并联电容器装置的现状及展望

! 并联电容器装置的现状及展望 桂林电力电容器总厂（桂林 !"#$$"） 李东浩 前言 并联电容器装置是目前国内外电力系统 中一种极为重要的无功电源，其作用主要有 以下几个方面： （#）提高供电系统及负荷的功率因数，降 低设备容量，减少功率损耗； （%）稳定受电端及电网的运行电压，提高 供电质量； （&）在三相负荷不平衡的场合，通过适当 的无功补偿可以平衡三相的有功及无功负 荷； （"）在长距离输电线中适当的地点装设 动态无功补偿装置可以改善线路的电气参 数、提高输送能力； （!）增强电力系统的稳定性，作为事故后 备无功缺额储备，避免电压崩贵、系统瓦解的 恶性事故。 据不完全统计，电力电容器产品有 ’$! 左右是以成套装置的形式装备于电力系统和 厂矿的配电网中，这种成套装置有安装简便 灵活、控制方式简洁、投资省、收效快等诸多 优点，已被绝大多数用户认可，成为无功补偿 的首选设备。同时，成套装置整体性能、制造 质量的优劣，也越来越成为用户关注的焦点 和制造厂家在市场竞争中立于不败之地的关 键所在。 # 并联电容器装置的现状 !"! 历史回顾 并联电容器装置是在其核心———单台电 容器出现后逐渐发展起来的。国外在二战后 期就已得到广泛的应用，由于历史的原因，我 国直到七十年代中后期才出现其真正意义上 的成套装置。桂林电力电容器总厂从八十年 代初开始生产该类产品，单台产品类型先后 经历了全纸、膜纸复合、全膜、无油干式（金属 化膜）几个阶段。产品函盖了从 #"$"# 到 %%"# 电压等级范围，性能和生产质量水平属 于国内行业前列，其中部分类型如：半封闭 式，高压无油自愈式属国内首创。近年来，随 着电容器设计、制造水平的提高，高性能绝缘 油和双粗膜等介质的选用，铝箔折边、压力注 油、压力浸渍等工艺的改造与完善，整个国内 电力电容器行业已形成了以全膜电力电容器 产品为主导、多种新产品并存的主要格局。 并联电容器装置主要由三大部分组成： （!）投切装置：包括断路器，隔离开关等。 （&）主体功能装置：包括电力电容器，串 联电抗器，放电装置，单台电容器保护熔断 器，避雷器、接地刀闸，导体，支柱绝缘子，构 架等。 （’）控制，测量，保护装置：包括各类电 压，电流变换设备，测量仪，继电器保护等。 以上区分并不绝对的，有时会随产品类 型（如高压、低压）及用户选购范围不同而有 所交叉、取舍。 !"& 国内外技术差别 国内外成套装置在设计思想，制造水平 等软、硬件方面也存在一些不同之处，主要表 现在以下方面。 !"&"! 硬件 ·’$·%$$#年 第 %期 并联电容器装置的现状及展望 ! 收稿日期：&###—#(—!’ （!）在国外，电容器几乎全部以成套形式 供应，现场安装、调试简便，准备工作少，产品 商业化程度很高；国内仍有 "#!左右的电容 器是以单台散件提供用户的，配套设备的选 型，性能参数的确定有时由用户来完成。 （"）国外电容器制造商大多是信誉卓著， 技术领先的大公司（集团）。因此其成套装置 的水平很高，所有主、辅设备均可生产，工程 订货通常是“交钥匙”方式，而国内的制造商 几乎是清一色的纯电容器制造者，近年来部 分厂家虽然也提高了配套设备的制造能力， 但涉及面有限，与国外相比仍有较大差距。 （$）国外厂家的制造水平较高，无论从外 观，排列方式，防腐蚀处理等方面，还是载流 接头，夹持部分等细节，都表现出不少可取之 处。国产电容器无论焊接技术，油漆涂层等 方面，都有较大差距。往往投入使用期限不 长，外观已显陈旧。 !%"%" 软件 （!）一般说来，国外厂商很注意“系统设 计”这一过程。由于其供货的成套性较强，甚 至连电网规划都是厂家参与，使得其产品与 系统工况贴近，比较注意实际使用效果。相 比而言，国内从设计部门到制造商、使用者， 关系比较松散，往往设计院（所）有其考虑，用 户有其见解，制造商有其想法，订货时往往只 “照单点菜”，可能造成“物不尽其用”或“物不 堪其用”的后果。 （"）国外在设计制造产品时，十分注重 “成本”概念，因此其产品场强比国内高 $#! & ’#!，成套中单个电器的性能不一定是用 最好的，但经过综合配置后其整体性能是不 错的；国内产品相比则显“保守”，价格缺乏竞 争力。 （$）其他诸如保护方面，国外大致分为两 大流派：以 "## 为代表的西欧诸国制造商多 数是主张用内熔丝保护电容器内部元件；而 以 $% 为代表的另一些国家则主张使用单台 外熔断器对单台电容器进行保护。另外，由 于其计算机仿真模拟水平较高，使得保护特 性配合得较好。国内的做法则以“兼收并蓄， 有备无患”为主要思路，实际应用中也存在不 少花了钱但效果不好的现象。但使用单台外 熔断器在对地保护方面确实有其不可替代的 作用。 尽管有着以上的差别，但国内外成套装 置也不乏一些共同之处，如单台电容器容量、 额定电压的系列比，补偿装置设在变压器主 要负荷侧等方面是十分吻合的。 !%$ 国内成套装置现状 近二十年来，国产并联电容器装置有了 很大的发展。但在 !()#年以前，成套装置技 术还不够完善，主要有以下特点： （!）单台容量小，整组容量小，单台一般 十几 &几十千乏，很少超过 !##&’()，整组通 常几百千乏，极少超过 ’###&’()。装于电站 内的集中补偿装置也不多见。 （"）主断路器多为油开关，体积大，维护 困难，灭弧能力差，易重燃。过电压保护很少 用避雷器，真空、*+* 开关还在起步阶段，氧 化锌避雷器也很不成熟，通流容量不大。 （$）没有专用的放电装置，通常用电容器 内放电电阻或油浸式电压互感器代替。放电 效果差，使得装置不宜频繁投切。油浸式电 压互感器铁磁部分产生的高次谐波还易通过 电容器产生放大。 （+）装置的内部故障保护全依赖继电器 保护，如双三角的横联差动保护等；单台保护 用喷逐式熔断器正处于研制试用阶段，内熔 丝也是在科研攻关之中。因而对电容器保护 很不完善。另一方面，当时电容器组的主接 线方式以三角形居多，加上单台容量小，并联 台数相对比较多，使得造成装置相间短路的 概率大增（因三角形接线一旦电容器极间击 穿，对系统而言即为相间短路）。尽管当时电 容器的场强普遍较低，但爆炸事故仍时有发 生，产品年损坏率居高不下。 !()#年以后，国民经济发展速度加快， ·++· 电力电容器 !""#年 第 !期 供用电部门对无功功率补偿的需求日渐迫 切，但早期从国外引进的成套装置相继出现 电容器大批损坏，加之服务方面的原因，国家 认为仅靠进口不能根本解决问题。此时，国 内电容器行业开始向电力用户提供并联电容 器成套装置。相关行业在这种形势的推动 下，积极开展电容器及有关配套件的开发研 制，使得上述情况很快有了变化：电容器由于 介质不断更新换代，单台大容量产品问世，目 前国内最大可达 !!"#$ 左右；油浸铁芯乃至 干式空心串联电抗器相继开发成功，最后又 出现了干式铁芯产品；喷逐式熔断器广泛地 投入使用；专用放电线圈和电容型大通流容 量氧化锌避雷器的系列化生产；老炼处理后 不重燃的真空开关投切电容器组顺利过关； 三角形接线被星形接线淘汰。这一系列的技 术进步，加之用户运用管理水平的提高，使得 该类装置的事故率大幅下降，大多数厂家产 品的年损率降至 !%以下，接近或达到国外 先进水平。 ! 并联电容器装置的几种类型 从并联电容器装置的主体———电容器组 来说，按其出现的先后顺序，大致分为三种， 现分别简述如下。 "#! 组架围栏式（柜式） 组架围栏式是指若干台电容器安装在由 型钢制成的钢构架上或框体内，再进行装置 的电气单元结线，框体周围或构架四边设有 防护围栏的一种装置，小容量或低压装置还 通常做成柜式，减少占地，方便与开关柜驳 接，增加美观程度。