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并联补偿电容器的正确使用

0引言

用并联电容器进行无功补偿是节能挖潜有效又经济的手段,创建节约型社会的有力举措。无功补偿为电力能源的节约,电力质量的提高发挥了具大作用。但电容器比起其他电器较特别:投入时的涌流切除时的过电压,谐波放大及谐振,工频谐振等较复杂的过渡过程问题;切除电容器时存在剩余电压问题。好多使用者不甚了解或者不重视。据了解由于电容器使用不当出现了不少问题。严重时烧毁投切开关,电容器早期损坏或爆炸起火,连接导线过热绝缘烧焦引起相间或三相大短路,变压器起火燃烧等都有发生。因此有必要系统地叙述使用电容器应注意的诸多问题。


1合闸时限制涌流切除时防止开关重燃过电压

电容器合闸时由于电容器两端的电压不能突变,所以电容器将受到很大的涌入电流:一种是来自电网的涌入电流,由于受到回路阻抗的影响,涌入电流在十几倍左右不算很大;另一种是已经投入运行的电容器对刚投入运行的电容器放电,此涌流由于回路阻抗较小将达到几百倍,这对电容器寿命构成威胁。尤其对金属化电容器而言,由于其结构特点,无感绕法涌流更大、元件端部导电部位(端头喷金)导电接触比较薄弱,更怕涌流。涌流对金属化电容器双重致害。

解决减小涌流的办法,在电容器回路串电感或串电阻(仅适用于低压电容器)的办法解决。常见低压电容器用普通接触器串电感使用,也有用带合闸电阻的低压电容器专用接触器例CJ-19等。这是正确的使用方法。

在广东地区用的由湖南某些公司制造的电容器柜,用普通接触器又不串电感,未采用任何限涌流措施在使用。这使电容器和接触器长期受涌流之害,是极其不负责任的错误做法。

在电容器回路已串有抗谐波电抗器时,该电抗器已具有抗涌流功能,不必再加其他抗涌流措施。

电容器切除时由于存在剩余电压,切除开关如果发生重燃将产生切除过电压,过电压使灭弧更困难,所以有时发生多次重燃,这种过电压高达2~3倍额定电压是经常发生的事。所以对电容器的切换开关要求用不重燃或少重燃的开关。这一点对切高压电容器的开关尤为重要,常有不适合切高压电容器的开关或质量不好的开关,在切高压电容器时爆炸的事故发生。


2串接电抗器防止谐波放大或谐波谐振

磁性铁心设备由于其非线性,是谐波的首要产生源。当今的电力电子技术应用产生了更加严重的谐波。谐波严重地污染了电网,可以说现在电网谐波无处不有处处有。使用电容器时更把谐波放大甚至发生某次谐波谐振,危及电网安全。为避免这种事端的发生,应采用电容器回路串电抗器解决。

在国内:高压电容器的使用串接电抗器已是相当普遍的用法,不串电抗器只是少数;低压电容器的使用却相反,串电抗器使用只是少数,绝大部分都不串电抗器使用,这是很不负责任的技术错误。抱着侥幸去省电抗器这份材料费实足不当。

“欧洲早在十几年前就认识到电网谐波对干扰与损害电网安全及关联用电设备正常运行的危害并制定了強制性法规,基本上只允许安装串联电抗器的无功补偿装置”[1],据在德国学成回国的某博士告诉我,在德国使用电容器95%都串电抗器,很少单买电容器使用的。技术上的定论,国外的应用实际,对比之下我们技术上的差距居然如此之大,我们的责任心何在?

事物都是一分为二的,串接电抗器后带来好多新问题,是过去不接电抗器时所未料的。如果不注意,有时比不接电抗器更坏。

2.1串接电抗器后选用的电容器端电压应作相应提高

串电抗器后电容器上端电压提高,大部分文章提到串抗后电容器额定电压的选择应按下式选用。

Uc=Un/1-K(1)

式中:Uc—串接电抗器后应选用电容器的额定电压 (kV)

Un—未串接电抗器时电容器的额定电压(kV)

K—所配接的电抗器的电抗率(%)

