無功補(bǔ)償電容器運(yùn)行特性參數(shù)選取

1 電力電容器及其主要特性參數(shù)
電力電容器是無功補(bǔ)償裝置的主要部件。隨著技術(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)局部擊穿時其絕緣具有自然恢復(fù)性能,即電介質(zhì)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(yīng)無功功率有
所下降,但不影響電容器正常運(yùn)行。
自愈式電容器主要特性參數(shù)有額定電壓、電容、無功功率。
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(guī)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(shè)備額定運(yùn)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(shù)有關(guān),其計(jì)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(shù); 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(shù)值與電壓無直接關(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(yùn)時的靜態(tài)狀況;接網(wǎng)投運(yùn)后,由于電介質(zhì)局部擊穿造成極板面
積減少從而會影響到電容C 數(shù)值降低,因此運(yùn)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(yùn)行電壓狀況和自身穩(wěn)態(tài)過電壓能力。出廠電容器的電容值定義為靜態(tài)電
容。一般,投運(yùn)后第一年電容值下降率應(yīng)在2 %以內(nèi),第二年至第五年電容值下降率應(yīng)在1 %～
2 % ,第五年后因電介質(zhì)老化,電容值將加速下降,當(dāng)電容值下降至出廠時的85 %以下,可認(rèn)為
該電容器壽命期結(jié)束。
1. 3 無功功率
在交流電路中,無功功率QC = UI sinφ由于電容器電介質(zhì)損耗角極小,φ= 90°,所以sin
φ= 1 ,則無功功率QC = UI =ωCU2 ×10 - 3 = 2πf CU2 ×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(guān),電容器額定無功功
率的準(zhǔn)確定義應(yīng)是標(biāo)準(zhǔn)頻率下外接額定電壓時靜態(tài)電容C 所對應(yīng)的無功率。接網(wǎng)投運(yùn)后電
容器所輸出實(shí)際無功功率能否達(dá)到標(biāo)定容量,則需視運(yùn)行電壓狀況。當(dāng)電網(wǎng)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(biāo)定值。因此如果電容器額定電壓選擇偏高,電
容器實(shí)際運(yùn)行電壓長期低于額定值,很可能因電容器無功出力低于設(shè)計(jì)值造成電網(wǎng)無功短
缺。
3 無功補(bǔ)償電容裝置參數(shù)的選取誤區(qū)
無功補(bǔ)償裝置在進(jìn)行設(shè)計(jì)選型及設(shè)備訂貨時,提供給廠家的參數(shù)往往僅是電容補(bǔ)償柜型
號和無功功率數(shù)值,而電容器額定電壓及靜態(tài)電容值這兩個重要參數(shù)常被忽略。由于電容器
生產(chǎn)廠家對產(chǎn)品安裝處電壓狀況不甚了解,在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時往往側(cè)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(biāo)準(zhǔn)推薦值,這樣做對電網(wǎng)運(yùn)行的
無功補(bǔ)償效果會造成什么影響 對電網(wǎng)建設(shè)投資又會引起什么變化呢 可通過以下案例進(jìn)行
分析。
例如某臺10 0. 4 kV 變壓器,按照功率因數(shù)0. 9 的運(yùn)行要求,需在變壓器低壓側(cè)進(jìn)行集中
無功補(bǔ)償,經(jīng)計(jì)算需補(bǔ)償無功功率100 kvar ,如果按額定電壓U = 450 V 配置電容器,根據(jù)QC

=ωCU2 ×10 - 3 計(jì)算,電容器組的靜態(tài)電容值C 為1 572μF ,接入電網(wǎng)后在運(yùn)行電壓U =
400 V 的狀態(tài)下,該電容器實(shí)際向電網(wǎng)提供的無功功率QC 為79 kvar ,補(bǔ)償效果僅達(dá)預(yù)期的
79 %。反之,在上述條件下,要想保證實(shí)際補(bǔ)償效果為100 kvar ,則至少需配置電容器無功功率
