊穿時，擊穿處附近的金屬涂層將熔化和氣化并形成空洞，由此雖然會造成極板面積減少使電容C及相應無功功率有所下降，但不影響電容器正常運行。自愈式電容器主要特性參數有額定電壓、電容、無功功率。

 

    1.1額定電壓

 

    GB1274721991《自愈式低電壓并聯電容器》第3.2條規定“電容器額定電壓優先值如下0.23，0.4，0.525及0.69kV。”電容器額定電壓選取一般比電氣設備額定運行電壓高5%。

 

    1.2電容

 

    電容器的電容是極板上的電荷相對于極板間電壓的比值，該值與極板面積、極板間絕緣厚度和絕緣介質的介電系數有關，其計算式為C=14πε×SD式中ε為極板間絕緣介質的介電系數;S為電容器極板面積;D為電容器絕緣層厚度。在上式中，電容C數值與電壓無直接關系，C值似乎僅取決于電容器極板面積和絕緣介質，但這只是電容器未接網投運時的靜態狀況;接網投運后，由于電介質局部擊穿造成極板面積減少從而會影響到電容C數值降低，因此運行過程中，電容C是個逐年衰減下降的變量，其衰減速度取決于運行電壓狀況和自身穩態過電壓能力。出廠電容器的電容值定義為靜態電容。一般，投運后優秀年電容值下降率應在2%以內，第二年至第五年電容值下降率應在1%～2%，第五年后因電介質老化，電容值將加速下降，當電容值下降至出廠時的85%以下，可認為該電容器壽命期結束。

 

    1.3無功功率

 

    在交流電路中，無功功率QC=UIsinφ由于電容器電介質損耗角極小，φ=90°，所以sin

 

    φ=1，則無功功率QC=UI=ωCU2×10-3=2πfCU2×10-3(μF)，從該式可見，電容器無功功率不僅取決于電容C，而且還與電源頻率f、端電壓U直接相關，電容器額定無功功率的準確定義應是標準頻率下外接額定電壓時靜態電容C所對應的無功率。接網投運后電容器所輸出實際無功功率能否達到標定容量，則需視運行電壓狀況。當電網電壓低于電容器額定電壓時，電容器所輸出的無功功率將小于標定值。因此如果電容器額定電壓選擇偏高，電容器實際運行電壓長期低于額定值，很可能因電容器無功出力低于設計值造成電網無功短缺。

 

    2.無功補償電容裝置參數的選取誤區

 

    無功補償裝置在進行設計選型及設備訂貨時，提供給廠家的參數往往僅是電容補償柜型號和無功功率數值，而電容器額定電壓及靜態電容值這兩個重要參數常被忽略。由于電容器生產廠家對產品安裝處電壓狀況不甚了解，在產品設計時往往側重于降低產品生產成本和減少電介質局部擊穿，所選取的電容器額定電壓往往高于國家標準推薦值，這樣做對電網運行的。無功補償效果會造成什么影響對電網建設投資又會引起什么變化呢可通過以下案例進行分析。

 

    例如某臺100.4kV變壓器，按照功率因數0.9的運行要求，需在變壓器低壓側進行集中無功補償，經計算需補償無功功率100kvar，如果按額定電壓U=450V配置電容器，根據QC=ωCU2×10-3計算，電容器組的靜態電容值C為1572μF，接入電網后在運行電壓U=400V的狀態下，該電容器實際向電網提供的無功功率QC為79kvar，補償效果僅達預期的79%。反之，在上述條件下，要想保證實際補償效果為100kvar，則至少需配置電容器無功功率為127kvar，也就意味著設備投資需要增加27%。中山市2004年變壓器增加898臺，合計容量近60萬kvar，按30%補償率計需補償無功功率近18萬kvar。按上述分析，如選取額定電壓為450V，則無功補償量需在原有數字上增加4.86萬kvar，既便采取交流接觸器投切靜態補償方式，設備購置投資亦需增加1080萬元年。如采取晶閘管投切動態補償方式，則設備購置投資增加額則達到1980萬元年。因此，為保證實際補償效果與設計一致，無功補償設備訂貨不僅應提出電容補償柜的型號和無功功率數量，還應明確電容器額定電壓，同時應要求設備生產廠家在電容器出廠銘牌上標明無功功率數量，額定電壓數值以及靜態電容C數值。

 

    3.低壓電容器額定電壓及穩態過電壓范圍的選取

 

    從以上分析可見，電容器額定電壓高于運行電壓可能造成補償容量不足或引起設備投資的增加;而電容器額定電壓選取過低又可能因電介質局部擊穿造成電容C值下降從而影響補償效果。正確的選擇原則應是在保證補償效果的前提下，既滿足建設前期設備投資少，同時又需做到電容器運行期間電介質局部擊穿率低，也就是說電容器運行電壓需盡可能保持在電容器所允許的穩態過電壓范圍內。GB1274721991《自愈式低電壓并聯電容器》第4.1.5.1條對電容器穩態過電壓明確規定如下“電容器應能在1.1倍額定電壓下長期運行，并且在整個使用壽命期內可承受200次以內的1.15倍額定電壓值的電壓沖擊。”中山市1998年以來公用變壓器低壓臺區的供電半徑基本達到城鎮為250m以內，農村為500m以內，變壓器設置按深入負荷中心原則，75%以上的低壓負荷分布在變壓器附近150m內，根據國家《供電營業規則》規定10kV及以下三相供電用戶受電端電壓偏差為±7%，220V單相供電用戶受電端電壓偏差為+7%～-10%。本著兼顧變壓器近端用戶高受電端電壓和遠端用戶低受電端電壓的原則，一般100.4kV公用變壓器低壓出口平均電壓保持在400～440V，但短時間仍存在440V的高電壓。

 

    近期，對550臺公用配電變壓器的抽樣檢測數據1300萬組進行統計分析，看到電壓為400～440的抽樣數據1181萬組，約占90.85%;電壓為440～460V的108.4萬組，約占8.34%;電壓≥460V的10.6萬組，約占0.82%。按以上變壓器低壓運行狀況，如電容器額定電壓選取400V，則每臺變壓器所配置電容器大約每年可能經受193次1.15倍額定電壓沖擊，顯而易見，對于電容器極板局部擊穿乃至運行壽命都非常不利。如果將電容器額定電壓提高，又將大大增加設備投資。對此，采取的做法是按國家標準優先推薦值選取電容器額定電壓為400V，同時電容器投切采用并聯控制原則。

 

    4.并聯控制投切電容器

 

    采取電容器安裝處的功率因數和電壓兩參數為投切控制依據來進行綜合控制，可確保無功補償裝置電容器運行區域始終保持在1.1倍穩定過電壓范圍。

 

    電容器投入運行的條件為功率因數低于設計要求且電壓低于上限值，或電壓低于下限值同時功率因數小于1;切除電容器退出運行的條件為功率因數高于1或電壓高于上限值。一般電壓上限取1.05倍額定電壓，電壓下限取0.9倍額定電壓。

 

    近期，筆者對所在地區2002年安裝的320套公用變壓器低壓側無功補償電容器進行抽檢測試，所得數據顯示安裝處功率因數為0.91～0.99之間，高運行電壓為419V，電容器靜態電容值年平均下降1.2%。事實證明，采取功率因數與電壓并聯控制投切方式，無功功率的補償效果及穩定電容器的運行電壓均效果良好.

 

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