有过这样的事例:上海某成套柜制造单位,串电抗率为6%的电抗器,而电容器仍用额定电压0.4kV。这显然电容器长期处在过电压下运行易损坏。经提出这是使用错误,对方不服声称打官司定论。无独有偶,无锡市某电抗器制造厂产品样本中明确标明,电抗率为6%的电抗器,配用电容器额定电压为0.4kV时的有关参数列表。电抗率为6%的电抗器按(1)式计算电容器额定电压起码采用0.43kV甚至选用0.45kV额定电压的电容器。

实际上串接电抗后选多高电压的电容器,按公式(1)选取还是偏低的,它仅考虑串电抗后基波电压的抬高,未估及串抗后电容器回路谐波电流在某些工况下还是不小的,所以选用的电容器电压还要提高。德国赛通公司,在400V网路串电抗率5.67%电抗器,电容器选468V。[2]诺基亚 , 串电抗率6%电抗器电容器选480V。[3]

2.2电抗器的电抗率选多大

关于电抗率的选用,已有很多文章介绍,一般情况下按下表选取


       

     以前经常选用电抗率6%,因为对3次谐波放大不建议采用。国外好多公司都不用。《并联电容器装置设计规范》GB50227—2008国家标准已不再列入。

尤其对金属化电容器而言,电容易衰落,电容变小后感抗跟容抗的比值变小电抗率下降,甚至滑到谐振点,因此对于金属化电容器电抗率宜选大一点较安全。

2.3串接电抗器后电容器电容值不得变动

电抗器、电容器规格一旦配定,不得任意改动规格。这种变动情况有几种可能:

a)电抗器不变电容器电压变了或电容器容量变了。

贵州某单位,原用0.43-30-3电容器,串电抗率6%电抗器,电容器坏了更换新电容器,选用0.525-30-3电容器,以为电容器电压选高一点更可靠,结果电容器用上去反而坏的更快。经核算(计算从略),改用新规格电容器后电抗率K=4%,刚好是5次谐波的串联谐振点,成了5次谐波通道。

佛山某用户,原用0.525-25-3电容器6台并联使用,总容量为150kvar,电抗率用5.6%

电感应是328μH而实际采用320μH。本来电感就不足使用下来还勉强。后来另一批柜子改用0.525-22-1三台△接,两并共6台电容器,容量为132kvar,电抗器仍然用320μH的,结果这一批电容器很快坏了,硬说单相的电容器不如三相的耐用。经计算:改用132kvar后电抗仍然用320μH,电抗率变为4.8%,如果电抗器线性度不好过早饱和,这样情况下电容器肯定要遭殃。

b)几路电容器共用一台电抗器,不能任意撤掉一路电容器使用

某高压电容器用户,二路高压电容器共用一台电器抗,二路电容器进行单独切合,这种用法,当切掉一组电容器另一组在运行时,电抗率变了,要不得。

c)串接电抗器回路的电容器使用后电容衰减

电容器回路不串电抗,电容下降只要电容器不鼓肚不严重发热,还可以让它继续服役,少部分电容跌不碍大事。电容器串电抗器使用就不同了,它存在电抗率变了,所以电容器跌多了得马上更换电容器。

2.4电抗器质量提示

空心电抗器线性度好,在高压领域采用较多,但在低压领域使用时体积大,又装在铁柜里,造成漏磁涡流无法使用,可望而不可及。铁心电抗器最致命的要害是铁心饱和、噪声大,电抗器发热。低压铁心电抗器好多生产企业质量不过关,选用时特别要注意。有些电抗器饱和电流倍数过小的绝对不宜采用,这种电抗器还不如不用。饱和倍数小,一碰到合闸时的涌流,电路过电压,开关操作的过渡过电压,谐波电流叠加,并联支路其他电容器切合过电压等,造成电感的变化波动。饱和的电抗器本身又是一个谐波源。所以这种电抗器用不得。


3.低压并联电容器外接电容器放电器的必要性

高压并联电容器使用时大部分都并接有电感型放电器。较理想的情况时,用放电器又兼继电保护使用,此举在实际应用中已是非常普遍的做法。

低压并联电容器使用中电容器放电问题绝大多数都无人过问。几十年前就是在那样的技术条件下,好多电容器柜还知道用灯泡或信号灯(白炽灯式)放电。而现在反而很少人去关注电容器放电问题,是不是现在技术发展了,放电不需要了?

