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浅谈集合式电容器的应用

信息时间：2007-03-08 信息来源：

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简介： 本文介绍了平顶山供电区装设的集合式电容器成套装置，对装设过程中变电站无功补偿容量的确定、集合式电容器及其配套设备型式和参数的选择等作了说明，还对集合式电容器运行过程中可能出现的涌流、过电压以及对电网谐波放大等一系列问题进行了分析并介绍了采取的抑制措施，最后对如何更合理地选用集合式电容器成套装置提出了一些看法。
关键字：集合式电容器 涌流 过电压 谐波放大
1　前言
    平顶山供电区地处华中电网火电基地之一，多数变电站运行电压偏高，所以过去各站均未装设无功补偿装置。这就造成平顶山供电区内缺乏无功，功率因数偏低，线损率偏高。随着有载调压变压器的广泛使用，经计算分析，安装补偿电容装置后，与变压器有载调压装置配合，大部分变电站可满足母线电压的要求，同时也提高了系统功率因数，达到《城市电力网规划设计导则》的有关规定和一流供电企业的考核要求。于是从1998年起，平顶山供电区相继在辖区内的1个220kV变电站、5个110kV变电站和2个35kV变电站装设了集合式电容器成套装置。
    并联补偿电容器在运行中存在操作过电压、合闸涌流及放大谐波电流等一系列问题，这是设计工作中所必须考虑的。笔者参加了在这些变电站装设集合式电容器成套装置的安装设计工作，设计工作中遇到了较多问题，　　通过对有关专著的学习研究和向有关专家请教，对这些问题有了一些初步的认识。这里针对一些具有普遍性的问题，结合平顶山供电区的具体做法，进行一些简单的归纳和分析，以便于和广大同行进行分析和探讨，共同提高对电力电容器的认识。
2　变电站无功补偿容量的确定
   根据无功分层平衡，就地补偿的原则，变电站装设的无功补偿装置仅用来补偿站内的无功损耗。站内的无功损耗主要是主变的无功损耗，包括励磁损耗和漏抗损耗两部分，励磁损耗属不变无功损耗，其值为变压器额定容量的比例即变压器的空载电流百分数，数值较小。漏抗无功损耗与变压器的运行负荷大小有关，在变压器无功损耗中占绝大部分。因此在计算时必须根据主变当前负荷并考虑到负荷将来的发展，计算出主变的无功损耗后，结合集合式电容器产品规格，来确定无功补偿容量。
3　集合式电容器的选用
   集合式电容器由多个带小铁壳的单元电容器组成，单元电容器是全密封的，其内部主要是多个并联的装有内熔丝的小电容元件和液体浸渍剂。单元电容器按设计要求并联和串联联接，固定在支架上，装入大油箱，注入绝缘油，组成集合式电容器。
　　我们采用的集合式电容器全部为全膜介质，全膜产品较膜纸复合产品损坏率很低，且体积小、重量轻、介损低、节能，元件击穿时击穿点的膜熔化，不析出气体，大大提高了产品的可靠性。
　　我们采用的集合式电容器可分三档（分Q／3、2Q／3和Q三档，Q为集合式电容器总容量）或两档（分Q／2和Q两档调容，这使变电站可根据负荷变化合理调整补偿容量，避免负荷轻时电容器投不上的弊病。调容须在断电情况下进行，调容的方式有抽头调容和转换开关调容两种。
使用转换开关调容的集合式电容器调容转换开关置于集合式电容器的箱体内，由调容转换开关引出一根16芯控制电缆至调容控制器，在断电情况下通过调容控制器上的档位转换按钮实现集合式电容器的调容。调容控制器上还装有远动接口，所以采用转换开关调容的集合式电容器为电容分组自动投切、实施无功、电压综合控制以及实现远方操作创造了条件。其缺点是若转换开关出现故障，需打开集合电容器箱体进行维修，这需厂方派技术人员现场指导。
    使用抽头调容的集合式电容器在电容器箱体上一般按总容量的1／3和2／3引出抽头，并在箱体上安装两组调容隔离开关，通过操作调容隔离开关，对集合式电容器进行调容。其优点是调容隔离开关装置的故障机率较低，出现故障后也容易维修，缺点是使用抽头调容的集合式电容器体积较大，难以实现远动、自动功能。
    在平顶山供电区变电站装设无功补偿装置前，除郏县变和龙泉变外其它各已建成的变电站均未预留装设电容补偿装置的位置，多数变电站内可利用空地较少。根据我局实际情况，比较其优缺点，我们确定采用集合式电容器成套装置对各已建成的变电站进行无功补偿。
