无功补偿电容器运行特性参数选取
1 电力电容器及其主要特性参数
电力电容器是无功补偿装置的主要部件。随着技术进步和工艺更新,纸介质电容器已被自愈式电容器所取代,自愈式电容器采用在电介质中两面蒸镀金属体为电极,其最大的改进是电容器在电介质局部击穿时其绝缘具有自然恢复性能,即电介质局部击穿时,击穿处附近的金属涂层将熔化和气化并形成空洞,由此虽然会造成极板面积减少使电容C 及相应无功功率有所下降,但不影响电容器正常运行。
自愈式电容器主要特性参数有额定电压、电容、无功功率。
1. 1 额定电压
GB 1274721991《自愈式低电压并联电容器》第3. 2 条规定“电容器额定电压优先值如下0. 23 ,0. 4 ,0. 525 及0. 69 kV。”电容器额定电压选取一般比电气设备额定运行电压高5 %。
1. 2 电容
电容器的电容是极板上的电荷相对于极板间电压的比值,该值与极板面积、极板间绝缘厚度和绝缘介质的介电系数有关,
其计算式为C = 1 4πε× S D
式中ε为极板间绝缘介质的介电系数; S 为电容器极板面积; D 为电容器绝缘层厚度。在上式中,电容C 数值与电压无直接关系, C 值似乎仅取决于电容器极板面积和绝缘介质,但这只是电容器未接网投运时的静态状况;接网投运后,由于电介质局部击穿造成极板面积减少从而会影响到电容C 数值降低,因此运行过程中, 电容C 是个逐年衰减下降的变量,其衰减速度取决于运行电压状况和自身稳态过电压能力。出厂电容器的电容值定义为静态电容。一般,投运后第一年电容值下降率应在2 %以内,第二年至第五年电容值下降率应在1 %～
2 % ,第五年后因电介质老化,电容值将加速下降,当电容值下降至出厂时的85 %以下,可认为该电容器寿命期结束。
1. 3 无功功率
在交流电路中,无功功率QC = UI sinφ由于电容器电介质损耗角极小,φ= 90°,所以sin φ= 1 ,则无功功率QC = UI =ωCU2 ×10 - 3 = 2πf CU2 ×10 - 3 (μF) ,从该式可见,电容器无功功率不仅取决于电容C ,而且还与电源频率f 、端电压U 直接相关,电容器额定无功功率的准确定义应是标准频率下外接额定电压时静态电容C 所对应的无功率。接网投运后电容器所输出实际无功功率能否达到标定容量,则需视运行电压状况。当电网电压低于电容器额定电压时,电容器所输出的无功功率将小于标定值。因此如果电容器额定电压选择偏高,电容器实际运行电压长期低于额定值,很可能因电容器无功出力低于设计值造成电网无功短缺。
2 无功补偿电容装置参数的选取误区
无功补偿装置在进行设计选型及设备订货时,提供给厂家的参数往往仅是电容补偿柜型号和无功功率数值,而电容器额定电压及静态电容值这两个重要参数常被忽略。由于电容器生产厂家对产品安装处电压状况不甚了解,在产品设计时往往侧重于降低产品生产成本和减少电介质局部击穿,所选取的电容器额定电压往往高于国家标准推荐值,这样做对电网运行的无功补偿效果会造成什么影响对电网建设投资又会引起什么变化呢可通过以下案例进行分析。
例如某台10 0. 4 kV 变压器,按照功率因数0. 9 的运行要求,需在变压器低压侧进行集中