3.1自愈式低压并联电容器内部已设置放电电阻,但放电时间较长对满足电容器再投入是不充分的

自愈式低压并联电容器的放电电阻设置是根据国家标准规定,断开电源后3分钟内将电容器初始峰值降到75V或更低.。电容器再投入根据国家标准,剩余电压降至10%额定电压才允许再投入。根据计算,400V 15kvar电容器,靠内部放电电阻降至10%额定电压(40V)放电时间约200秒。如果不另用外放电器就意味着电容器切除后过200秒才允许再投入,但电容器实际使用时不到200秒又投入使用的还不少。

3.2大部分电容器控制器具有先投先切,后投后切,循环投切功能,这只是特定条件下理想化功能,有时电容器还是来不及充分放电又投入

处在轻负荷或者电容器容量设置裕度很大,这种情况下电容器有足够休息时间,能够满足200秒放电后再投入。但在重负荷时电容器容量设置裕度较合适时,问题就发生了,例如重负荷时12路电容器全投入,负荷变小时切除第一路电容器,其他用11路电容器仍在运行,过一阵负荷上去再投入的也仅有这台第一路电容器,在这种情况下就不可能有理想化的循环投切功能,就很难保证在200秒放电后才允许投入的功能。毫无疑问电容器投切开关和电容器就要遭殃。

3.3采用过零投入方案的复合开关或可控硅开关,电容器没放电到10%额定再投入是有害的

采用过零投入方案的复合开关或可控硅开关在网路电压为零时接通,此时如果电容器上剩余电压还较高时,电容器要向网路放电,对网路、开关、电容器显然是一种隐患。如果装有快速放电器就解除了这种隐患。当然此时隐患的程度是跟你投切频度跟放电速度有关。

3.4突然停电又送电,电容器来不及放电又投入

这样情况常有发生:初次启用或检修后试合电源(试合又切又合电源);雷雨季节网路自动重合闸;手动投试电容器;用跌落熔丝合杆上电容器的试合拉开又投入的操作。这种情况下电容器来不及放电又投入常常是没意料的。

例:2009年7月浙江台州地区烏云密布,天色昼黑,雷雨大作,电力网自动重合闸接近十余次(灯灭又亮)。事后有企业问及雷雨后有一批电容器坏,开关触点粘接,怎么会事?

3.5对于采用优化投切一步到位补偿方式时,电容器必须采取快速放电(采用不需要放电的特殊开关除外)

有些场合电容器补偿方式要求优化投切一步到位补偿,即需要补偿多少千乏立即一步到位投入多少千乏电容器,切除时也是只留需要千乏的电容器一步切除多余的电容器,在这种情况下经常有才切除不久的电容器又要再投入。

举例说明:假设某电容器柜一共有6路,电容器补偿总容量为155kvar,各路电容器容量按8︰4︰2︰1方式设置,各路电容器容量分别为:(1路)5kvar,(2)10,(3)20,(4)40,(5)40,(6)40。现在网路需要补偿117kvar,于是控制器优化运算后指令投入(1),(2),(3),(4),(5),路电容器共投电容器115kvar。过后只需补偿52kvar,于是切除多余的(1),(3),(4)路电容器,仅保留(2),(5)路50kvar电容器运行。过后又要求补偿75kvar,于是指令(1),(3)路刚刚切除不久的电容器再次服役达到补偿容量75kvar的需要。所以在这种使用方式时,电容器必须加快速放电措施才能适应。


4变压器空载时应不投或少投电容器

变压器空载时网路电压较高,投入电容器又抬高了网路电压,过高电压下变压器因磁饱和而产生以3、5、7次谐波其中以3次谐波为主的谐波,电容器有可能将某次谐波放大,甚至发生谐振,这应该绝对避免的。

1995年福建某木器加工厂变压器容量为180kvar,装120kvar电容器,用闸刀固定接入电容器,下午4点多钟投入,功率因数达到0.96。深夜3点多钟变压器起火爆炸。究其原因,晚上11点以后没人上班了又不知道要切电容器,发生谐波放大或谐振,殃及变压器燃烧爆炸。该企认为是装电容器惹的祸,要求电容器制造厂赔偿变压器及一切停工损失弗用。弄明白了,跟电容器生产厂无关。

