電力電容器的原理及實(shí)際應(yīng)用

1、電容器與無(wú)功補(bǔ)償一、電容器的原理1概念顧名思義，電容器是“裝電的容器”，是一種容納電荷的器件，英文名稱：capacitor。電容器通常簡(jiǎn)稱為電容，用字母C標(biāo)示。2單位電容器所帶的電荷量Q與電容器兩極板間的電勢(shì)差U的比值，叫做電容器的電容，用C表示。C=QU式中，電荷量Q是用于度量電荷多少的物理量，簡(jiǎn)稱電量，單位為庫(kù)侖，簡(jiǎn)稱庫(kù)，符號(hào)為C。庫(kù)侖的定義是，若導(dǎo)線中載有1安培的穩(wěn)恒電流，則在1秒內(nèi)通過(guò)導(dǎo)線橫截面積的電量為1庫(kù)侖。電壓U的單位為伏特，簡(jiǎn)稱伏，符號(hào)為V。電容器的單位在數(shù)值上等于兩極板間的電勢(shì)差為1V時(shí)電容器需帶的電荷量。電容的物理意義是，表征電容器容納（儲(chǔ)存）電荷本領(lǐng)的物理量。在國(guó)際單位制

2、中電容的單位是法拉（F），這是一個(gè)非常大的物理量，我們?cè)陔娏ο到y(tǒng)中常用的低壓并聯(lián)電容器，電容一般不到一法拉的千分之一。所以，常用單位還有微法（F）和皮法（pF）。1F=106F=1012pF。對(duì)于一個(gè)確定的電容器而言，電容是不變的，C與Q、U無(wú)關(guān)。3構(gòu)造任何兩個(gè)彼此絕緣又相互靠近的導(dǎo)體都可以構(gòu)成電容器。在兩個(gè)相距很近的平行金屬板中間夾上一層絕緣介質(zhì)，就組成一個(gè)最簡(jiǎn)單的電容器，叫做平行板電容器。（見(jiàn)圖1）4電容器的大小平行板電容器的電容C跟介電常數(shù)成正比，跟正對(duì)面積S正比，跟極板間的距離d成反比： 圖1 平行板電容C=rS4kd式中，k為靜電力常量，其值為9.0×109Nm2/C2。靜

3、電力常量表示真空中兩個(gè)電荷量均為1C的點(diǎn)電荷，它們相距1m時(shí)，它們之間作用力的大小為9.0×109N。r為兩平行板之間的絕緣介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，其值為絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)和真空介電常數(shù)的比值。S為兩平行板相對(duì)部分的面積，單位為m2，d為兩平行板之間的距離，單位為m。圖2 相對(duì)介電常數(shù)r5電容器的工作狀態(tài)（1）充電：使電容器帶電的過(guò)程，叫做充電，見(jiàn)圖3。（2）放電：使電容器兩極板上的電荷中和的過(guò)程，叫做放電，見(jiàn)圖4。充電過(guò)程的實(shí)質(zhì)是其它形式的能量轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能的過(guò)程（圖3中用電池給電容器充電，是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能），放電過(guò)程的實(shí)質(zhì)是電場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為其它形式的能（圖4中電場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為連接兩個(gè)極板間

4、的導(dǎo)線的熱能）。所以，電容器是一種儲(chǔ)存電場(chǎng)能的裝置。 圖3 電容器充電 圖4 電容器放電6電容器的相關(guān)公式（1）純電容電路XC=1C=12fC I=UCXC=UCC=UC2fCQC=IUC=I2XC=U2Ccos=0i=Imsint(A)uC=UCmsin(t-90°)(V)式中，XC-容抗，；C-電容，F(xiàn)；UC-電容兩端電壓，V；QC-電容上無(wú)功功率，W。 圖5 純電容電路（2）電阻電感電容串聯(lián)電路Z=R2+(XL-XC)2I=UZ=UR2+(XL-XC)2UR=IR,UL=IXL,UC=IXCU=UR2+(UL-UC)2cos=RZ=URU=PSP=IUR=IUcosQ=IUL-

5、UC=QL-QCS=IU=P2+(QL-QC)2i=Imsint(A)u=Umsin(t±)(V) 當(dāng)XL>XC時(shí)，系統(tǒng)為感性電路，當(dāng)XL<XC，系統(tǒng)為容性電路。 圖6 混合電路（3）電阻電感串聯(lián)后與電容并聯(lián)電路I1=UR2+XL2IC=UXCI=I1+ICI=I1有2+I1無(wú)-IC2=I1cos12+I1sin1-IC2cos=I1cos1I=I1cos1I1cos12+I1sin1-IC2tan=I1無(wú)-ICI1有=I1sin1-ICI1cos1式中，I1有-電阻電感支路的有功分量電流，A；I1無(wú)-電阻電感支路的無(wú)功分量電流，A；cos1-未并電容前電阻電感電路的功率

6、因數(shù)；cos-并電容后功率因數(shù)。二、電容器的作用電容器的作用有移相、耦合、降壓、濾波等多種功能，這里我們主要討論電力電容器在電力系統(tǒng)中所發(fā)揮的作用。 圖7 阻串感并電容電路電力電容器分為串聯(lián)電容器和并聯(lián)電容器，它們都改善電力系統(tǒng)的電壓質(zhì)量和提高輸電線路的輸電能力，是電力系統(tǒng)的重要設(shè)備。（1）串聯(lián)電容器的作用a提高線路末端電壓。串聯(lián)在線路中的電容器，利用其容抗XC補(bǔ)償線路的感抗XL，使線路的電壓降落減小，從而提高線路末端的電壓，一般最大可將線路末端電壓提高10%20%。具體計(jì)算公式可參照電容器相關(guān)公式中的電阻電感電容串聯(lián)電路。b降低受電端電壓波動(dòng)。當(dāng)受電端接有很大的沖擊負(fù)荷（如電弧爐、電焊機(jī)、電

