摘要：本文介紹了平頂山供電區(qū)裝設(shè)的集合式電容器成套裝置，對(duì)裝設(shè)過(guò)程中變電站無(wú)功補(bǔ)償容量的確定、集合式電容器及其配套設(shè)備型式和參數(shù)的選擇等作了說(shuō)明，還對(duì)集合式電容器運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的涌流、過(guò)電壓以及對(duì)電網(wǎng)諧波放大等一系列問(wèn)題進(jìn)行了分析并介紹了采取的抑制措施，最后對(duì)如何更合理地選用集合式電容器成套裝置提出了一些看法。 關(guān)鍵詞：集合式電容器 涌流 過(guò)電壓 諧波放大 1　前言 平頂山供電區(qū)地處華中電網(wǎng)火電基地之一，多數(shù)變電站運(yùn)行電壓偏高，所以過(guò)去各站均未裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置。這就造成平頂山供電區(qū)內(nèi)缺乏無(wú)功，功率因數(shù)偏低，線(xiàn)損率偏高。隨著有載調(diào)壓變壓器的廣泛使用，經(jīng)計(jì)算分析，安裝補(bǔ)償電容裝置后，與變壓器有載調(diào)壓裝置配合，大部分變電站可滿(mǎn)足母線(xiàn)電壓的要求，同時(shí)也提高了系統(tǒng)功率因數(shù)，達(dá)到《城市電力網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則》的有關(guān)規(guī)定和一流供電企業(yè)的考核要求。于是從1998年起，平頂山供電區(qū)相繼在轄區(qū)內(nèi)的1個(gè)220kV變電站、5個(gè)110kV變電站和2個(gè)35kV變電站裝設(shè)了集合式電容器成套裝置。 　　 并聯(lián)補(bǔ)償電容器在運(yùn)行中存在操作過(guò)電壓、合閘涌流及放大諧波電流等一系列問(wèn)題，這是設(shè)計(jì)工作中所必須考慮的。筆者參加了在這些變電站裝設(shè)集合式電容器成套裝置的安裝設(shè)計(jì)工作，設(shè)計(jì)工作中遇到了較多問(wèn)題，　　通過(guò)對(duì)有關(guān)專(zhuān)著的學(xué)習(xí)研究和向有關(guān)專(zhuān)家請(qǐng)教，對(duì)這些問(wèn)題有了一些初步的認(rèn)識(shí)。這里針對(duì)一些具有普遍性的問(wèn)題，結(jié)合平頂山供電區(qū)的具體做法，進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的歸納和分析，以便于和廣大同行進(jìn)行分析和探討，共同提高對(duì)電力電容器的認(rèn)識(shí)。 2　變電站無(wú)功補(bǔ)償容量的確定 根據(jù)無(wú)功分層平衡，就地補(bǔ)償?shù)脑瓌t，變電站裝設(shè)的無(wú)功補(bǔ)償裝置僅用來(lái)補(bǔ)償站內(nèi)的無(wú)功損耗。站內(nèi)的無(wú)功損耗主要是主變的無(wú)功損耗，包括勵(lì)磁損耗和漏抗損耗兩部分，勵(lì)磁損耗屬不變無(wú)功損耗，其值為變壓器額定容量的比例即變壓器的空載電流百分?jǐn)?shù)，數(shù)值較小。漏抗無(wú)功損耗與變壓器的運(yùn)行負(fù)荷大小有關(guān)，在變壓器無(wú)功損耗中占絕大部分。因此在計(jì)算時(shí)必須根據(jù)主變當(dāng)前負(fù)荷并考慮到負(fù)荷將來(lái)的發(fā)展，計(jì)算出主變的無(wú)功損耗后，結(jié)合集合式電容器產(chǎn)品規(guī)格，來(lái)確定無(wú)功補(bǔ)償容量。 3　集合式電容器的選用 集合式電容器由多個(gè)帶小鐵殼的單元電容器組成，單元電容器是全密封的，其內(nèi)部主要是多個(gè)并聯(lián)的裝有內(nèi)熔絲的小電容元件和液體浸漬劑。單元電容器按設(shè)計(jì)要求并聯(lián)和串聯(lián)聯(lián)接，固定在支架上，裝入大油箱，注入絕緣油，組成集合式電容器。 　　 我們采用的集合式電容器全部為全膜介質(zhì)，全膜產(chǎn)品較膜紙復(fù)合產(chǎn)品損壞率很低，且體積小、重量輕、介損低、節(jié)能，元件擊穿時(shí)擊穿點(diǎn)的膜熔化，不析出氣體，大大提高了產(chǎn)品的可靠性。 　　 