無(wú)功補償電容器運行特性參數選取

1 電力電容器及其主要特性參數
電力電容器是無(wú)功補償裝置的主要部件。隨著(zhù)技術(shù)進(jìn)步和工藝更新,紙介質(zhì)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(zhì)中兩面蒸鍍金屬體為電極,其最大的改進(jìn)是
電容器在電介質(zhì)局部擊穿時(shí)其絕緣具有自然恢復性能,即電介質(zhì)局部擊穿時(shí),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(huì )造成極板面積減少使電容C 及相應無(wú)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(wú)功功率。
1. 1 額定電壓
GB 1274721991《自愈式低電壓并聯(lián)電容器》第3. 2 條規定“電容器額定電壓優(yōu)先值如
下0. 23 ,0. 4 ,0. 525 及0. 69 kV?！彪娙萜黝~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(zhì)的介電系數有關(guān),其計算式為C = 1 4π ε× S D
式中ε為極板間絕緣介質(zhì)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(wú)直接關(guān)系, C 值似乎僅取決于電容器極板面積和絕緣介
質(zhì),但這只是電容器未接網(wǎng)投運時(shí)的靜態(tài)狀況;接網(wǎng)投運后,由于電介質(zhì)局部擊穿造成極板面
積減少從而會(huì )影響到電容C 數值降低,因此運行過(guò)程中, 電容C 是個(gè)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(tài)過(guò)電壓能力。出廠(chǎng)電容器的電容值定義為靜態(tài)電
容。一般,投運后第一年電容值下降率應在2 %以?xún)?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(zhì)老化,電容值將加速下降,當電容值下降至出廠(chǎng)時(shí)的85 %以下,可認為
該電容器壽命期結束。
1. 3 無(wú)功功率
在交流電路中,無(wú)功功率QC = UI sinφ由于電容器電介質(zhì)損耗角極小,φ= 90°,所以sin
φ= 1 ,則無(wú)功功率QC = UI =ωCU2 ×10 - 3 = 2πf CU2 ×10 - 3 (μF) ,從該式可見(jiàn),電容器
無(wú)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(guān),電容器額定無(wú)功功
率的準確定義應是標準頻率下外接額定電壓時(shí)靜態(tài)電容C 所對應的無(wú)功率。接網(wǎng)投運后電
容器所輸出實(shí)際無(wú)功功率能否達到標定容量,則需視運行電壓狀況。當電網(wǎng)電壓低于電容器
額定電壓時(shí),電容器所輸出的無(wú)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(shí)際運行電壓長(cháng)期低于額定值,很可能因電容器無(wú)功出力低于設計值造成電網(wǎng)無(wú)功短
缺。
3 無(wú)功補償電容裝置參數的選取誤區
無(wú)功補償裝置在進(jìn)行設計選型及設備訂貨時(shí),提供給廠(chǎng)家的參數往往僅是電容補償柜型
號和無(wú)功功率數值,而電容器額定電壓及靜態(tài)電容值這兩個(gè)重要參數常被忽略。由于電容器
生產(chǎn)廠(chǎng)家對產(chǎn)品安裝處電壓狀況不甚了解,在產(chǎn)品設計時(shí)往往側重于降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本和減
少電介質(zhì)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(wǎng)運行的
無(wú)功補償效果會(huì )造成什么影響 對電網(wǎng)建設投資又會(huì )引起什么變化呢 可通過(guò)以下案例進(jìn)行
分析。
例如某臺10 0. 4 kV 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(jìn)行集中
無(wú)功補償,經(jīng)計算需補償無(wú)功功率100 kvar ,如果按額定電壓U = 450 V 配置電容器,根據QC

=ωCU2 ×10 - 3 計算,電容器組的靜態(tài)電容值C 為1 572μF ,接入電網(wǎng)后在運行電壓U =
