[科普中国]-串联电容器组

串联电容器组可以更有效地利用输电线路。发电、输电、配电以及远距离输电和大电厂都要求输电系统更加可靠、经济地运行。增加输电能力的要求意味着增加输电线路或者对线路进行补偿，串联补偿是一个提高线路输电能力既经济又有效的办法。

电容器组电容器组为多个电容器组成的一个工作组，有串联和并联两种形式。串联情况下，耐压为两者之和，容量为两者的倒数和分之一；并联情况下，耐压为两者中耐压最低的那个值，容量为二者之和。简单点说就是串联耐压升高，容量降低。并联耐压不变，容量升高。

电容器组具有容量大、单元数量多、电压等级高等特点。采用并联电抗器组可以进行线路的无功功率补偿，而采用串联电容器补偿技术是提高输变电网稳定极限以及经济性的有效手段之一。

电容器组简介串联电容器补偿技术是提高输变电网稳定极限以及经济性的有效手段之一，在高压长线上加装串联电容器以补偿线路感抗，缩短交流传输的电气距离，提高线路输送容量，降低线路输送损耗，更加合理地分配输送功率。从而提高电力系统的稳定运行水平和经济性、可靠性[1]。

无功功率补偿最简单经济的办法就是安装并联电容器组，目前，我国电力发电装机总容量已达 13 亿 kW 以上，容性无功装机容量已达 6 亿 kvar 以上，其中绝大部分是并联电容器装置，采用并联电容器组能够有效地减少线路损耗，提高供电质量，最终达到提高电力系统运行效率的作用[2]。

配套设置电容器组配套设置的串联电抗器是为了限制合闸涌流和限制谐波两个目的，是降低电容器组在合闸过程中产生的涌流倍数和涌流频率对电容器组的影响；能限制操作过电压，滤除指定的高次谐波，同时抑制其它次谐波放大，减少电网中电压波形畸变。

电抗器特性

1、铁芯电抗器

噪声大、电抗器线性度差、能引起漏磁、局部过热，易发生磁饱和，烧毁线圈。系统过压、过流和谐波的影响，致使铁芯过饱和电抗值急剧下降，抑制谐波的能力下降，抗短路电流能力低。干式铁芯式电抗器除上述缺点外，还不能在室外运行。

2、干式空芯电抗器

干式空心电抗器结构上不用任何铁磁性材料，因此，线性度大大优于铁芯电抗器，应该首选。但由于没有铁芯，绕组中通过单位电流所产生的磁通较小，所以体积较大。再有空心电抗器附近存在磁导体的话，将使电抗值升高，在正常情况下电抗器的磁通在空气中形成回路，但安装场所屋顶、地面、墙壁、围栏等如有铁钢等磁性材料存在，则会在其中引起发热，因此空心电抗器在安装时对周围物体有一定距离要求，同时为避免相邻两组电抗器相互影响，同样也需要保持一定距离。

3、半芯电抗器

半芯电抭器是介于铁芯电抭器和空芯电抗器之间的一种新型电抭器， 在空芯电抗器绕组内加上不闭合磁路的铁芯，使半芯电抗器具有铁芯电抗器和空芯电抗器的优点。组成全新的半芯电抗器，半芯电抗器线圏直径比空芯电抗器直径小 20% 电抗器损耗低 25%，线性度接近于直线，阻抗不随电流增加而减小，噪声低于 50db。便于在柜内安装，是无功补偿比较好的串联电抗器[3]。

串联电抗器的选型原则

用电企业都有自身的特点，对设备有不同的要求，干式电抗器有噪音小、电抗器的线性度好、机械强度高、安装简单等特点；油浸电抗器损耗小、占地面积小、线性度不好、噪音大。因此，采用什么样的电抗器应综合考虑。串联电抗器主要作用是抑制谐波、限制涌流和滤除谐波。电抗率是电抗器的主要参数，电抗器的大小直接影响它的作用[3]。