我們采用的集合式電容器可分三檔（分Q／3、2Q／3和Q三檔，Q為集合式電容器總?cè)萘浚┗騼蓹n（分Q／2和Q兩檔調(diào)容，這使變電站可根據(jù)負(fù)荷變化合理調(diào)整補(bǔ)償容量，避免負(fù)荷輕時(shí)電容器投不上的弊病。調(diào)容須在斷電情況下進(jìn)行，調(diào)容的方式有抽頭調(diào)容和轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)調(diào)容兩種。 使用轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)調(diào)容的集合式電容器調(diào)容轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置于集合式電容器的箱體內(nèi)，由調(diào)容轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)引出一根16芯控制電纜至調(diào)容控制器，在斷電情況下通過(guò)調(diào)容控制器上的檔位轉(zhuǎn)換按鈕實(shí)現(xiàn)集合式電容器的調(diào)容。調(diào)容控制器上還裝有遠(yuǎn)動(dòng)接口，所以采用轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)調(diào)容的集合式電容器為電容分組自動(dòng)投切、實(shí)施無(wú)功、電壓綜合控制以及實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方操作創(chuàng)造了條件。其缺點(diǎn)是若轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)出現(xiàn)故障，需打開(kāi)集合電容器箱體進(jìn)行維修，這需廠(chǎng)方派技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)。 　　 使用抽頭調(diào)容的集合式電容器在電容器箱體上一般按總?cè)萘康?／3和2／3引出抽頭，并在箱體上安裝兩組調(diào)容隔離開(kāi)關(guān)，通過(guò)操作調(diào)容隔離開(kāi)關(guān)，對(duì)集合式電容器進(jìn)行調(diào)容。其優(yōu)點(diǎn)是調(diào)容隔離開(kāi)關(guān)裝置的故障機(jī)率較低，出現(xiàn)故障后也容易維修，缺點(diǎn)是使用抽頭調(diào)容的集合式電容器體積較大，難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)動(dòng)、自動(dòng)功能。 　　 在平頂山供電區(qū)變電站裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置前，除郟縣變和龍泉變外其它各已建成的變電站均未預(yù)留裝設(shè)電容補(bǔ)償裝置的位置，多數(shù)變電站內(nèi)可利用空地較少。根據(jù)我局實(shí)際情況，比較其優(yōu)缺點(diǎn)，我們確定采用集合式電容器成套裝置對(duì)各已建成的變電站進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。 　　 目前全膜、充油的集合式電容器已成為并聯(lián)補(bǔ)償電容器的主導(dǎo)產(chǎn)品。但更先進(jìn)的產(chǎn)品已經(jīng)出現(xiàn)并投入運(yùn)行。 3．1　充氣集合式電容器 這種集合式電容器的內(nèi)部電容器單元與常規(guī)集合式電容器相同，但在大外殼中采用SF6等氣體進(jìn)行絕緣和散熱，在場(chǎng)強(qiáng)和容量相同的情況下含油量為常規(guī)集合式電容器的1／8，大大降低了故障情況下造成火災(zāi)的危險(xiǎn)性，當(dāng)然也不存在滲漏油的問(wèn)題。充氣集合式電容器更易維護(hù)，只在氣體壓力低于0．005MPa時(shí)，充入少量氮?dú)饧瓤?，而這一般是在產(chǎn)品正常使用十年之后的事。另外充氣集合式電容器還具有零部件種類(lèi)少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；重量輕，安裝運(yùn)輸方便；防爆，經(jīng)濟(jì)性能好（成本與常規(guī)集合式電容器相當(dāng)）等優(yōu)點(diǎn)。 