400 V 的狀態(tài)下,該電容器實(shí)際向電網(wǎng)提供的無(wú)功功率QC 為79 kvar ,補償效果僅達預期的
79 %。反之,在上述條件下,要想保證實(shí)際補償效果為100 kvar ,則至少需配置電容器無(wú)功功率
為127 kvar ,也就意味著(zhù)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(wàn)kvar ,按30 %補償率計需補償無(wú)功功率近18 萬(wàn)kvar 。按上述分析,如選取額定
電壓為450 V ,則無(wú)功補償量需在原有數字上增加4. 86 萬(wàn)kvar ,既便采取交流接觸器投切靜
態(tài)補償方式,設備購置投資亦需增加1 080 萬(wàn)元 年。如采取晶閘管投切動(dòng)態(tài)補償方式,則設備
購置投資增加額則達到1980 萬(wàn)元 年。因此,為保證實(shí)際補償效果與設計一致,無(wú)功補償設備
訂貨不僅應提出電容補償柜的型號和無(wú)功功率數量,還應明確電容器額定電壓,同時(shí)應要求設
備生產(chǎn)廠(chǎng)家在電容器出廠(chǎng)銘牌上標明無(wú)功功率數量,額定電壓數值以及靜態(tài)電容C 數值。
3 低壓電容器額定電壓及穩態(tài)過(guò)電壓范圍的選取
從以上分析可見(jiàn),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(guò)低又可能因電介質(zhì)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(mǎn)足建設前期設備投資最少,同
時(shí)又需做到電容器運行期間電介質(zhì)局部擊穿率最低,也就是說(shuō)電容器運行電壓需盡可能保持
在電容器所允許的穩態(tài)過(guò)電壓范圍內。
GB 1274721991《自愈式低電壓并聯(lián)電容器》第4. 1. 5. 1 條對電容器穩態(tài)過(guò)電壓明確規
定如下“電容器應能在1. 1 倍額定電壓下長(cháng)期運行,并且在整個(gè)使用壽命期內可承受200 次
以?xún)鹊?. 15 倍額定電壓值的電壓沖擊?！敝猩绞?998 年以來(lái)公用變壓器低壓臺區的供電半
徑基本達到城鎮為250 m 以?xún)?農村為500 m 以?xún)?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150 m 內,根據國家《供電營(yíng)業(yè)規則》規定10 kV 及以下三
相供電用戶(hù)受電端電壓偏差為±7 %,220 V 單相供電用戶(hù)受電端電壓偏差為+ 7 %～ - 10
%。本著(zhù)兼顧變壓器近端用戶(hù)最高受電端電壓和遠端用戶(hù)最低受電端電壓的原則,一般10 0. 4
kV 公用變壓器低壓出口平均電壓保持在400～440 V ,但短時(shí)間仍存在 440 V 的最高電壓。
近期,對550 臺公用配電變壓器的抽樣檢測數據1300 萬(wàn)組進(jìn)行統計分析,看到電壓為400～
440 的抽樣數據1 181 萬(wàn)組,約占90. 85 %;電壓為440～460 V 的108. 4 萬(wàn)組,約占8. 34 %;
電壓≥460 V 的10. 6 萬(wàn)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400 V ,則每臺變壓器所配置電容器
大約每年可能經(jīng)受193 次1. 15 倍額定電壓沖擊,顯而易見(jiàn),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(yōu)先推薦值選取電容器額定電壓為400 V ,同時(shí)電容器投切采用并聯(lián)控制原
則。
4 并聯(lián)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(lái)進(jìn)行綜合控制,可確保無(wú)
功補償裝置電容器運行區域始終保持在1. 1 倍穩定過(guò)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(shí)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(wú)功補償電容器進(jìn)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,最高運行電壓為419 V ,電容器靜態(tài)
電容值年平均下降 1. 2 %。事實(shí)證明,采取功率因數與電壓并聯(lián)控制投切方式,無(wú)功功率的補償效果及穩定電容器的運行電壓均效果良好。