7、氣軌道等）時(shí)，串聯(lián)電容能消除電壓的劇烈波動(dòng)。這是因?yàn)榇?lián)電容器在線路中對(duì)電壓降落的補(bǔ)償作用是隨通過(guò)電容器的負(fù)荷而變化的，具有隨負(fù)荷的變化而瞬時(shí)調(diào)節(jié)的性能，能自動(dòng)維持負(fù)荷端的電壓值。可以簡(jiǎn)單這么理解，由于電容器串聯(lián)在線路中，當(dāng)沖擊負(fù)荷接入時(shí)，線路阻抗急劇減小，受電端電壓降低，此時(shí)電容器的工作狀態(tài)為放電，使受電端的電壓變化減小。c提高線路輸電能力。線路串入了電容器的補(bǔ)償容抗XC，線路的電壓降落和功率損耗減小，相應(yīng)提高了線路的輸送容量。d改善了系統(tǒng)潮流分布。在閉合網(wǎng)絡(luò)中的某些線路上串接電容器，部分地改變了線路電抗，使電流按指定的線路流動(dòng)，以達(dá)到功率經(jīng)濟(jì)分布的目的。e提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。線路串入電容器后

8、，提高了當(dāng)線路故障被部分切除時(shí)（如雙回路切除一回，單回路單相接地切除一相），系統(tǒng)等效電抗急劇增加，將串聯(lián)電容器進(jìn)行強(qiáng)行補(bǔ)償，即短時(shí)強(qiáng)行改變電容器串、并聯(lián)數(shù)量，臨時(shí)增加容抗XC，使系統(tǒng)總的等效電抗減小，提高了輸送的極限功率，從而提高系統(tǒng)的動(dòng)穩(wěn)定。（2）并聯(lián)電容器的作用并聯(lián)電容器并聯(lián)在系統(tǒng)的母線上，類(lèi)似于系統(tǒng)母線上的一個(gè)容性負(fù)荷，它吸收系統(tǒng)的容性無(wú)功功率，這就相當(dāng)于并聯(lián)電容器向系統(tǒng)發(fā)出感性無(wú)功。因此，并聯(lián)電容器能向系統(tǒng)提供感性無(wú)功功率，提高系統(tǒng)運(yùn)行的功率因數(shù)，提高受電端母線的電壓水平，同時(shí)，它減小了線路上感性無(wú)功的輸送，減少了電壓和功率損耗，因而提高了線路的輸電能力。（3）串聯(lián)電容器與并聯(lián)電容器分

9、別用在什么情況一般來(lái)說(shuō)，串聯(lián)電抗器用于較高電壓等級(jí)的輸電線路中，用于提高線路末端電壓，提高線路輸電能力；并聯(lián)電容器應(yīng)用較為廣泛，在10kV及以下電壓等級(jí)的供電系統(tǒng)中，幾乎所有的無(wú)功補(bǔ)償裝置均使用并聯(lián)電容器補(bǔ)償。這是由以下幾個(gè)原因決定的：a串聯(lián)電容器可提高線路末端電壓（具體計(jì)算公式見(jiàn)電阻電感電容串聯(lián)電路），適宜用在遠(yuǎn)距離大容量的輸電線路中，這種線路一般電壓等級(jí)較高。b串接于輸電線路之中的電容器與并聯(lián)在負(fù)荷端的電容器都可以增加輸電線路負(fù)載容量的能力，但原理不同。串聯(lián)電容器的作用是抵消輸電線路的電抗，從而減小輸電線路的阻抗，增大線路的輸電電流，達(dá)到提高輸電功率的目的；并聯(lián)電容器的作用是吸收系統(tǒng)的容性

10、無(wú)功功率，減小輸電線路上的電流，增加線路帶負(fù)荷的能力。c變壓器低壓側(cè)一般采用并聯(lián)電容器補(bǔ)償，這是由于如果采用串聯(lián)補(bǔ)償，電容電流很大，而且串聯(lián)補(bǔ)償裝置較復(fù)雜（如右圖）。如果采用并聯(lián)電容，則電容所受電流較小，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。并且，串聯(lián)電容器主要起的作用為“電壓補(bǔ)償”，即提高受電端電壓的作用，并聯(lián)電容器主要起的作用是“電流補(bǔ)償”，即抵消線路中的無(wú)功電流，提高系統(tǒng)功率因數(shù)。由此分析，變壓器低壓側(cè)也應(yīng)采用并聯(lián)電容補(bǔ)償。 圖8 串補(bǔ)裝置接線圖d并聯(lián)電容器串聯(lián)電抗器可以定向減小線路中的高次諧波，這是串聯(lián)聯(lián)電容器所不容易實(shí)現(xiàn)的功能。三、并聯(lián)電容器的應(yīng)用由于串聯(lián)電容器的應(yīng)用較少，一般僅限于330kV以上的輸電線路中

11、，所以在此不做詳細(xì)分析，我們主要討論應(yīng)用較為廣泛的并聯(lián)電容器。a型號(hào)型號(hào)舉例見(jiàn)右圖。第一個(gè)字母B表示并聯(lián)電容器系列；第二個(gè)字母A（或W、B、F、S、Z、K）表示浸漬劑為芐基甲苯（或烷基苯、異丙基聯(lián)苯、二芳基乙烷、石蠟、菜籽油、硅油），其中芐基甲苯適應(yīng)寒冷低溫地區(qū)；第三個(gè)字母M（或F、MJ）表示固體 圖9 電容器型號(hào)介質(zhì)為全膜介質(zhì)（或膜紙復(fù)合介質(zhì)、金屬化有機(jī)薄膜）；第一個(gè)特征數(shù)字為額定電壓，kV；第二個(gè)特征數(shù)字為額定容量，kvar；第三個(gè)特征數(shù)字為相數(shù)，1或3；尾注號(hào)W（或G、TH、H）表示戶外使用環(huán)境（或高原地區(qū)使用、濕熱地區(qū)使用、污穢地區(qū)使用），無(wú)尾注號(hào)的為戶內(nèi)使用。下表為常見(jiàn)的低壓電容器性