这类产品历史最为悠久， 运行维护经验丰富，是人们最熟悉的一种，它 具有结构简便，布置灵活，容量弹性好的特 点。最大的不足是占地面积大，安装工作量 大，维护不便，综合投资较高，但它最令人放 心之处是装有单台熔断器保护，并配有动作 指示牌，易于发现故障电容器，这种形式目前 在国内仍占有主导地位。近年来，户外式逐 渐增多，构架也由油漆型过渡为热镀锌型，表 面防腐效果更佳，使用年限更长。用于户内 的柜式还有外表喷塑等类型，外观更为赏心 悦目。目前，国内 !$&’ 等级的装置，单组容 量达 !$!"#$ 以上，%&&’ 单组容量已 ’$!"#$ 左右。 "#" 集合式（箱式） 该类产品在出现的早期又称“密集型”。 整体外表象一台变压器。大油箱内安装带铁 壳的电容器单元或电容器芯子（直接装电容 器芯子的又称箱式），按设计要求串、并联组 成一台单相或三相的大容量电容器，大油箱 内还充注绝缘油（通常是变压器油），有的厂 家在大油箱内还设有放电线圈等配套件。这 类产品的内部故障保护主要靠每个元件上串 联的内熔丝，不设外熔断器。 这种产品最早见于日本。目前，国内主 要是仿制日本的同类产品（典型代表为日 新），它最大的优点是占地极省，安装简便，特 别是这几年城乡电网改造工程，被广泛采用， 一度很受用户青睐，随着用量的增多，人们的 认识也逐渐广泛深入，不少人认为仍有以下 几方面值得商榷： （!）它不符合电工产品向少油和无油化 方向的发展大趋势。!!$&’ 以下电压级的变 电所，主变容量不大，补偿容量较小，用 ! ( " 台容量不大的集合式产品，总的油量不多，免 设维护及故障后的排油设施也未尝不可。对 ""$&’级以上电压级的变电所，设计力量较 强的专业院所已考虑这类产品事故后的排油 设施及消防设施，这样一来，安装方便的优点 也会因其他费用的增加而打折扣。 （"）从国内外的运行情况表明，集合式仍 和组架围栏式产品一样，也有早期损坏的问 题，我国从南到北均有这样的情况发生，一旦 内部单元损坏，用户现场无法处理，只能返厂 维修，这样给双方造成时间、金钱上的损失。 （%）由于集合式的出线套管一般只有六 只，接线端子的电流密度比一台铁壳式电容 器的相应额定电流大很多，焊接部位容易因 ·&)·!""#年 第 !期 并联电容器装置的现状及展望 过热而导致渗、漏油。另外，该产品多置于户 外、在蛇、鸟等小动物危害频繁的地区，其危 害程度也比一般组架围栏式严重些。 （!）因集合式无法设置外熔断器，一旦出 现电容器对地击穿等恶性事故时，要保护电 容器免遭破裂，仅靠开口三角电压、过压、过 流等继电保护恐怕难保万无一失，所以说这 类产品在对地保护方面存在“死区”。 （"）集合式产品不宜用在滤波支路中。 电容器对谐波很敏感，滤波支路中电容器的 运行工况更恶劣，随着内熔丝不可避免地动 作，当容量引起变化时，会严重影响滤波效 果。在不更换整台产品的前提下，是无法恢 复原有滤波效果的。但采用组架围栏式或下 述的半封闭产品，就很容易解决上述问题。 #$% 半封闭式 此处所言的“半封闭”，是相对于组合电 器的“全封闭”而言。即只将单台电容器的带 电部分（通常自出线套管根部以下）用薄钢板 封闭（不是密封）起来，外壳等地电位部分仍 暴露在外，半封闭式产品的单台电容器侧卧 放置，套管相对，双排布置，电容器油箱大面 之间的净距仍保持 &’’!! 以上，以利散热。 除电抗器外的配套电器安装在底层，电容器 组视容量不同可分为单层或多层，以节省占 地面积。 半封闭最早在国内出现于八十年代，早 期产品是桂林电力电容器总厂参考瑞典 "## 公司电容器排列方式的基础上，在国内 率先开发出来的，当时采用内熔丝作为主保 护，进线方式为电缆底部进线，亦可根据用户 要求用套管架空进线。经过十年来的不断完 善、提高，该类产品克服了集合式产品的一些 缺点，其主要优点如下： （&）除单台电容器外，没有额外附加的冷 却油和绝缘油，无需考虑排油、消防措施。