《電子技術(shù)應(yīng)用》
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無功補(bǔ)償裝置參數(shù)的選取方法
摘要: 電容器投入運(yùn)行的條件為功率因數(shù)低于設(shè)計(jì)要求且電壓低于上限值,或電壓低于下限值同時(shí)功率因數(shù)小于1;切除電容器退出運(yùn)行的條件為功率因數(shù)高于1或電壓高于上限值。一般電壓上限取1.05倍額定電壓,電壓下限取0.9倍額定電壓。
Abstract:
Key words :

1.電力電容器及其主要特性參數(shù)

     電力電容器是無功補(bǔ)償裝置的主要部件。隨著技術(shù)進(jìn)步和工藝更新,紙介質(zhì)電容器已被自愈式電容器所取代,自愈式電容器采用在電介質(zhì)中兩面蒸鍍金屬體為電極,其最大的改進(jìn)是電容器在電介質(zhì)局部擊穿時(shí)其絕緣具有自然恢復(fù)性能,即電介質(zhì)局部擊穿時(shí),擊穿處附近的金屬涂層將熔化和氣化并形成空洞,由此雖然會(huì)造成極板面積減少使電容C及相應(yīng)無功功率有所下降,但不影響電容器正常運(yùn)行。自愈式電容器主要特性參數(shù)有額定電壓、電容、無功功率。

     1.1額定電壓

     GB1274721991《自愈式低電壓并聯(lián)電容器》第3.2條規(guī)定“電容器額定電壓優(yōu)先值如下0.23,0.4,0.525及0.69kV。”電容器額定電壓選取一般比電氣設(shè)備額定運(yùn)行電壓高5%。

     1.2電容

     電容器的電容是極板上的電荷相對于極板間電壓的比值,該值與極板面積、極板間絕緣厚度和絕緣介質(zhì)的介電系數(shù)有關(guān),其計(jì)算式為C=14πε×SD式中ε為極板間絕緣介質(zhì)的介電系數(shù);S為電容器極板面積;D為電容器絕緣層厚度。在上式中,電容C數(shù)值與電壓無直接關(guān)系,C值似乎僅取決于電容器極板面積和絕緣介質(zhì),但這只是電容器未接網(wǎng)投運(yùn)時(shí)的靜態(tài)狀況;接網(wǎng)投運(yùn)后,由于電介質(zhì)局部擊穿造成極板面積減少從而會(huì)影響到電容C數(shù)值降低,因此運(yùn)行過程中,電容C是個(gè)逐年衰減下降的變量,其衰減速度取決于運(yùn)行電壓狀況和自身穩(wěn)態(tài)過電壓能力。出廠電容器的電容值定義為靜態(tài)電容。一般,投運(yùn)后第一年電容值下降率應(yīng)在2%以內(nèi),第二年至第五年電容值下降率應(yīng)在1%~2%,第五年后因電介質(zhì)老化,電容值將加速下降,當(dāng)電容值下降至出廠時(shí)的85%以下,可認(rèn)為該電容器壽命期結(jié)束。

     1.3無功功率

     在交流電路中,無功功率QC=UIsinφ由于電容器電介質(zhì)損耗角極小,φ=90°,所以sin

φ=1,則無功功率QC=UI=ωCU2×10-3=2πfCU2×10-3(μF),從該式可見,電容器無功功率不僅取決于電容C,而且還與電源頻率f、端電壓U直接相關(guān),電容器額定無功功率的準(zhǔn)確定義應(yīng)是標(biāo)準(zhǔn)頻率下外接額定電壓時(shí)靜態(tài)電容C所對應(yīng)的無功率。接網(wǎng)投運(yùn)后電容器所輸出實(shí)際無功功率能否達(dá)到標(biāo)定容量,則需視運(yùn)行電壓狀況。當(dāng)電網(wǎng)電壓低于電容器額定電壓時(shí),電容器所輸出的無功功率將小于標(biāo)定值。因此如果電容器額定電壓選擇偏高,電容器實(shí)際運(yùn)行電壓長期低于額定值,很可能因電容器無功出力低于設(shè)計(jì)值造成電網(wǎng)無功短缺。

2.無功補(bǔ)償電容裝置參數(shù)的選取誤區(qū)

     無功補(bǔ)償裝置在進(jìn)行設(shè)計(jì)選型及設(shè)備訂貨時(shí),提供給廠家的參數(shù)往往僅是電容補(bǔ)償柜型號(hào)和無功功率數(shù)值,而電容器額定電壓及靜態(tài)電容值這兩個(gè)重要參數(shù)常被忽略。由于電容器生產(chǎn)廠家對產(chǎn)品安裝處電壓狀況不甚了解,在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)往往側(cè)重于降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本和減少電介質(zhì)局部擊穿,所選取的電容器額定電壓往往高于國家標(biāo)準(zhǔn)推薦值,這樣做對電網(wǎng)運(yùn)行的。無功補(bǔ)償效果會(huì)造成什么影響對電網(wǎng)建設(shè)投資又會(huì)引起什么變化呢可通過以下案例進(jìn)行分析。