12、能比較：型號(hào)介質(zhì)特點(diǎn)市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)格BZMJ油式，介質(zhì)為菜籽油或色拉油電容的發(fā)展初期采用的一種產(chǎn)品，由于油式電容在使用過(guò)程中受熱膨脹，會(huì)使電容的外殼變形，從密封處滲出，對(duì)環(huán)境污染較大，嚴(yán)重時(shí)造成短路引起其他元件的損毀部分廠家維修需要，市場(chǎng)還有少量需求，不建議使用適中BSMJ相對(duì)干式，介質(zhì)為一種工業(yè)蠟（微晶蠟）油式向干式過(guò)渡的一種產(chǎn)品，在電容過(guò)熱時(shí)，介質(zhì)會(huì)液化，如有滲漏對(duì)環(huán)境有一定污染目前市場(chǎng)應(yīng)用較多，推薦使用適中BKMJ干式，介質(zhì)為硅油經(jīng)過(guò)熱定型成為固態(tài)，電容過(guò)熱不會(huì)有液態(tài)流出，起到環(huán)保作用。國(guó)家定為國(guó)際型電容屬通用型電容器目前市場(chǎng)應(yīng)用較多，性價(jià)比好，推薦使用稍高表1 常見(jiàn)的低壓電容器b結(jié)構(gòu)圖10

13、為典型單相電容器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。圖中1為出線套管，2為出線連接片，3為連接片，4為扁形元件，5為固定板，6為絕緣件，7為包封件，8為連接夾板，9為緊箍，10為外殼。其中扁形元件為電容器的基本組成單元，電容器由多個(gè)電容元件經(jīng)過(guò)并聯(lián)、串聯(lián)而成。高壓電容器內(nèi)部還含有放電電阻和熔絲（如圖11）。圖10 單相電容器 圖11 電容器內(nèi)部電氣連接示意圖目前我國(guó)低壓系統(tǒng)中采用自愈式電容器，優(yōu)點(diǎn)是具有優(yōu)良的自愈性能，介質(zhì)損耗小，溫升低，壽命長(zhǎng)，體積小，重量輕。自愈式電容器的特點(diǎn)是具有自愈性能。當(dāng)介質(zhì)擊穿時(shí)，短路電流會(huì)使擊穿部位周?chē)慕饘倌と诨舭l(fā)，從而恢復(fù)絕緣，因此具有較高的運(yùn)行可靠性。c在低壓電容補(bǔ)償柜中的應(yīng)用

14、(1)單位換算并聯(lián)電容器是低壓電容補(bǔ)償柜中的核心部件，對(duì)提高系統(tǒng)的功率因數(shù)起著決定性的作用。為了方便電容器的選用，電容器的單位一般為kvar，kvar和電容器的基本單位F之間的關(guān)系可以這樣換算：對(duì)于一個(gè)BSMJ0.4-30-3的三項(xiàng)補(bǔ)償角接電容器而言，其內(nèi)部電氣連接圖如下圖：該三相電容器的補(bǔ)償容量30kvar，額定電流0.4kV，所以額定線電流為：I線=P3U=300.43=43.3A，因?yàn)槭墙墙?，所以相電流為I相=I線3=25A，由公式I=UCXC=UCC=UC2fC可圖11 三相電容器 得每相電容容量為C=IUC2f=25/400250=1.99×10-4F=199F在電容器的銘

15、牌上，額定電容值為三個(gè)單相電容之和，所以額定電容為199×3=597F。從以上的計(jì)算可以看出，電容器補(bǔ)償容量越大，電容值越大，對(duì)于三相共補(bǔ)電容器，角形連接，1kar補(bǔ)償容量對(duì)應(yīng)的三相電容值為19.9F。(2)星接與角接的區(qū)別補(bǔ)償電容器的接線方式有星接和角接兩種（如圖13所示），這兩種接法各有什么優(yōu)缺點(diǎn)呢？ 圖12 電容器銘牌首先我們進(jìn)行理論計(jì)算，假定同為補(bǔ)償30kvar的容量，按照我們之前的計(jì)算，角形連接的電容器每相電容額定電壓為400V，額定容量為199F；在星形連接的情況下，I相=I線=P3U=300.43=43.3AU相=U線3=4003=231V則每相電容容量C為：C=IUC

16、2f=43.3/231250=5.97×10-4F=597F圖13 電容器的星形接法和角形接法表2是電容器星形接法和角形接法的參數(shù)對(duì)比。電容器接線方式假定補(bǔ)償容量(kvar)電容器額定電流(A)電容器額定電壓(V)電容器額定容量(F)角形連接3025400199星形連接3043.3231597表2 電容器星形接法和角形接法的參數(shù)對(duì)比注：電容器的額定電流、額定電壓以及額定容量均指連接成星接或角接的單相電容器的額定值。我們?cè)賮?lái)看成本的對(duì)比，低壓電容器我們一般采用金屬膜自愈式電容器，這種電容器的單價(jià)與容量成正比，這點(diǎn)容易理解，但是我要說(shuō)在額定容量相同的前提下，額定電壓230V的電容器比額定