高次谐波对电容器组的危害

由于容抗与电源频率成反比，当高次谐波电压作用于电容器组上时，因高频率谐波使电容器容抗减小，所以通过电容器内的电流增大；换言之，此时，在基波电流的基础上又增添了电流谐波分量，这样波形势必发生畸变， 结果使系统阻抗产生谐波过电压叠加于原电压上， 造成电压波形畸变放大。 同时 ，通过电容器组的电流还与其电容量有关，容量愈大，容抗愈小，进而使电流更大，故在投入大容量电容器组时，上述畸变过电压更为严重。谐波过电压不仅会使系统电流、电压的波形发生畸变，而且还会造

电容器过负荷：

1)电能质量变坏。

2)电气设备损耗增加。

3) 电气设备出力降低。

4)绝缘介质加速老化。

5) 影响控制、保护、检测装置的工作精度及工作可靠性。

特别是因高次谐波激发引起谐振的情况下，极易导致电容器过负荷、 发热、振动及异常噪声直至最终被烧毁， 同时还可能引起过流保护误动作 、熔断器熔丝熔断、电容器组无法合闸等事故或障碍。尤其当电容器组距离谐波较近处，所造成的后果更为严重。为此，实施技术手段对谐波进行抑制非常重要，常用的方法比如采用串联电抗器、加装滤波装置。我们通常采用谐波滤波装置对 3 次谐波进行抑制，采用串联电抗器对 5 次及以上谐波进行抑制[3]。

串联电抗器的作用1.抑制高次谐波危害

电网在运行时不可能没有谐波，很多电气设备和用电设备在运行时都会产生谐波，只不过一般情况下对电网波形影响不大，不会危及正常的供电和用电，但某些情况则不同，如变压器铁心饱和 、电弧炉炼钢，大型整流设备，都会对电网带来严重的谐波干扰，影响供电质量，因此必须加以治理 。

为了回避谐波的影响，必须采取消除谐波影响的措施，其中一条重要的措施就是在电容器回路中串联一定数值的电抗器，即造成一个对 n 次谐波的滤波回路。

实际运行中，各变电站普遍采有在回路中串联 12%电抗构成 3次谐波滤波器，12%电抗率的含义是指串联电抗器的感抗值为该回路电容器容抗值的 12%，而用串联 6%电抗构成 5 次谐波滤波器。不正好采用 11%和 4%，而是稍大一点，目的是使电容器回路阻抗呈感性， 避免完全谐振时电容器过电流。

电容器柜当变电站母线上具有两组以上电容器组 ，且既有串联大电抗的电容器组又有串联小电抗的电容器组时，电容器组的投切顺序是一个应该考虑的问题。投切顺序不合理可能造成不良后果。由对谐波电流的分析可知：当电容器回路呈电感性时 ，电容器回路和系统阻抗并联分流，可使流入系统的谐波电流减小。当电容器回路呈电容性时，由于电容器的“补偿”作用，电容器回路在谐波电压作用下，将产生的谐波电流流入系统，这时将使系统谐波电流扩大，并使母线电压波形发生畸变。

2.降低电容器组的涌流倍数和涌流频率

降低电容器组的涌流倍数和涌流频率，以保护电容器和便于选择配套设备。

断路器加装串联电抗器后可以把合闸涌流抑制在 1+电抗率倒数的平方根倍以下。通常要求应将涌流限制在电容器额定电流的 20 倍以下，为了不发生谐波放大， 要求串联电抗器的伏安特性尽量为线性。网络谐波较小时 ，采用限制涌流的电抗器；电抗率在 0.1%－1%左右即可将涌流限制在额定电流的 10 倍以下，以减少电抗器的有功损耗，而且电抗器的体积小、占地面积小、便于安装在电容器柜内。采用这种电抗器是即经济，又节能。

3.提高短路阻抗，减小短路容量，降低短路电流

无功补偿支路前置了串联电抗器，当出现电容器故障时，例如电容器极板击穿或对地击穿，系统通过系统阻抗和串联电抗器阻抗提供短路电流，由于串联电抗器阻抗远大于系统阻抗，所以有效降低了电容器短路故障时的短路容量，保证了配电断路器断开短路电流可能，提高了系统的安全、稳定性能。