3．2　箱式電容器 箱式電容器基本上相當(dāng)于去掉單元電容器小金屬外殼的集合式電容器，這就排除了單元電容器對(duì)小金屬外殼擊穿的可能性，提高了可靠性。用油量少，較同等級(jí)的集合式電容器重量減輕30％左右。箱式電容器在比特性、制造成本、消耗金屬材料和冷卻介質(zhì)以及重量等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上均優(yōu)于集合式電容器，但若發(fā)生內(nèi)部故障則必須返廠(chǎng)修理。在日本，集合式電容器經(jīng)過(guò)短暫時(shí)間即被箱式電容器所取代。 3．3　干式可自愈高壓并聯(lián)電容器 這種電容器的元件采用金屬化聚丙烯膜繞卷而成，并由樹(shù)脂灌封，多個(gè)這種電容器元件并聯(lián)組成電容器單元，電容器單元電壓限制在1kV左右。多個(gè)電容器單元串聯(lián)組成這種電容器。這種電容器難燃、難爆，免維護(hù)，為模塊結(jié)構(gòu)，可根據(jù)需要擴(kuò)展成不同容量。 　　 這些更先進(jìn)的產(chǎn)品應(yīng)是我們今后選用并聯(lián)補(bǔ)償電容器時(shí)重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。 4　并聯(lián)補(bǔ)償電容器投入電網(wǎng)時(shí)的涌流計(jì)算及串聯(lián)電抗器的選擇 　　 在電容器（組）投入電網(wǎng)運(yùn)行的瞬間總會(huì)出現(xiàn)高幅值的電流，稱(chēng)為涌流。若不串聯(lián)電抗器加以限制，涌流峰值可能超過(guò)電容器（組）額定電流的100倍。在高幅值涌流的沖擊下，不僅會(huì)使電容器發(fā)生損壞，還會(huì)使電網(wǎng)中的開(kāi)關(guān)、電流互感器等設(shè)備受損，繼電保護(hù)設(shè)備誤動(dòng)。 　　 并聯(lián)補(bǔ)償電容器裝置的合閘涌流限值為電容器額定電流的20倍，當(dāng)超過(guò)時(shí)應(yīng)裝設(shè)串聯(lián)電抗器予以限制。裝設(shè)的串聯(lián)電抗器僅用于限制合閘涌流時(shí)，電抗率宜取0．1％～1％。 結(jié)合平頂山供電區(qū)諧波治理情況，考慮到集合式電容器成套裝置中為限制某次諧波而配置大電抗器時(shí)一方面增加無(wú)功損耗，另一方面還將提高電容器端子上的運(yùn)行電壓，提高過(guò)電壓水平，影響電容器的安全與壽命。所以我們的集合電容器成套裝置中均配置K＝1％的小電抗器，僅用來(lái)限制合閘涌流。 5　并聯(lián)補(bǔ)償電容器的過(guò)電壓保護(hù) 5．1　目前國(guó)內(nèi)外主要使用氧化鋅避雷器（MOA）對(duì)并聯(lián)補(bǔ)償電容器進(jìn)行操作過(guò)電壓保護(hù)。 試驗(yàn)研究中的數(shù)據(jù)表明： 　 　 ①各種操作過(guò)電壓中，分閘操作時(shí)的過(guò)電壓是主要的，其中分閘操作過(guò)電壓又主要出現(xiàn)在單相重?fù)舸r(shí)，兩相重?fù)舸┖鸵淮尾僮鲿r(shí)出現(xiàn)多次重?fù)舸┑臋C(jī)率均很少。 　　 ②單相重?fù)舸┑耐怀鎏攸c(diǎn)是電容器極間電壓基本不升高，過(guò)電壓主要在中性點(diǎn)對(duì)地的雜散電容上，然后由中性點(diǎn)傳遞到非重?fù)舸┫啵虼?，無(wú)論直接限制相—地間電壓，還是限制中性點(diǎn)—地間電壓，均能達(dá)到限制單相重?fù)舸┻^(guò)電壓的目的。這種過(guò)電壓可超過(guò)4（P．U）。而當(dāng)電源側(cè)有接地故障時(shí)發(fā)生單相重?fù)舸?，其過(guò)電壓倍數(shù)更高。 　　 ③兩相重?fù)舸┯捎谥負(fù)舸┖髸r(shí)間上的差異，不僅可能產(chǎn)生極對(duì)地的過(guò)電壓，也可產(chǎn)生電容器的極間過(guò)電壓。極對(duì)地過(guò)電壓是在一相首先擊穿后，即單相重?fù)舸┻^(guò)程中產(chǎn)生。隨即在另一相斷口上產(chǎn)生很高的恢復(fù)電壓，而使斷口擊穿，即形成兩相重?fù)舸?。兩相重?fù)舸┖笤趦上嗟碾娙?