17、電壓400V的電容器貴了不少，可能許多人就疑惑了，這是為什么呢？ 從圖14可以看出，自愈式電容器主要由金屬化層以及中間的薄膜組成，金屬化層作為導(dǎo)體，薄膜作為絕緣介質(zhì)。由電容器公式C=rS4kd可以看出，電容值與導(dǎo)體面積成正比，與導(dǎo)體之間的距離（薄膜厚度）成反比。以400V的電容器為例，用厚8m金屬化膜時(shí)，工作場(chǎng)強(qiáng)為50MVm，如用厚7m的金屬化膜，工作場(chǎng)強(qiáng)為5714M Vm，而230V的電容器，如維持與上述的工作場(chǎng)強(qiáng)相近時(shí)，則必須選用更薄的金屬化膜，但45m薄膜的價(jià)格要比78m薄膜貴得多，故對(duì)230V電容器一般是采取降低工作場(chǎng)強(qiáng)的設(shè)計(jì)，按照國(guó)1-芯軸，2-噴合金層，3-金屬化層，4-薄膜 內(nèi)的

18、通常價(jià)格，同容量的230V電容器的價(jià)格 圖14 低壓自愈式電容器結(jié)構(gòu) 為400V電容器的2倍以上。最后，從安全角度考慮，當(dāng)電容器組發(fā)生擊穿短路時(shí)，星形（中性點(diǎn)不接地）接線的故障電流僅為其額定電流（相電流）的3倍，而如果是三角形接線，其故障電流則為二相短路電流，因而星形接線對(duì)電容器運(yùn)行來(lái)說(shuō)比較安全。綜合以上原因，一般高壓補(bǔ)償電容器多采用星形接法，這主要是從安全角度的考慮，低壓補(bǔ)償電容器多采用角形接法，主要是從成本方面的考慮。(3)共補(bǔ)與分補(bǔ)傳統(tǒng)的低壓補(bǔ)償都是采用三相共補(bǔ)的方式，根據(jù)控制器統(tǒng)一取樣，各相投入相同的補(bǔ)償容量，這種補(bǔ)償方式適用于三相負(fù)載基本平衡、各相負(fù)載的cos相近的情況；三相分補(bǔ)方式

19、就是各相分別取樣，各相分別投入不同的補(bǔ)償容量，適用于各相負(fù)載差別較大，cos也有較大差別的情況。與三相共補(bǔ)的不同特點(diǎn)是：電容器接法為星接，單臺(tái)電容器的額定電壓為230V；控制器分相進(jìn)行工作，互不影響。三相分補(bǔ)的成本高于三相共補(bǔ)，一般要高20%30%。從經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，也可以采用混合補(bǔ)償?shù)姆桨?，即三相共補(bǔ)與三相分補(bǔ)相結(jié)合的接線方案。例如某廠家接電容器組的單臺(tái)電容器分別為400V，10、15、20、30kvar。Y接電容器組的單臺(tái)電容器分別為：230V，3、4、5、6、8、10kvar。這種接線方式的補(bǔ)償裝置，運(yùn)行方式機(jī)動(dòng)靈活，其成套價(jià)格低于三相分補(bǔ)的接線方案。也有的廠家對(duì)Y接的電容器組仍采用40

20、0V的電容器，其單臺(tái)銘牌容量 圖15 共補(bǔ)與分補(bǔ) 與接電容器組選用相同的電容器，而Y接部分的電容器實(shí)際輸出的容量只有銘牌的13。這樣做的目的是由于400V的產(chǎn)品比較便宜，即使實(shí)際容量較名牌值小，但由于工作場(chǎng)強(qiáng)低，壽命較長(zhǎng)，且整個(gè)裝置只用一個(gè)規(guī)格的電容器，互換性強(qiáng)。(4)并聯(lián)電容器的投切開(kāi)關(guān)交流接觸器70年代廣泛應(yīng)用的PGJ補(bǔ)償柜，都是采用交流接觸器作為并聯(lián)電容器的投切開(kāi)關(guān)，迄今仍有沿用。其優(yōu)點(diǎn)是線路簡(jiǎn)單，成本較低，但是也有以下缺點(diǎn)：a.投入電容時(shí)產(chǎn)生倍數(shù)較高的涌流，容易在接觸器的觸點(diǎn)處產(chǎn)生火花，燒損觸頭；b.切斷電容時(shí)，容易粘住觸頭，造成拉不開(kāi)；c.涌流過(guò)大對(duì)電容器本身有害，會(huì)影響使用壽命。一

21、般采用的措施是：a.適當(dāng)選擇額定容量較大的接觸器，如用額定電流40A的接觸器投切15kvar的三相電容器（IC217A）；b.采用專用的接觸器，其型號(hào)有CJ16、CJ19、CJ20C、B25CB75C、CJ41等系列；c.每臺(tái)電容器加裝串聯(lián)小電抗器，用以抑制涌流。在這里說(shuō)一下電容器投切專用接觸器與普通接觸器有什么區(qū)別。電容器專用接觸器在主觸點(diǎn)（控制電容器的電路）吸合前，首先通過(guò)接通一組輔助觸點(diǎn)，在輔助觸點(diǎn)上接入一電阻，對(duì)電容進(jìn)行小電流充電，大約數(shù)毫秒之后主觸頭接通，輔助觸頭中永久磁鐵在彈簧反作 圖16 CJ19接觸器 用下釋放，斷開(kāi)切合電阻，使電容器正常工作。圖16中頂端的觸點(diǎn)即為輔助觸點(diǎn)，輔