陕西某钢厂用高压电容器补偿,轻负荷时因过补其他电容器全切除,为补偿空载变压器,另投入一组600kvar高压电容器没串电抗。电容器熔丝爆、鼓肚。说是电容器质量不好,要求退换。空载时投电容器要不得。


5电容器测试中应注意问题

a)验收试验不建议再进行极间耐压试验

极间耐压试验对电容器内绝缘受伤有累积作用,故电容器验收试验规程规定,不建

议作极间耐压试验。一定要试验时规定耐压试验值不超过出厂试验值的75%。况且一般使用单位试验变压器的容量都不具备作高压电容器极间耐压试验的条件。某用户单位有一台50kVA,100kV试验变压器,对11/√3-100-1电容器进行极间耐压试验,电压没升多少就跳闸,几次试验都不成功。认定是电容器质量问题要退货。该50kVA,100kV试验变压器,经计算,试验变压器二次额定试验电流仅0.5A,而11/√3-100-1电容器额定电流为15.7A这台试验变压器连满足电容器额定电流都不够,不要说作耐压试验电压更高电流更大,更满足不了。这个事例作者已碰到多次。

b)电容器极间绝缘水平不宜用摇表测量

用摇表作电容器极间绝缘测试,摇表摇时对电容器进行充电,一旦摇动过程中摇表速度波动降落,电容器马上对摇表放电,很容易烧坏摇表。电容器极间只规定损耗值,不规定极间绝缘值,无法进行判断优劣。尤其是高压全膜电容器极间绝缘电阻值是相当高的,作极间绝缘测试意义不大。

c)根据电容电流值来判断电容器是否合格,注意所加的电压和测试频率是否正确

山东某用户购买0.45-30-3电容器,额定电流标定为38.5A,用户在电网试时电流为32A左右,认为电容器不合格,100多台电容器全部退给制造厂。其实电容器是好的,该0.45-30-3电容器额定电流38.5A是指在额定电压0.45kV时的电流,如果该电容器用在0.38kV时电流就要跌到32.5A。用户错怪制造厂。

四川某用户购买0.4-20-3电容器,额定电流为28.9A,验收试验时电流只有25A,用户提出异议。原来用户试验电压不足只有380V,又用自已发电机试验,频率不在50Hz,所以新电容器只有25A也不足为怪。

对于低压电容器用电容表测量电容器电容较为有效。对于高压电容器,个别已击穿元件的绝缘在低电压下测不准,造成误判,因此对于高压电容器,用高压电桥或电压电流法测量较为正确有效。


6电容器接线和安装问题

6.1高压电容器不宜用角形接线应采用星形接线

高压电容器用角接,一旦电容器击穿造成相间短路,危及系统安全,所以不宜采用。而星接,电容器一旦击穿构不成相间短路,所以较安全。在实际运用中有不少的用户仍采用角接,所以在此不得不再次提醒。

6.2电容器接线端子螺帽松动有害

对电容器来讲螺帽松动其严重性不仅是一般概念下的接触电阻问题,螺帽松动电容器时通时断造成反复通断过电压,极易诱发电容器局部放电,电容器鼓肚。这种事故例子不少。

6.3电容器与母线连接应采用软线连接

电容器补偿无论用柜式,架式或其他形式,电容器与母排连接,经常看到制造单位为了省事用母排直接拧在电容器端子上。这不仅造成电容器端子经常受力致伤,极端情况是母排在发生某次谐波谐振的震动,尤其发生短路时的电动力足以把所有连接在母排上的电容器瓷瓶(端子)全部拉脱。

6.4电容器应竖立安装不准卧装(个别允许卧装的例外)

电容器只准竖立安装(个别允许卧装的例外)。电容器内部浸渍剂不一定全部灌满的,或者由于室温的变化热胀外壳的形变内部浸渍剂留出气隙,竖装时这种气隙仅在上端部箱盖下一小部分,影响不到电容器元件,如果卧放有可能个别元件露出浸渍剂,在电容器外壳微鼓变形时更是这样。