因 而单位千乏的综合造价低于集合式。 （#）加装了外熔断器作为保护，消除了对 地保护“死区”，运行更为安全，加装了内部强 迫风冷系统，散热效果显著改善。 （%）装置周边封闭，可有效避免蛇、鼠等 小动物的危害和风沙雨雪的侵蚀。 （!）容量调节弹性大，一旦某台电容器发 生故障，只需装卸几颗螺栓，在现场用户即可 自行更换，无需返厂修理，也可用于滤波支路 中。 当然，半封闭也有一些不足之处，主要是 现场安装工作量比集合式大，安装一组 &’$%&’ 的装置，现场需 # ( %个工作日，占地 面积比集合式稍大，（但比分相布置的集合式 占地仍省，因而在容量装置中有优势）。另 外，单台熔断器亦被封闭，不太容易发现故障 电容器，平时需通过装置的视窗观察，工作人 员需加强巡视维护。 以上所述并联电容器装置的三大类型， 属于容量较大、应用较广的并联电容器装置， 根据装置的特点，还可分出其他类型。如就 地补偿装置：这是以电容器为主，带有保护元 件的小型装置，与单台电动机并联使用，有较 好的节能效果；还有一种柱上式装置：装在水 泥杆或铁塔上，全户外形式，不占土地，整组 容量通常在 &$%&’ 以下，通常有平台式、挂箱 式几种形式，特别适合于农村电网改造工程。 桂林电力电容器总厂近年来曾向巴基斯坦和 东南亚地区出口了 !’’余套柱上式装置。 ! 并联电容器装置的保护和投切 %$& 保护方面 电容器装置的保护方式历经多年运行经 验和世界各国的不断深入研究，层层设防，是 比较严密可靠的，总体而言，从单台电容器或 电容元件起直到装置整体分为熔断器保护和 继电保护。前者的任务是隔离故障电容器或 故障元件，保证剩余的健全部分继续运行，实 现无功功率的连续输出，内熔丝和外熔断器 就是为了达到这个目的；继电保护是对装置 整体的保护，当运行条件危及电容器装置整 体的运行安全时，保护装置应使断路器动作 将电容器装置的电源断开，以免造成更大的 ·)!· 电力电容器 "##$年 第 "期 损失和恶劣的后果，后备保护包括不平衡保 护（电压、电流）、过流、过压、失压等保护。 以上划分是根据保护的作用不同和切除 层次不同而定的，并联电容器装置的保护除 了上述各种外，还有以下两种。 !"#"# 工频过电压保护 为了避免电容器在工频过电压（又称稳 态过电压）下运行而导致绝缘损坏，通常利用 变电所母线上的电压互感器信号接装过电压 保护，按电容器国标的规定，电容器有较大的 过电压承受能力，但为了安全，工频过电压整 定得较保守：如 #"#倍时动作于信号报警，以 便使运行人员调节主变分接头或切除电容器 降低系统电压，在 #"$倍时延时 % & #’ ! 动作 于断路器跳闸，可以避免因瞬时电压波动引 起的误动作。 !"#"$ 操作过电压和防雷保护 操作过电压主要是开关投切时发生重燃 所致。因此设计时应重视断路器参数的选 择，通常选用经老炼处理的真空开关或 "#( 开关。操作过电压和雷电过电压的保护主要 是装设专用的氧化锌避雷器（$%&）。由于 电容器对雷电冲击波有衰弱效应，如果其安 装位置位于变电所避雷器的保护范围内，可 以考虑不单独装设避雷器。 目前，随着国内电力系统运行、管理水平 的提高以及技术的进步，电站无人值守、实现 “五遥”等要求也不断被提出，国内外不少制 造厂家也研制出具有先进功能的电容器装置 保护系统，可对电压、电流、功率因数、绝缘监 测等数据进行长期跟踪、处理，可以与电网调 度系统的计算机联网，可对故障发生时刻的 状态和故障原因有更准确的认定，以便使用 者和制造厂在今后的工作中不断改进和提 高。 !"$ 投切方面 电容器装置的投切与上述的保护往往关 系密切，“投”通常对应于正常状态，“切”往往 是对应于故障状态或系统警报状态（正常的 调度分闸除外），在技术上除要求断路器质量 过关外，还与保护方面互为依托。随着技术 的进步，自动投切也成为主流。