為127 kvar ,也就意味著設(shè)備投資需要增加27 %。中山市2004 年變壓器增加898 臺,合計(jì)容
量近60 萬kvar ,按30 %補(bǔ)償率計(jì)需補(bǔ)償無功功率近18 萬kvar 。按上述分析,如選取額定
電壓為450 V ,則無功補(bǔ)償量需在原有數(shù)字上增加4. 86 萬kvar ,既便采取交流接觸器投切靜
態(tài)補(bǔ)償方式,設(shè)備購置投資亦需增加1 080 萬元 年。如采取晶閘管投切動態(tài)補(bǔ)償方式,則設(shè)備
購置投資增加額則達(dá)到1980 萬元 年。因此,為保證實(shí)際補(bǔ)償效果與設(shè)計(jì)一致,無功補(bǔ)償設(shè)備
訂貨不僅應(yīng)提出電容補(bǔ)償柜的型號和無功功率數(shù)量,還應(yīng)明確電容器額定電壓,同時應(yīng)要求設(shè)
備生產(chǎn)廠家在電容器出廠銘牌上標(biāo)明無功功率數(shù)量,額定電壓數(shù)值以及靜態(tài)電容C 數(shù)值。
3 低壓電容器額定電壓及穩(wěn)態(tài)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(yùn)行電壓可能造成補(bǔ)償容量不足或引起設(shè)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(zhì)局部擊穿造成電容C 值下降從而影響
補(bǔ)償效果。正確的選擇原則應(yīng)是在保證補(bǔ)償效果的前提下,既滿足建設(shè)前期設(shè)備投資最少,同
時又需做到電容器運(yùn)行期間電介質(zhì)局部擊穿率最低,也就是說電容器運(yùn)行電壓需盡可能保持
在電容器所允許的穩(wěn)態(tài)過電壓范圍內(nèi)。
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(wěn)態(tài)過電壓明確規(guī)
定如下“電容器應(yīng)能在1. 1 倍額定電壓下長期運(yùn)行,并且在整個使用壽命期內(nèi)可承受200 次
以內(nèi)的1. 15 倍額定電壓值的電壓沖擊?！敝猩绞?998 年以來公用變壓器低壓臺區(qū)的供電半
徑基本達(dá)到城鎮(zhèn)為250 m 以內(nèi),農(nóng)村為500 m 以內(nèi),變壓器設(shè)置按深入負(fù)荷中心原則,75 %以
上的低壓負(fù)荷分布在變壓器附近150 m 內(nèi),根據(jù)國家《供電營業(yè)規(guī)則》規(guī)定10 kV 及以下三
相供電用戶受電端電壓偏差為±7 %,220 V 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最高受電端電壓和遠(yuǎn)端用戶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(shù)據(jù)1300 萬組進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,看到電壓為400～
440 的抽樣數(shù)據(jù)1 181 萬組,約占90. 85 %;電壓為440～460 V 的108. 4 萬組,約占8. 34 %;
電壓≥460 V 的10. 6 萬組,約占0. 82 %。
按以上變壓器低壓運(yùn)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,對于電容器極板局部擊穿乃至運(yùn)
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(shè)備投資。對此,采取的做法
是按國家標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)先推薦值選取電容器額定電壓為400 V ,同時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(shù)和電壓兩參數(shù)為投切控制依據(jù)來進(jìn)行綜合控制,可確保無
功補(bǔ)償裝置電容器運(yùn)行區(qū)域始終保持在1. 1 倍穩(wěn)定過電壓范圍。電容器投入運(yùn)行的條件為
功率因數(shù)低于設(shè)計(jì)要求且電壓低于上限值,或電壓低于下限值同時功率因數(shù)小于1 ;切除電容
器退出運(yùn)行的條件為功率因數(shù)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(qū)2002 年安裝的320 套公用變壓器低壓側(cè)無功補(bǔ)償電容器進(jìn)行抽檢測
試,所得數(shù)據(jù)顯示 安裝處功率因數(shù)為0. 91 ～0. 99 之間,最高運(yùn)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(shù)與電壓并聯(lián)控制投切方式,無功功率的補(bǔ)償效果及穩(wěn)定電容器的運(yùn)行電壓均效果良好。