4.减少电容器组的投切涌流，降低涌流暂态过程的幅值，有利于接触器灭弧

接触器投切电容器的过程中都会产生涌流，串联电抗器可以有效抑制操作

接触器电流的暂态过程， 有利于接触器触头的断开，避免弧光重燃，引起操作过电压。降低过电压的幅值，保护电容器，避免过电压击穿或绝缘老化。

5.减小操作电容器组引起的过电压幅值，避免电网过电压保护

接触器投切电容器的过程中都会产生操作过电压， 串联电抗器可以有效抑制接触器触头重击穿现象出现，降低操作过电压的幅值，保护电容器，避免过电压击穿或加速绝缘老化。[3]

作用串联电容器组可以：提高线路输电能力、改善系统稳定性、降低系统损耗、改善线路电压分布、优化平行线路间的潮流分配。

造价串联电容器组的造价一般仅为架设新的输电线路的10%左右，串联电容器组的投资回报期仅为短短得几年。

不同类型的串联电容器组方案串联电容器组用来补偿输电线路的电感，以提高线路的输电能力和稳定性。串联电容器还可以调整并联线路的负荷分配。

目前串联电容器组的方案有：

1） 单保护间隙方案

2） MOV方案

3） 晶闸管控制的串联电容器（TCSC）

机械设计电容器组必须能够承受由于短路、风力、冰、雪和地震造成的外力，这些机械力是通过精确的元件分析计算出来的。

考虑到强烈地震的情况，斜拉绝缘子串设计中一定要考虑特殊的弹簧阻尼器。串联电容器组的自然频率接近地震频率时，必须使用诺基亚设计的适当的弹簧阻尼元件以减小电容器组的自然频率。

控制和保护系统串联电容器组的保护和控制方案设计成一个综合的系统，包括测量变送器、信号传输系统及地面安装的人机接口和相应辅助设备的完整保护和控制系统。保护和控制的设计原则是保护电容器组，并确保系统电容器组运行要求的高可靠性和高可用性。

信号传输系统是保护和控制系统的有机组成部分，它连接位于绝缘平台的测量变送器和信号传送器到位于控制室的保护和控制柜信号接受器上，它经由一个光纤信号柱和光缆组成，把信号从绝缘平台传送到控制室。在绝缘平台上，电流信号转换成红外线信号，通过光纤柱和光缆送到控制室，这些光信号转换成适于控制和保护系统的数字信号。控制柜和人机接口的典型布置。

保护和控制功能完全由VME总线上的基于嵌入式控制器的计算机软件功能由软件实现。软件包括保护继电器、可编程控制器、系统监视器和用户接口模块。

通常的保护功能有电容器的不平衡保护、电容器的过负荷保护、持续过电压保护、平台故障保护、持续火花间隙保护、MOV单程能量积累保护、MOV能量积累保护、MOV能量上升速度保护、MOV过电流保护、MOV故障保护和次谐波保护。

对于串联电容器的远方操作，保护和控制系统提供的远方终端模块是基于IEC60870-5-101规约。

整个控制和保护系统有两套，以确保所有保护功能的冗余配置。

设计中特别注意到最大限度地减少设备的维护，使串联电容器装置无人值守运行。另一个目的是简化维护和故障排除工作。

电容器单元电容器单元是全膜结构充以环境安全可以生物降解的浸渍液。采用大容量电容器是因为经济的原因，并减少绝缘平台的尺寸。

由于技术和经济上的优势，电容器元件带内熔丝。

阻尼回路阻尼回路包括并联了阻尼电阻的空气芯干式电抗器，有一个火花间隙和电阻串联，只有在电容器组放电时才把电阻串入回路，这样在电容器组旁路时减少损耗。

火花间隙火花间隙是一个快速去游离的非自熄的火花间隙，如果是MOV保护继电器动作，火花间隙由保护和控制系统经光纤信号柱通过光信号触发，辅助触头里的等离子电弧立刻触发火花间隙的主触头1。

本词条内容贡献者为:

李岳阳 - 副教授 - 江南大学