6.5电容器不能跟变压器共用一组跌落熔断器

当发生一相熔断器熔断或跌落熔断器拉合的不同期性,引起铁磁谐振,产生过电压和过电流,损坏变压器和电容器[4]


7电动机就地补偿应注意的问题

a)  电容器补偿容量不能过大,一般应限制在电动机空载电流0.9倍计算出来的电容器容量


Qc≤0.9√3 Io Un(2)


式中:Qc—电动机可补偿的电容器的容量(kvar)

Io—电动机空载电流(A)

Un—所选电容器额定电压(kV)

注:Un过去好多学者都推荐为电动机额定电压,应更正为所选电容器额定电压为妥。

当切断电源后电动机因有惯性仍在旋转,此时电容器放电电流使电动机励磁,如果电容器容量过大,就会使电动机得到自励磁运行于发电状态而过电压,此电压可能显着超过额定电压,损伤连接于该回路的所有电器。

b)下列情况时不宜采用

使用持续时间短的电动机;经常改变转动方向的电动机;吊车,电梯和其他可发生被自负荷驱动的电动机;采用反相制动,再生制动方法的电动机;多速电动;电力电子装置控制的电动机;重合闸或其他类似能产生过电压和过转矩的情况时;用Y/△启动,自耦变压器降压启动等,即用开路转换进行变压,变速的考场合下,未采取相应措施时不能用。


8用于分相补偿的三相中性点引出电容器,不允许将三个独立电容器并联作单相电容器使用

这种电容器内部中性点引出线的电流密度设计是按一相电流设计的,如果改作三个单相并联使用,中性线将严重过载,所以不允许改作此用。


9结语

1)防止电容器合闸涌流,电容器使用时要采取限涌流措施。电容器切除时要防止切除过电压,应选用不重燃或少重燃的投切开关。

2)并联补偿电容器回路应串接防谐波放大或谐振的电抗器。低压并联补偿电容器使用时也不能例外。使用串接电抗器后应注意:电容器上端电压的抬高,电容器额定电压要作相应提高;电抗器电抗率要选择正确;电抗器、电容器选定后不能任意改变已固定搭配的参数;铁心电抗器最致命的要害是铁心饱和、噪声、温升过高。

3)低压并联电容器外接快速放电器是必要的:自愈式低压并联电容器内部已设置放电电阻,但放电时间长对满足电容器再投入是不充分的;大部分电容器控制器虽具有先投先切,后投后切,循环投切功能,这只是特定条件下理想化功能,有时电容器还是来不及充分放电又投入;采用过零投入方案的复合开关或可控硅开关,电容器没放电到10%额定电压再投入是有害的;突然停电又送电,电容器来不及放电;采用优化投切一步到位补偿方式时,电容器必须采取快速放电。

4)变压器空载时应不投或少投电容器。

5)电容器测试中应注意:验收时不建议作极间耐压试验,常常又不具备试验没备条件;电容器不宜用摇表测极间绝缘电阻;以电容器电流来判断电容器是否完好,应注意所施加的电压和测试电源的频率是否正确。

6)电容器接线和安装问题:高压电容器不宜用角形接线,应该用星形接线;电容器端子接线螺帽不得松动;电容器与母线连接应采用软线连接;电容器应竖立安装,个别允许卧装的例外;电容器不能跟变压器共用一组跌落熔断器。

7)电动机就地无功补偿应注意:电容器补偿容量应按0.9倍电动机空载电流计算;有八种情况下不宜采用。

8)用于分相补偿的三相中性点引出电容器,不允许将三个独立电容器并联作单相电容器使用。


电容器的正确使用已刻不容缓,这不仅仅关系到社会有限资源的白白浪弗所必需,频发不该发生的电容器事故,惹来诸多麻烦所不允许。现在低压并联电容器使用间题很严重,令人担忧!



参考文献:

[1]马丁·电力谐波危害及治理[丁]赛尔电气应用,

2007-2008年度低压行业商鉴。P327-330。

[2]德国赛通电气(北京)有限公司样本。2007,(8)

[3]诺基亚2009(5)样本 

      [4]商福恭·实用电工诊断技巧[M],北京:中国电力出版社,2004。  



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