[科普中国]-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。

电容器组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，而且还会造成：

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。

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。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

注意事项1. 防止谐振过电压

电容器组常接在变电所母线上作无功补偿。

当母线接有硅整流等谐波源设备时，就有可能发生谐波过电压。因为这时的电路等效于R-L-C串联电路，其固有频率fo=1/2лLC，如果电网电压中某次谐波的频率fo等于或接近fo时，那么就会在这一谐波电压作用下发生谐振，此时电容器组两端的n次谐波电压：

由于电容比较大，fo不高很可能与5次和7次谐波都是主要的高次谐波。因此，电网可能出现较高的过电压。电容器组则可能因过电压而损坏，电网也不能正常工作。

限制谐波过电压的措施是在电容器回路中串一电抗器L，以消除在可能产生的谐波条件下发生谐振的可能性。

2. 防止电容器爆炸

由于电容器的功率损耗和发热量与电压的平方成正比，如电网电压偏高，加之环境湿度过高，散热困难，在较长时间的高温、高电场强度作用下，绝缘加速老化，将导致电容元件击穿。击穿后，不但击穿相电流增大，而且并联的其他电容器向击穿的电容器放电，使该电容器产生剧热，从而绝缘油分解产生大量气体，导致箱壳、瓷导管爆炸。另外，谐波过电压与操作过电压能直接引起电容器爆炸。防止电容器爆炸的措施如下：

（1）给电容器配置熔丝加以保护。

对于单台电容器，熔丝的额定电流可按电容器额定电流的1.5~2.5倍选定；对于电容器组（一般不超过4台），熔丝的额定电流可按本组电容器额定电流的1.3~1.8倍选定。

（2）加强巡视。

高压电容器装有电流表进行监视，如果发现三相电流严重不平衡或超过额定电流的1.3倍，应退出运行，并找出原因，妥善处理。在巡视过程中，发发现电容器有放电声，严重渗油，外壳锈蚀，鼓肚或严重发热等，应及时退出运行，进行检修与处理。

（3）合理操作。

电容组每次重新合闸前，必须放电3min，禁止电容器带电荷合闸，避免操作过电压损坏电容器。为了保证电容器正常放电，每月都要检查电容器的放电装置是否良好。大功率硅整流设备、大容量电动劝机突然甩负或重复冲击负荷时，会使电容器电压升高，此时电容器也应退出运行，避免谐振过电压。

3. 防止检测电容器时触电

有些工作人员认为，电容器装有放电装置，对其检修时就不需要进行人工放电。其实这种想法是错误的。因为电容器储存的电荷虽经放电装置放电，但仍有可能存在残余电荷（尤其是电容器内部），所以无论装有哪种放电装置，都必须在人工放电后开始检修。

人工放电的方法是：先把接地线的接地端固定好，再用接地棒对电容器多次放电，直到无放电火花和放电声为止。如果是检修电容器内部故障，尽管通过人工放电，其故障部位还有可能存在残余电荷，此时应戴绝缘手套，把故障电容器两极短接放电，而后才能检修。