、電感回路中產(chǎn)生強(qiáng)烈的暫態(tài)過(guò)程，由此在電容器極間產(chǎn)生過(guò)電壓。過(guò)電壓值與網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、XL／XC值等有關(guān)。兩相重?fù)舸r(shí)極間過(guò)電壓可達(dá)3（P．U），而極對(duì)地過(guò)電壓卻遠(yuǎn)沒(méi)有帶接地故障時(shí)的單相重?fù)舸﹪?yán)重。如電容器相間雜散電容與回路中的電感發(fā)生諧振，則可能產(chǎn)生更高的過(guò)電壓。 　　 ④電源側(cè)有單相接地故障時(shí)的單相重?fù)舸?，?duì)電容器的極間電壓無(wú)影響；兩相重?fù)舸r(shí)過(guò)電壓也不受單相接地的影響。 　　 以上四點(diǎn)是我們確定避雷器接線(xiàn)方式和選擇避雷器參數(shù)的主要依據(jù)。 5．2　保護(hù)并聯(lián)補(bǔ)償電容器用MOA的接線(xiàn)方式 典型的對(duì)集合式電容器進(jìn)行操作過(guò)電壓保護(hù)的MOA的接線(xiàn)方式見(jiàn)圖1。 圖1a接線(xiàn)將串聯(lián)電抗器串接在集合式電容器之前，將MOA接在串聯(lián)電抗器和集合式電容器之間。圖1b接線(xiàn)將串聯(lián)電抗器后置，將MOA接在集合式電容器和串聯(lián)電抗器之前。由于串聯(lián)回路中電容器和電抗器上的電壓相位總是相反的，所以，對(duì)于圖1b接線(xiàn)方式，避雷器上的電壓要低于電容器上的電壓，使電容器極地間過(guò)電壓不能得到有效的保護(hù)。 運(yùn)行中，使用MOA采用傳統(tǒng)的相地保護(hù)方案限制單相重?fù)舸┻^(guò)電壓時(shí)，多次發(fā)生避雷器的爆炸事故。因此，武漢高壓研究所和東北電力試驗(yàn)研究院都在自己的研究報(bào)告中提出了中性點(diǎn)避雷器的保護(hù)方案，并建議以此代替?zhèn)鹘y(tǒng)的相對(duì)地保護(hù)方案。即采用圖1c接線(xiàn)，報(bào)告中分析認(rèn)為，中性點(diǎn)避雷器有以下優(yōu)點(diǎn)： ①正常運(yùn)行時(shí)荷電率接近于零，僅在電源側(cè)有單相接地故障時(shí)荷電率較高，這使避雷器電阻片得以自恢復(fù)，大大延緩避雷器的老化速度，減少了避雷器的損壞事故，對(duì)電容器的安全運(yùn)行有利； ②使用避雷器數(shù)量少，最經(jīng)濟(jì)； 　　 ③避雷器接在中性點(diǎn)，萬(wàn)一發(fā)生爆炸事故，難以形成相間短路，事故影響面小。 　　 但是，當(dāng)電源側(cè)有單相接地故障時(shí)開(kāi)斷電容器發(fā)生單相重?fù)舸?，中性點(diǎn)避雷器的工作條件更為嚴(yán)酷，它將同時(shí)吸收電源、電容器組和中性點(diǎn)雜散電容釋放的能量，易引起避雷器爆炸，因此，中性點(diǎn)避雷器的使用條件還要局限于不考慮電源側(cè)有單相接地故障時(shí)的單相重?fù)舸?，或?qū)\(yùn)行條件加以限制：當(dāng)電源側(cè)有單相接地故障時(shí)不能作停運(yùn)電容器的操作。 　　 對(duì)于兩相重?fù)舸r(shí)產(chǎn)生的極間過(guò)電壓避雷器的圖1a～圖1c三種接線(xiàn)均限制不了，為限制兩相重?fù)舸┻^(guò)電壓同時(shí)也能限制單相重?fù)舸┻^(guò)電壓，可采用圖1d和圖1e接線(xiàn)。但由于電容器極間耐受電壓水平較低，用于電容器極間過(guò)電壓保護(hù)的MOA的直流1mA參考電壓只能選擇在（1．86～2）Un左右，在兩相重?fù)舸r(shí)承受過(guò)大的放電能量，極易造成用于電容器極間過(guò)電壓保護(hù)的MOA的損壞，因此，這種保護(hù)方式是不完全可靠的。兩相重?fù)舸┻^(guò)電壓發(fā)生的概率很小，為此增加用于電容器極間過(guò)電壓保護(hù)的MOA的2ms方波通流能力得不償失，最好的解決辦法是選用不重?fù)舸┑?，至少是不發(fā)生兩相重?fù)舸┑恼婵臻_(kāi)關(guān)投切電容器。 　　 經(jīng)過(guò)分析比較，我們對(duì)集合式電容器進(jìn)行操作過(guò)電壓保護(hù)的MOA的接線(xiàn)方式采用圖1a接線(xiàn)。