  例如某臺(tái)100.4kV變壓器,按照功率因數(shù)0.9的運(yùn)行要求,需在變壓器低壓側(cè)進(jìn)行集中無功補(bǔ)償,經(jīng)計(jì)算需補(bǔ)償無功功率100kvar,如果按額定電壓U=450V配置電容器,根據(jù)QC=ωCU2×10-3計(jì)算,電容器組的靜態(tài)電容值C為1572μF,接入電網(wǎng)后在運(yùn)行電壓U=400V的狀態(tài)下,該電容器實(shí)際向電網(wǎng)提供的無功功率QC為79kvar,補(bǔ)償效果僅達(dá)預(yù)期的79%。反之,在上述條件下,要想保證實(shí)際補(bǔ)償效果為100kvar,則至少需配置電容器無功功率為127kvar,也就意味著設(shè)備投資需要增加27%。中山市2004年變壓器增加898臺(tái),合計(jì)容量近60萬kvar,按30%補(bǔ)償率計(jì)需補(bǔ)償無功功率近18萬kvar。按上述分析,如選取額定電壓為450V,則無功補(bǔ)償量需在原有數(shù)字上增加4.86萬kvar,既便采取交流接觸器投切靜態(tài)補(bǔ)償方式,設(shè)備購置投資亦需增加1080萬元年。如采取晶閘管投切動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方式,則設(shè)備購置投資增加額則達(dá)到1980萬元年。因此,為保證實(shí)際補(bǔ)償效果與設(shè)計(jì)一致,無功補(bǔ)償設(shè)備訂貨不僅應(yīng)提出電容補(bǔ)償柜的型號(hào)和無功功率數(shù)量,還應(yīng)明確電容器額定電壓,同時(shí)應(yīng)要求設(shè)備生產(chǎn)廠家在電容器出廠銘牌上標(biāo)明無功功率數(shù)量,額定電壓數(shù)值以及靜態(tài)電容C數(shù)值。

3.低壓電容器額定電壓及穩(wěn)態(tài)過電壓范圍的選取

     從以上分析可見,電容器額定電壓高于運(yùn)行電壓可能造成補(bǔ)償容量不足或引起設(shè)備投資的增加;而電容器額定電壓選取過低又可能因電介質(zhì)局部擊穿造成電容C值下降從而影響補(bǔ)償效果。正確的選擇原則應(yīng)是在保證補(bǔ)償效果的前提下,既滿足建設(shè)前期設(shè)備投資最少,同時(shí)又需做到電容器運(yùn)行期間電介質(zhì)局部擊穿率最低,也就是說電容器運(yùn)行電壓需盡可能保持在電容器所允許的穩(wěn)態(tài)過電壓范圍內(nèi)。GB1274721991《自愈式低電壓并聯(lián)電容器》第4.1.5.1條對電容器穩(wěn)態(tài)過電壓明確規(guī)定如下“電容器應(yīng)能在1.1倍額定電壓下長期運(yùn)行,并且在整個(gè)使用壽命期內(nèi)可承受200次以內(nèi)的1.15倍額定電壓值的電壓沖擊。”中山市1998年以來公用變壓器低壓臺(tái)區(qū)的供電半徑基本達(dá)到城鎮(zhèn)為250m以內(nèi),農(nóng)村為500m以內(nèi),變壓器設(shè)置按深入負(fù)荷中心原則,75%以上的低壓負(fù)荷分布在變壓器附近150m內(nèi),根據(jù)國家《供電營業(yè)規(guī)則》規(guī)定10kV及以下三相供電用戶受電端電壓偏差為±7%,220V單相供電用戶受電端電壓偏差為+7%~-10%。本著兼顧變壓器近端用戶最高受電端電壓和遠(yuǎn)端用戶最低受電端電壓的原則,一般100.4kV公用變壓器低壓出口平均電壓保持在400~440V,但短時(shí)間仍存在440V的最高電壓。

     近期,對550臺(tái)公用配電變壓器的抽樣檢測數(shù)據(jù)1300萬組進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,看到電壓為400~440的抽樣數(shù)據(jù)1181萬組,約占90.85%;電壓為440~460V的108.4萬組,約占8.34%;電壓≥460V的10.6萬組,約占0.82%。按以上變壓器低壓運(yùn)行狀況,如電容器額定電壓選取400V,則每臺(tái)變壓器所配置電容器大約每年可能經(jīng)受193次1.15倍額定電壓沖擊,顯而易見,對于電容器極板局部擊穿乃至運(yùn)行壽命都非常不利。如果將電容器額定電壓提高,又將大大增加設(shè)備投資。對此,采取的做法是按國家標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)先推薦值選取電容器額定電壓為400V,同時(shí)電容器投切采用并聯(lián)控制原則。

4.并聯(lián)控制投切電容器

     采取電容器安裝處的功率因數(shù)和電壓兩參數(shù)為投切控制依據(jù)來進(jìn)行綜合控制,可確保無功補(bǔ)償裝置電容器運(yùn)行區(qū)域始終保持在1.1倍穩(wěn)定過電壓范圍。

  電容器投入運(yùn)行的條件為功率因數(shù)低于設(shè)計(jì)要求且電壓低于上限值,或電壓低于下限值同時(shí)功率因數(shù)小于1;切除電容器退出運(yùn)行的條件為功率因數(shù)高于1或電壓高于上限值。一般電壓上限取1.05倍額定電壓,電壓下限取0.9倍額定電壓。

     近期,筆者對所在地區(qū)2002年安裝的320套公用變壓器低壓側(cè)無功補(bǔ)償電容器進(jìn)行抽檢測試,所得數(shù)據(jù)顯示安裝處功率因數(shù)為0.91~0.99之間,最高運(yùn)行電壓為419V,電容器靜態(tài)電容值年平均下降1.2%。事實(shí)證明,采取功率因數(shù)與電壓并聯(lián)控制投切方式,無功功率的補(bǔ)償效果及穩(wěn)定電容器的運(yùn)行電壓均效果良好。

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