22、助觸點(diǎn)引出的線繞成電話線的形式，起到了電抗的作用，可以進(jìn)一步降低涌流。下表為國(guó)內(nèi)某主要品牌的接觸器主要參數(shù)性能：圖17 CJ19接觸器主要參數(shù)性能雙向晶閘管開(kāi)關(guān)電路采用雙向晶閘管的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)電路（又稱固態(tài)繼電器）取代交流接觸器用于投切電容器的接線如圖16所示。其優(yōu)點(diǎn)是過(guò)零觸發(fā)，無(wú)拉弧，動(dòng)作時(shí)間短，可大幅度地限制電容器合閘涌流，特別適合于繁投切的場(chǎng)合。但也存在以下缺點(diǎn)：a.采用雙向晶閘管制造成本高，晶閘管開(kāi)關(guān)電路的補(bǔ)償柜價(jià)格要比采用接觸器的補(bǔ)償柜貴7080左右；b.晶閘管開(kāi)關(guān)電路運(yùn)行時(shí)有較大的壓降，運(yùn)行中的電能損耗和發(fā)熱問(wèn)題不可忽視。以BZMJ04153并聯(lián)電容器為例，其額定電流為217A，如晶

23、閘管開(kāi)關(guān)的電壓降為1V時(shí)，3個(gè)晶閘管開(kāi)關(guān)電路運(yùn)行時(shí)，損耗的功率為：P3×1×217651W，如補(bǔ)償柜的無(wú)功功率為90kvar，則全部投入時(shí)，晶閘管的功率損耗為651×63906W，以每天平均10h計(jì)，日耗電量達(dá)3906kW·h。年耗量約為1426kW·h，有功消耗的發(fā)熱量還會(huì)增加整個(gè)補(bǔ)償裝置的溫升，而需采用相應(yīng)的散熱降溫的措施，如采用接觸器則基本上不消耗有功；c.晶閘管電路的本身也是諧波源，大量的應(yīng)用對(duì)低壓電網(wǎng)的波形不利。因此，除了對(duì)晶閘管開(kāi)關(guān)電路加以改進(jìn)外，還應(yīng)使之在完成開(kāi)合閘操作后退出，仍由與之并聯(lián)的接觸器維持電容器的正常運(yùn)行。等電壓投零電

24、流切的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)電路等電壓投零電流切的新型無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)電路的接線如圖18所示，圖中J為交流接觸器的觸點(diǎn)。其運(yùn)行操作順序說(shuō)明如下：當(dāng)投入電容器時(shí)，先由微電腦控制器發(fā)出信號(hào)給開(kāi)關(guān)電路，使之在等電壓時(shí)投入電容器，微電腦的控制器緊接著又發(fā)信號(hào)給接觸器，使其觸點(diǎn)也閉合，將晶閘管開(kāi)關(guān)電路短路，由于接觸器J閉合后的接觸電阻遠(yuǎn)小于開(kāi)關(guān)電路導(dǎo)通時(shí)的電阻，達(dá)到了節(jié)能和延長(zhǎng)開(kāi)關(guān)電路使用壽命的目的。當(dāng)需要切除電容器時(shí)控 圖18 新型開(kāi)關(guān)電路 制器先發(fā)信號(hào)給接觸器，使接觸器觸點(diǎn)J斷開(kāi)，此時(shí)開(kāi)關(guān)電路處于導(dǎo)通狀態(tài)，并由開(kāi)關(guān)電路在電流過(guò)零時(shí)，將電容器切除。本方案的優(yōu)點(diǎn)是：運(yùn)行功耗低、涌流小、諧波影響小，制造成本低，開(kāi)關(guān)電路和接

25、觸器的使用壽命長(zhǎng)。(5)并聯(lián)電容器的控制器電容補(bǔ)償控制器的檢測(cè)量主要有cos、無(wú)功功率Q和無(wú)功電流IQ三種，傳統(tǒng)的方式多選用以cos為檢測(cè)量的控制器，通過(guò)檢測(cè)功率因數(shù)的大小控制接觸器通斷來(lái)投切電容器。這種方式的主要缺點(diǎn)是：輕載時(shí)容易產(chǎn)生投切震蕩，重載時(shí)不易達(dá)到充分補(bǔ)償，故新型的控制器已不再選用以cos為檢測(cè)量。檢測(cè)量為Q的控制器，其工作原理是將電壓和電流的信號(hào)送入霍爾元件或相敏放大器等具有乘法功能的器件，以測(cè)出QUIsin，由于檢測(cè)量和控制目標(biāo)都是同一物理量，技術(shù)上是合理的，但檢測(cè)難度要大些。檢測(cè)量為IQ的控制器，利用了相電壓u由正到負(fù)過(guò)零的瞬間，恰好就是A相無(wú)功電流最大值IQmax的原理，用

26、相電壓u負(fù)過(guò)零信號(hào)控制，采用開(kāi)關(guān)和簡(jiǎn)單的保持電路，以完成對(duì)IQ實(shí)時(shí)檢測(cè)。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是：檢測(cè)方法簡(jiǎn)單，不會(huì)發(fā)生震蕩，補(bǔ)償效果與電網(wǎng)電壓的波動(dòng)無(wú)關(guān)。關(guān)于投切震蕩，現(xiàn)舉例說(shuō)明如下：某用戶的變壓器容量為315kVA，補(bǔ)償總?cè)萘繛?00kvar，用20kvar的電容共5只，控制器采用市面上常用的JKG型控制器，此控制器的控制物理量是功率因數(shù)，目標(biāo)功率因數(shù)投入門(mén)限是滯后0.92，切除門(mén)限是滯后0.99，在某時(shí)刻發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)功率因數(shù)為滯后0.6，視在功率為12.5kVA，感性無(wú)功功率為10kvar，根據(jù)JKG型控制器控制原理系統(tǒng)功率因數(shù)低于目標(biāo)功率因數(shù)時(shí)控制器必須投入電容器組，當(dāng)電容器組投入后由于多補(bǔ)償了1