无功补偿,经计算需补偿无功功率100 kvar ,如果按额定电压U = 450 V 配置电容器,根据QC=ωCU2 ×10 - 3 计算,电容器组的静态电容值C 为1 572μF ,接入电网后在运行电压U =400 V 的状态下,该电容器实际向电网提供的无功功率QC 为79 kvar ,补偿效果仅达预期的79 %。反之,在上述条件下,要想保证实际补偿效果为100 kvar ,则至少需配置电容器无功功率为127 kvar ,也就意味着设备投资需要增加27 %。中山市2004 年变压器增加898 台,合计容量近60 万kvar ,按30 %补偿率计需补偿无功功率近18 万kvar 。按上述分析,如选取额定电压为450 V ,则无功补偿量需在原有数字上增加4. 86 万kvar ,既便采取交流接触器投切静态补偿方式,设备购置投资亦需增加1 080 万元年。如采取晶闸管投切动态补偿方式,则设备购置投资增加额则达到1980 万元年。因此,为保证实际补偿效果与设计一致,无功补偿设备订货不仅应提出电容补偿柜的型号和无功功率数量,还应明确电容器额定电压,同时应要求设备生产厂家在电容器出厂铭牌上标明无功功率数量,额定电压数值以及静态电容C 数值。
3 低压电容器额定电压及稳态过电压范围的选取
从以上分析可见,电容器额定电压高于运行电压可能造成补偿容量不足或引起设备投资的增加;而电容器额定电压选取过低又可能因电介质局部击穿造成电容C 值下降从而影响补偿效果。正确的选择原则应是在保证补偿效果的前提下,既满足建设前期设备投资最少,同时又需做到电容器运行期间电介质局部击穿率最低,也就是说电容器运行电压需尽可能保持在电容器所允许的稳态过电压范围内。
GB 1274721991《自愈式低电压并联电容器》第4. 1. 5. 1 条对电容器稳态过电压明确规定如下“电容器应能在1. 1 倍额定电压下长期运行,并且在整个使用寿命期内可承受200 次以内的1. 15 倍额定电压值的电压冲击。”中山市1998 年以来公用变压器低压台区的供电半径基本达到城镇为250 m 以内,农村为500 m 以内,变压器设置按深入负荷中心原
则,75 %以上的低压负荷分布在变压器附近150 m 内,根据国家《供电营业规则》规定10 kV 及以下三相供电用户受电端电压偏差为±7 %,220 V 单相供电用户受电端电压偏差为+ 7 %～ - 10
%。本着兼顾变压器近端用户最高受电端电压和远端用户最低受电端电压的原则,一般10 0. 4 kV 公用变压器低压出口平均电压保持在400～440 V ,但短时间仍存在 440 V 的最高电压。近期,对550 台公用配电变压器的抽样检测数据1300 万组进行统计分析,看到电压为400～440 的抽样数据1 181 万组,约占90. 85 %;电压为440～460 V 的108. 4 万组,约占8. 34 %; 电压≥460 V 的10. 6 万组,约占0. 82 %。
按以上变压器低压运行状况,如电容器额定电压选取400 V ,则每台变压器所配置电容器大约每年可能经受193 次1. 15 倍额定电压冲击,显而易见,对于电容器极板局部击穿乃至运行寿命都非常不利。如果将电容器额定电压提高,又将大大增加设备投资。对此,采取的做法是按国家标准优先推荐值选取电容器额定电压为400 V ,同时电容器投切采用并联控制原则。
4 并联控制投切电容器
采取电容器安装处的功率因数和电压两参数为投切控制依据来进行综合控制,可确保无功补偿装置电容器运行区域始终保持在1. 1 倍稳定过电压范围。电容器投入运行的条件为功率因数低于设计要求且电压低于上限值,或电压低于下限值同时功率因数小于1 ;切除电容器退出运行的条件为功率因数高于1 或电压高于上限值。一般电压上限取1. 05 倍额定电压,电压下限取0. 9 倍额定电压。近期,笔者对所在地区2002 年安装的320 套公用变压器低压侧无功补偿电容器进行抽检测试,所得数据显示安装处功率因数为0. 91 ～0. 99 之间,最高运行电压为419 V ,电容器静态电容值年平均下降 1. 2 %。事实证明,采取功率因数与电压并联控制投切方式,无功功率的补偿效果及稳定电容器的运行电压均效果良好。