    目前全膜、充油的集合式电容器已成为并联补偿电容器的主导产品。但更先进的产品已经出现并投入运行。
3．1　充气集合式电容器
    这种集合式电容器的内部电容器单元与常规集合式电容器相同，但在大外壳中采用SF₆等气体进行绝缘和散热，在场强和容量相同的情况下含油量为常规集合式电容器的1／8，大大降低了故障情况下造成火灾的危险性，当然也不存在渗漏油的问题。充气集合式电容器更易维护，只在气体压力低于0．005MPa时，充入少量氮气既可，而这一般是在产品正常使用十年之后的事。另外充气集合式电容器还具有零部件种类少，结构简单；重量轻，安装运输方便；防爆，经济性能好（成本与常规集合式电容器相当）等优点。
3．2　箱式电容器
    箱式电容器基本上相当于去掉单元电容器小金属外壳的集合式电容器，这就排除了单元电容器对小金属外壳击穿的可能性，提高了可靠性。用油量少，较同等级的集合式电容器重量减轻30％左右。箱式电容器在比特性、制造成本、消耗金属材料和冷却介质以及重量等技术经济指标上均优于集合式电容器，但若发生内部故障则必须返厂修理。在日本，集合式电容器经过短暂时间即被箱式电容器所取代。
3．3　干式可自愈高压并联电容器
　　这种电容器的元件采用金属化聚丙烯膜绕卷而成，并由树脂灌封，多个这种电容器元件并联组成电容器单元，电容器单元电压限制在1kV左右。多个电容器单元串联组成这种电容器。这种电容器难燃、难爆，免维护，为模块结构，可根据需要扩展成不同容量。
　　 这些更先进的产品应是我们今后选用并联补偿电容器时重点关注的对象。
4　并联补偿电容器投入电网时的涌流计算及串联电抗器的选择　　
　　在电容器（组）投入电网运行的瞬间总会出现高幅值的电流，称为涌流。若不串联电抗器加以限制，涌流峰值可能超过电容器（组）额定电流的100倍。在高幅值涌流的冲击下，不仅会使电容器发生损坏，还会使电网中的开关、电流互感器等设备受损，继电保护设备误动。
　　 并联补偿电容器装置的合闸涌流限值为电容器额定电流的20倍，当超过时应装设串联电抗器予以限制。装设的串联电抗器仅用于限制合闸涌流时，电抗率宜取0．1％～1％。
结合平顶山供电区谐波治理情况，考虑到集合式电容器成套装置中为限制某次谐波而配置大电抗器时一方面增加无功损耗，另一方面还将提高电容器端子上的运行电压，提高过电压水平，影响电容器的安全与寿命。所以我们的集合电容器成套装置中均配置K＝1％的小电抗器，仅用来限制合闸涌流。
5　并联补偿电容器的过电压保护
5．1　目前国内外主要使用氧化锌避雷器（MOA）对并联补偿电容器进行操作过电压保护。试验研究中的数据表明：
　 　①各种操作过电压中，分闸操作时的过电压是主要的，其中分闸操作过电压又主要出现在单相重击穿时，两相重击穿和一次操作时出现多次重击穿的机率均很少。
　　②单相重击穿的突出特点是电容器极间电压基本不升高，过电压主要在中性点对地的杂散电容上，然后由中性点传递到非重击穿相，因此，无论直接限制相—地间电压，还是限制中性点—地间电压，均能达到限制单相重击穿过电压的目的。这种过电压可超过4（P．U）。而当电源侧有接地故障时发生单相重击穿，其过电压倍数更高。
　　③两相重击穿由于重击穿后时间上的差异，不仅可能产生极对地的过电压，也可产生电容器的极间过电压。极对地过电压是在一相首先击穿后，即单相重击穿过程中产生。随即在另一相断口上产生很高的恢复电压，而使断口击穿，即形成两相重击穿。两相重击穿后在两相的电容、电感回路中产生强烈的暂态过程，由此在电容器极间产生过电压。过电压值与网络参数、X_L／X_C值等有关。两相重击穿时极间过电压可达3（P．U），而极对地过电压却远没有带接地故障时的单相重击穿严重。如电容器相间杂散电容与回路中的电感发生谐振，则可能产生更高的过电压。
　　④电源侧有单相接地故障时的单相重击穿，对电容器的极间电压无影响；两相重击穿时过电压也不受单相接地的影响。
　　 以上四点是我们确定避雷器接线方式和选择避雷器参数的主要依据。
5．2　保护并联补偿电容器用MOA的接线方式
　　典型的对集合式电容器进行操作过电压保护的MOA的接线方式见图1。