27、0kvar的容性無(wú)功功率，使得補(bǔ)償后的功率因數(shù)為超前0.6，所以控制器又需切除剛投入的電容器組，這樣就不停地來(lái)回重復(fù)動(dòng)作，專業(yè)術(shù)語(yǔ)叫投切振蕩。其弊端有兩點(diǎn)：一是頻繁而無(wú)意義的投切動(dòng)作大大縮短了電容器組合交流接觸器的使用壽命，第二電力系統(tǒng)雖然安裝了補(bǔ)償裝置卻達(dá)不到預(yù)期的補(bǔ)償效果。要解決這個(gè)問(wèn)題我認(rèn)為需要做到以下三點(diǎn)：一是控制的物理量不能取功率因數(shù)，應(yīng)取無(wú)功功率或無(wú)功電流，二是所有電容器組不能取等容量，應(yīng)進(jìn)行大小搭配，三是控制器應(yīng)具有自動(dòng)“挑選”合適電容器容量的能力。(6)電容柜內(nèi)其他元器件隔離開(kāi)關(guān)或斷路器：作為低壓電容柜主電路上的開(kāi)關(guān)，一般選隔離開(kāi)關(guān)，最好選刀熔開(kāi)關(guān)，這樣比較經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，有的用戶傾

28、向于選用斷路器，這樣也沒(méi)有問(wèn)題，但是價(jià)格要高出刀熔開(kāi)關(guān)不少。在開(kāi)關(guān)額定電流的選擇上，一般取線路額定電流的1.5倍。熔斷器或微型斷路器熔斷器或微型斷路器串接在單個(gè)電容器的相線中，作為過(guò)流保護(hù)元件。在這兩個(gè)元件的原則上，個(gè)人認(rèn)為選擇熔斷器較好一點(diǎn)，理由有以下兩個(gè)：一是熔斷器承載短時(shí)沖擊的能力要比同規(guī)格的斷路器優(yōu)秀的多，考慮電容器的涌流沖擊，盡管有電抗或抑制涌流電阻，但斷路器存在瞬動(dòng)，容易引起誤動(dòng)作；二是斷路器的分?jǐn)嗄芰^小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求。有的廠家傾向于使用微型斷路器的原因是熔斷器熔絲斷了用戶不知道就給廠家打電話要求維修，而用微斷跳閘后用戶容易發(fā)現(xiàn)，減小維修量，在成本上，兩種元件相差不大。GB50

29、227-2008規(guī)定，用于單臺(tái)電容器保護(hù)的外熔斷器的熔絲熔斷電流，應(yīng)按電容器額定電流的1.371.50倍選擇。熱繼電器關(guān)于熱繼電器的使用一直存在爭(zhēng)論，現(xiàn)在已經(jīng)越來(lái)越多的廠家選擇了不加熱繼電器。電容器在正常運(yùn)行時(shí)沒(méi)有過(guò)電流，而且熱繼電器對(duì)涌流無(wú)作用，熱繼電器的作用是當(dāng)諧波電流很大時(shí)，對(duì)電容器起到保護(hù)作用，但是這種情況出現(xiàn)的機(jī)率很小。這因?yàn)殡娐分兄C波含量不會(huì)特別高，即使出現(xiàn)這種情況，也應(yīng)該用電抗器來(lái)限值諧波電流，而不是采用熱繼電器這種治標(biāo)不治本的方法。也就是說(shuō)，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，熱繼電器起不了很大的作用，而且給整臺(tái)電容柜多增加了一個(gè)故障點(diǎn)。根據(jù)多個(gè)廠家在取消熱繼電器后多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際運(yùn)行情況還

30、是比較穩(wěn)定的?；谝陨显?，個(gè)人認(rèn)為熱繼電器可以取消，如果要加的話，建議按照電容器額定電流的1.25倍來(lái)選取熱繼電器。避雷器由于投切操作、并聯(lián)諧振等原因，電容器兩端可能出現(xiàn)過(guò)電壓，常用避雷器限制該過(guò)電壓。GB50227規(guī)定，避雷器用于限制并聯(lián)電容器裝置操作過(guò)電壓保護(hù)時(shí)，應(yīng)選用無(wú)間隙金屬氧化物避雷器，常見(jiàn)的型號(hào)為FYS-0.22。電抗器電容器是提高功率因數(shù)的，帶串聯(lián)電抗器的電容器組目前廣泛應(yīng)用，其目的之一是減少電容器組的合閘涌流，另一個(gè)目的是將電容器組作為濾波器來(lái)治理諧波。目的不同，所串聯(lián)電抗器的電抗率也是不同的。前者電抗率一般為0.1%1%，由制造廠選配，后者電抗率應(yīng)根據(jù)背景諧波的不同，選擇合

31、適的電抗率。所謂電抗率K，就是所串聯(lián)電抗器的感抗(L)和電容器容抗(1/C)的百分比，即K=²LC，此處=2f，f即基波頻率50Hz。對(duì)某次頻率，如n次，感抗是nL，或稱nXL，容抗是1/nC或稱XC/n。如果略去很多分支回路，某次諧波從諧波源出發(fā)，面臨2個(gè)并聯(lián)回路，其中一個(gè)回路是電網(wǎng)系統(tǒng)，另一個(gè)回路是串聯(lián)電抗器的電容器組。如下圖所示(假設(shè)系統(tǒng)基波電抗是XS)：圖19 并聯(lián)電容器串聯(lián)電抗器系統(tǒng)諧波電抗為nXS，串聯(lián)組諧波電抗是nXL-XC/n=XC(nK-1/n)。設(shè)諧波源流出的n次諧波電流為In，In=Ins+Inc，Ins為流入系統(tǒng)的n次諧波電流，Inc為流入電容器組的n次諧波電