避雷器采用有機(jī)復(fù)合外套的MOA，以避免因避雷器爆炸而造成集合式電容器成套裝置的相間短路。由于圖1a接線(xiàn)無(wú)法限制兩相重?fù)舸┻^(guò)電壓，我們盡量選用性能良好的真空斷路器來(lái)投切集合式電容器，要求用來(lái)投切集合式電容器的真空斷路器必須經(jīng)過(guò)“老煉”處理，并對(duì)真空斷路器的機(jī)構(gòu)嚴(yán)格進(jìn)行調(diào)整，保證三相同期操動(dòng)，減少?gòu)椞?，以限制重?fù)舸┻^(guò)電壓。 6　結(jié)束語(yǔ) 通過(guò)對(duì)這次平頂山供電區(qū)大規(guī)模裝設(shè)集合式電容器成套裝置的工作的回顧和總結(jié)，對(duì)變電站的無(wú)功補(bǔ)償裝置有這樣幾個(gè)想法。 6．1　按照變電站的無(wú)功補(bǔ)償裝置僅補(bǔ)償站內(nèi)無(wú)功損耗的原則來(lái)確定變電站無(wú)功補(bǔ)償容量時(shí)，準(zhǔn)確掌握變壓器的負(fù)荷情況是非常重要的。因?yàn)樽冸娬镜臒o(wú)功損耗主要是變壓器的無(wú)功損耗，變壓器的無(wú)功損耗直接受其所帶負(fù)荷的影響。因此確定變電站無(wú)功補(bǔ)償容量時(shí)，首先應(yīng)準(zhǔn)確掌握變電站當(dāng)前的負(fù)荷情況，包括其年最大負(fù)荷、年最小負(fù)荷、月最大負(fù)荷、月最小負(fù)荷及其負(fù)荷在1年內(nèi)和1月內(nèi)的變化規(guī)律等情況，然后還需掌握該變電站5年乃至10年的負(fù)荷發(fā)展，最后根據(jù)這些情況確定無(wú)功補(bǔ)償總?cè)萘亢头謾n容量。 6．2　目前我們使用電壓無(wú)功自動(dòng)控制屏對(duì)集合式電容器進(jìn)行控制，它根據(jù)變電站的功率因數(shù)和電壓水平來(lái)調(diào)節(jié)有載調(diào)壓變壓器分接頭和自動(dòng)投切集合式電容器，但集合式電容器的分檔調(diào)容仍需在斷電情況下手動(dòng)操作，這就難以充分發(fā)揮可調(diào)容集合式電容器的優(yōu)勢(shì)，也難以使變電站的功率因數(shù)和電壓水平達(dá)到最佳狀態(tài)。據(jù)了解有的廠(chǎng)家已生產(chǎn)出了與其可調(diào)容集合式電容器配套的高壓可調(diào)容智能綜合控制器，該裝置可根據(jù)變電站的功率因數(shù)和電壓水平，對(duì)可調(diào)容集合式電容器自動(dòng)進(jìn)行調(diào)檔、投切。該裝置同時(shí)還對(duì)電容器組設(shè)有過(guò)流、速斷、欠壓、過(guò)壓和開(kāi)口三角形電壓保護(hù)，并可自動(dòng)按照電容檔位修正保護(hù)定值。用這種裝置和電壓無(wú)功自動(dòng)控制屏結(jié)合起來(lái)使用，無(wú)疑將會(huì)提高變電站對(duì)電壓和無(wú)功功率自動(dòng)控制的水平，更利于保證變電站電壓合格，無(wú)功功率基本平衡。 6．3　并聯(lián)補(bǔ)償電容器組的過(guò)電壓保護(hù)是個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題，對(duì)采用避雷器抑制電容器操作過(guò)電壓的研究工作還在繼續(xù)，特別是一些接線(xiàn)方式下避雷器參數(shù)的選擇計(jì)算，還沒(méi)有統(tǒng)一的結(jié)論。我們對(duì)于集合式電容器的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)非常少，我們將在今后的運(yùn)行中，密切關(guān)注集合式電容器的運(yùn)行情況，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。 參考文獻(xiàn) ［1］　GB50227－1995，并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范［S］ ［2］　DL／T620－1997，交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合［S］ ［3］　靳龍章，丁山．電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償實(shí)用技術(shù)［J］．中國(guó)水利水電出版社