　　图1a接线将串联电抗器串接在集合式电容器之前，将MOA接在串联电抗器和集合式电容器之间。图1b接线将串联电抗器后置，将MOA接在集合式电容器和串联电抗器之前。由于串联回路中电容器和电抗器上的电压相位总是相反的，所以，对于图1b接线方式，避雷器上的电压要低于电容器上的电压，使电容器极地间过电压不能得到有效的保护。
　　 运行中，使用MOA采用传统的相地保护方案限制单相重击穿过电压时，多次发生避雷器的爆炸事故。因此，武汉高压研究所和东北电力试验研究院都在自己的研究报告中提出了中性点避雷器的保护方案，并建议以此代替传统的相对地保护方案。即采用图1c接线，报告中分析认为，中性点避雷器有以下优点：
①正常运行时荷电率接近于零，仅在电源侧有单相接地故障时荷电率较高，这使避雷器电阻片得以自恢复，大大延缓避雷器的老化速度，减少了避雷器的损坏事故，对电容器的安全运行有利；
②使用避雷器数量少，最经济；
　　 ③避雷器接在中性点，万一发生爆炸事故，难以形成相间短路，事故影响面小。
    但是，当电源侧有单相接地故障时开断电容器发生单相重击穿，中性点避雷器的工作条件更为严酷，它将同时吸收电源、电容器组和中性点杂散电容释放的能量，易引起避雷器爆炸，因此，中性点避雷器的使用条件还要局限于不考虑电源侧有单相接地故障时的单相重击穿，或对运行条件加以限制：当电源侧有单相接地故障时不能作停运电容器的操作。
    对于两相重击穿时产生的极间过电压避雷器的图1a～图1c三种接线均限制不了，为限制两相重击穿过电压同时也能限制单相重击穿过电压，可采用图1d和图1e接线。但由于电容器极间耐受电压水平较低，用于电容器极间过电压保护的MOA的直流1mA参考电压只能选择在（1．86～2）U_n左右，在两相重击穿时承受过大的放电能量，极易造成用于电容器极间过电压保护的MOA的损坏，因此，这种保护方式是不完全可靠的。两相重击穿过电压发生的概率很小，为此增加用于电容器极间过电压保护的MOA的2ms方波通流能力得不偿失，最好的解决办法是选用不重击穿的，至少是不发生两相重击穿的真空开关投切电容器。
    经过分析比较，我们对集合式电容器进行操作过电压保护的MOA的接线方式采用图1a接线。避雷器采用有机复合外套的MOA，以避免因避雷器爆炸而造成集合式电容器成套装置的相间短路。由于图1a接线无法限制两相重击穿过电压，我们尽量选用性能良好的真空断路器来投切集合式电容器，要求用来投切集合式电容器的真空断路器必须经过“老炼”处理，并对真空断路器的机构严格进行调整，保证三相同期操动，减少弹跳，以限制重击穿过电压。
6　结束语
　　通过对这次平顶山供电区大规模装设集合式电容器成套装置的工作的回顾和总结，对变电站的无功补偿装置有这样几个想法。
6．1　按照变电站的无功补偿装置仅补偿站内无功损耗的原则来确定变电站无功补偿容量时，准确掌握变压器的负荷情况是非常重要的。因为变电站的无功损耗主要是变压器的无功损耗，变压器的无功损耗直接受其所带负荷的影响。因此确定变电站无功补偿容量时，首先应准确掌握变电站当前的负荷情况，包括其年最大负荷、年最小负荷、月最大负荷、月最小负荷及其负荷在1年内和1月
内的变化规律等情况，然后还需掌握该变电站5年乃至10年的负荷发展，最后根据这些情况确定无功补偿总容量和分档容量。
6．2　目前我们使用电压无功自动控制屏对集合式电容器进行控制，它根据变电站的功率因数和电压水平来调节有载调压变压器分接头和自动投切集合式电容器，但集合式电容器的分档调容仍需在断电情况下手动操作，这就难以充分发挥可调容集合式电容器的优势，也难以使变电站的功率因数和电压水平达到最佳状态。据了解有的厂家已生产出了与其可调容集合式电容器配套的高压可调容智能综合控制器，该装置可根据变电站的功率因数和电压水平，对可调容集合式电容器自动进行调档、投切。该装置同时还对电容器组设有过流、速断、欠压、过压和开口三角形电压保护，并可自动按照电容档位修正保护定值。用这种装置和电压无功自动控制屏结合起来使用，无疑将会提高变电站对电压和无功功率自动控制的水平，更利于保证变电站电压合格，无功功率基本平衡。
6．3　并联补偿电容器组的过电压保护是个相当复杂的技术问题，对采用避雷器抑制电容器操作过电压的研究工作还在继续，特别是一些接线方式下避雷器参数的选择计算，还没有统一的结论。我们对于集合式电容器的运行经验非常少，我们将在今后的运行中，密切关注集合式电容器的运行情况，不断总结经验。