32、流。可分別得出：Ins=(nK-1n)XCnK-1nXC+nXSInInc=nXSnK-1nXC+nXSIn作為濾波器，當(dāng)然希望諧波電流In全部流入電容器組，即希望nK-1/n=0，即K=1/n2。對(duì)3次諧波，K=11%，對(duì)于5次諧波，K=4%，對(duì)于7次諧波，K=2%。但若果真如此，這種現(xiàn)象就叫串聯(lián)諧振，諧波電流大量流入將威脅電容器組，造成電容器大量損壞，因此K應(yīng)靠近，又要躲開(kāi)11%，4%，2%。根據(jù)GB50227-2008并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范推薦，抑制3次諧波的串聯(lián)電抗器電抗率為12%，抑制5次諧波的電抗率宜取4.5%5%。按照這樣的電抗率組成的電容器組，一方面能吸收部分系統(tǒng)內(nèi)的諧波電流，

33、一方面又不致引起電容器過(guò)熱。根據(jù)IEC的規(guī)定，所選電抗率應(yīng)為K=1.25×1/n²，該式來(lái)源于K=1/(0.9n)²，0.9是考慮到不大于10%的調(diào)諧偏差率。按這個(gè)規(guī)定，對(duì)于3次諧波來(lái)說(shuō)，選用14%，對(duì)5次諧波來(lái)說(shuō)，選用5%，對(duì)7次諧波來(lái)說(shuō)，選用2.6%。按照英博公司的標(biāo)準(zhǔn)，電抗率有14%、7%和5.5%，如果系統(tǒng)中存在5次諧波，可以選擇5.5%或7%的電抗率，如果系統(tǒng)中存在3次諧波，則需要14%的電抗率。電容器串聯(lián)電抗器治理諧波的效果如何呢？在這里先引入諧波電壓放大率的概念。由于諧波源為電流源，諧波電壓放大率與諧波電流放大率相等，在數(shù)值上等于Ins與In之比，即

34、FVN=(nK-1n)XCnK-1nXC+nXS=n2K-1n2s+K-1式中，F(xiàn)VN為諧波電流放大率，K為電抗率，s=XS/XC=QCN/Sd，Sd為電容器裝置接入處母線的短路容量，QCN為電容器裝置容量。當(dāng)上式的分母數(shù)值等于零時(shí)，諧波放大率FVN為無(wú)限大，表示電容器裝置與電網(wǎng)在第n次諧波發(fā)生并聯(lián)諧振，并可推導(dǎo)出電容器裝置的諧振容量QCX為：QCX=Sd(1n2-K)當(dāng)上式中分母數(shù)值不為零時(shí)，F(xiàn)VN的數(shù)值越大，表示諧波對(duì)系統(tǒng)的影響越大，反之影響越小。下面我們看一個(gè)具體的例子：設(shè)10kV系統(tǒng)的容量無(wú)限大，10/0.4kV配電變壓器容量為1600kVA，其短路電抗為6%，低壓側(cè)電容器為500kv

35、ar，那么，Sd、XS、XC、QCX、FVN(不同n、k下)分別是多少呢？系統(tǒng)的短路容量Sd為：Sd=1.60.06=26.7MVA系統(tǒng)的感抗XS為：XS=0.4226.7=0.006電容器的容抗XC為：XC=0.420.5=0.32電容器裝置的諧振容量QCX為：諧波次數(shù)電抗率3575.5%1498-401-9247%1098-801-132414%-771-2670-3193諧波放大率FVN為：電抗率諧波電壓放大率FVNK1次2次3次4次5次6次7次8次9次0.1%1.021.081.211.441.933.3429.493.551.531%1.021.081.231.562.6718.29

36、1.250.430.145.5%1.021.111.500.670.440.590.650.680.697%1.021.121.840.290.620.690.730.740.7512%1.021.170.320.750.810.830.840.850.8514%1.021.210.610.810.840.860.860.870.87從以上例子中可以看出，低壓電容器的配置可以躲開(kāi)諧振容量QCX，從諧波電壓放大率的計(jì)算來(lái)看，電抗率5.5%比7%的效果好，對(duì)5次諧波的抑制效果更明顯，而且對(duì)3次諧波的放大作用較?。浑娍孤?2%和14%與此類(lèi)同。那么是不是選用電抗率5.5%和12%就一定比選用電抗率7

37、%、14%更合理呢？答案是否定的，主要有以下兩個(gè)原因：一是因?yàn)?.5%和12%更接近于串聯(lián)諧振的電抗率，造成流入電容器組的諧波電流較7%和14%大，對(duì)電容器組來(lái)說(shuō)是不小的考驗(yàn)；二是因?yàn)楦鞣N元器件存在制造偏差、運(yùn)行條件偏差等，選用的電抗率離串聯(lián)諧振的電抗率較近也會(huì)增大發(fā)生串聯(lián)諧振的風(fēng)險(xiǎn)。要做到合理選用電抗率，必須了解電容裝置接入處母線的背景諧波，根據(jù)實(shí)測(cè)的結(jié)果選取，使電容器與串聯(lián)電抗器得到合適的匹配。a當(dāng)電容裝置接入處的背景諧波為3次，且含量已超過(guò)或接近標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，宜選用12%14%串聯(lián)電抗器；b當(dāng)電容裝置接入處的背景諧波以3、5次為主，且兩者含量均較大(其中之一已超過(guò)或接近標(biāo)準(zhǔn)時(shí))，宜選用12%1

38、4%與4.5%7%兩種電抗率混裝方式，以保證抑制3次諧波放大為前提（據(jù)驗(yàn)算，串接12%14%電抗器的電容器組容量大于總裝置容量的15%即可）。該方案的優(yōu)點(diǎn)是比全部串接12%14%方案可降低無(wú)功與有功損耗，缺點(diǎn)是投切順序是必須先投12%14%的電容器組，再投低電抗率電容器組，切除時(shí)則相反。c當(dāng)電容裝置接入處背景諧波以3次為主，5次以上諧波含量較小，且經(jīng)驗(yàn)算電容裝置投入后，3次諧波有所放大，但未超標(biāo)且有裕度，應(yīng)選用0.1%1%的串聯(lián)電抗器；d當(dāng)電容裝置接入處的背景諧波以3、5次為主，3次諧波含量較小，5次諧波含量已超過(guò)或接近標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)選用4.5%7%串聯(lián)電抗器，不能用0.1%1%的串聯(lián)電抗器。e當(dāng)電

39、容裝置接入處背景諧波為5次及以上時(shí)，且5次諧波含量較大，應(yīng)選用4.5%7%串聯(lián)電抗器。f當(dāng)電網(wǎng)中含有多種諧波成分，且都具有較大含量時(shí)，串聯(lián)電抗器的選用，應(yīng)使電容器支路對(duì)于在較大含量的各次諧波中的最低次諧波總阻抗呈感性，此時(shí)該電容器支路對(duì)于較大含量的各次諧波均不會(huì)產(chǎn)生放大作用。串聯(lián)電抗器的電抗值XL為XL=XC/n2式中n為具有較大含量的最低諧波次數(shù)，為可靠系數(shù)，一般取1.21.5。g對(duì)于新建的變電所，無(wú)從得知電網(wǎng)的背景諧波，電容裝置選用阻尼式限流器，限流器中串聯(lián)電抗器的額定電流按電容器組的最終容量考慮選擇。諧波的防治應(yīng)在諧波源就地治理。(7)限制涌流計(jì)算分析根據(jù)GB50227-2008規(guī)定，電

40、容器組投入電網(wǎng)時(shí)的涌流計(jì)算公式如下：Iym*=1K1-Q0Q+1=1-11+QKSdQ=Q'+Q0式中，Iym*-涌流峰值的標(biāo)幺值(以投入的電容器組額定電流峰值為基準(zhǔn)值)； Q-同一母線上裝設(shè)的電容器組總?cè)萘?Mvar)； Q0-正在投入的電容器組容量(Mvar)； Q'-所有正在運(yùn)行的電容器組容量(Mvar)； -電源影響系數(shù)。單組電容器投入時(shí)，通常合閘涌流不大，在電容器組接入處的母線短路容量不超過(guò)電容器組容量的80倍時(shí)，單組電容器的合閘涌流將不超過(guò)10倍電容器組額定電流。電容器組追加投入時(shí)的涌流倍數(shù)較大，而且組數(shù)愈多，涌流愈大，投入最后一組電容器時(shí)涌流達(dá)到最大。高頻率高幅值

41、涌流對(duì)開(kāi)關(guān)觸頭和回路設(shè)備的絕緣將會(huì)造成破壞。根據(jù)國(guó)內(nèi)多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，確定了涌流的限值倍數(shù)，因?yàn)?0倍涌流未見(jiàn)對(duì)回路設(shè)備造成損壞，所以規(guī)定20倍涌流作為限值。我們可以根據(jù)上面的公式計(jì)算涌流，實(shí)際上，只要裝設(shè)有抑制諧波的串聯(lián)電抗器，合閘涌流均不會(huì)超過(guò)電容器組額定電流的20倍。將該公式帶入上面我們所舉的示例，當(dāng)串聯(lián)電抗器的電抗率不小于0.3%時(shí)，在任意一步電容器投入時(shí)，涌流都不會(huì)超過(guò)電容器組額定電流的20倍。(8)電容器的參數(shù)選擇在確定了電容器總的補(bǔ)償容量和相應(yīng)的電抗率后，下一步就需要確定電容器的參數(shù)了。電容器的參數(shù)主要有額定容量、額定電壓。確定了總的補(bǔ)償容量后，單只電容的容量如何選擇呢？為了使變壓

42、器在各種負(fù)荷情況下都能得到較為精確的補(bǔ)償，單步電容器投入的容量越小越好。但是，由于無(wú)功補(bǔ)償控制器的路數(shù)有限（一般為412路），而且受限于電容柜的空間和成本，也不能布置太多的小容量電容。所以，電容器的搭配至關(guān)重要。在這方面，一些電容器生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的電容柜內(nèi)的電容組合較為合理，可以作為借鑒。以300kvar電容補(bǔ)償為例，約克森電氣(Yorkson Electric)給出的電容組合有兩種，一種是40kvar×6+20kvar×3的組合，一種是40kvar×6+30kvar×2的組合。前一種的最小補(bǔ)償步數(shù)為20kvar，后一種的最小補(bǔ)償步數(shù)為30kvar，前者補(bǔ)

43、償較精確，但后者的成本較低。眾所周知，電容器的輸出容量與其運(yùn)行電壓的平方成正比(即Q=CU2)，電容器運(yùn)行在額定電壓時(shí)，則輸出額定容量，當(dāng)運(yùn)行電壓低于額定電壓時(shí)，則電容器的輸出容量也就低于額定容量(俗稱虧容)。因此，在選擇電容器的額定電壓時(shí)，如果安全裕度取值過(guò)大，則輸出容量的虧損也大，所以應(yīng)盡量使其接近額定電壓。反之，如選擇的電容器額定電壓低于運(yùn)行電壓，將會(huì)造成電容器運(yùn)行過(guò)載，如果長(zhǎng)期過(guò)載運(yùn)行，會(huì)使電容器內(nèi)部介質(zhì)產(chǎn)生局部放電，從而造成對(duì)電容器絕緣介質(zhì)的損害。局部放電會(huì)使固體介質(zhì)和液體介質(zhì)分解，介質(zhì)分解產(chǎn)生的臭氧和氮的氧化物等氣體，將會(huì)使電容器的絕緣介質(zhì)受到化學(xué)腐蝕，造成介質(zhì)損耗增大，產(chǎn)生局部過(guò)熱，進(jìn)一步可能發(fā)展成絕緣擊穿，使電容器損