早期的自动 投切屏，其采样、判别、发指令全靠电磁式继 电器，接线繁琐，盘面大，易出故障。目前新 型的投切屏，其采样、判别等环节均通过单板 机或微机完成，仅出口用继电器，体积大大缩 小，可靠性也大为提高。另外，采样因子、数 据类型可以设定，投切方案更为科学，通过与 有载调压变压器配合，就更能满足电力系统 对容性无功的实际需要。国内不少高校、科 研院所已和生产厂家联合开发出具有国际先 进水平的自动投切装置。 ! 并联电容器装置的未来发展趋势 科学技术总是呈现不断提高和发展的螺 旋上升过程，随着新材料、新工艺在电力电容 器制造上的不断应用，产品的整体水平也将 不断地完善提高，但从现状分析，这种变化并 不是一蹴而就的，仍需假以时日。大体上，并 联电容器装置的发展趋势会在以下几方面体 现。 )"# 无油化 这是电工产品的发展总趋势，是应提高 安全可靠性、产品轻小化潮流以及环保等多 方面的要求。现在已出现无油电容器，主要 是金属化膜电容器封装在阻燃绝缘外壳或是 充以氮气、"#(气体等代替绝缘油，并已向高 压领域发展。目前，这种产品内部元件保护、 容量下降等问题正可望找到新的解决。 这几年进行的城市电网改造迫切需要可靠、 安全，不起火，占地省，适用于“寸土寸金”的 城市密集繁华商业区和生活小区的并联电容 器装置。使得制造商加大投入，技术革新方 兴未艾。目前，从投切用的断路器———"#( 开关，到干式无油的配套电器，再加上无油电 容器，并联电容器装置无油化已不存在技术 “瓶颈”，关键是在现有基础上进一步完善制 造技术，降低成本。 )"$ 应用范围向多领域渗透 ·*)·"##$年 第 "期 并联电容器装置的现状及展望 并联电容器装置最典型的应用领域是电 力系统和工矿企业的配电网，随着电容器质 量的稳定，年损坏率已降到很低的水平，另 外，“两网”改造完成后，国家大批建设资金必 然进入一个萎缩期，相对而言，并联电容器装 置的原有市场已近饱和，必须拓展新的市场， 向其他领域渗透，近期估计有以下几个方面。 !"#"$ 电气化铁道牵引电力系统 为了适应经济的增长，铁道部门将进一 步提速和加快电气化铁路的建设，这必然会 增加并联电容器装置的用量，以进一步改善 电能的质量。 !"#"# 石化企业配电系统 随着国家“开发大西北”决策的出台，还 有“西气东送”工程的启动，至少要投资 %&&& 亿元以上，这使得与之相关的石油、天然气、 化工行业出现新的转机，也会增大并联电容 器装置的需求。 !"#"% 军工系统 我国随着综合国力的提高，对国防事业 的投入也必将增大，主要涉及卫星、导弹发射 等需要稳定电能质量的部门和飞机、坦克、舰 船等有大型焊接设备的制造部门。 !"% 配套技术进一步发展 从装置配套的断路器开始，不断有新的 技术出现，目前有的厂家已开始用功率晶闸 管替代。这在低压系统应用已比较普遍了。 随着元件制造水平的提升，在高压方面实现 !"# 也是指日可待的事。其触发方式也普遍 改为光电触发。 装置的监测、保护部分功能更为完善，效 果更好，使新一代并联电容器装置的运行更 可靠，而且能与对象主机的运行工况相配合， 实现闭环或开环控制。 配套件的设计、制造水平迅猛发展，可能 出现类似于 $%" 的组合式装置，功能模块化， 对外留接口，可更换局部故障模块，结构更为 紧凑，使用寿命更长。 ! 结束语 以上简略地介绍了并联电容器装置在我 国的发展历史、现状以及今后发展的展望，旨 在说明这样一个观点：任何技术的发展完善 都不是一蹴而就的，各种类型的产品会有一 个时间不短的并存期，不同用户将会根据自 己的使用运行经验、技术要求和经费的许可， 选取最适合于自己的产品类型。因此，在今 后较长的一个时期内，任何一个厂家，任何一 个类型的产品要在整个市场中占据绝对优 势、处于垄断地位将是不现实的，在市场经济 的竞争中，并联电容器装置的生产厂家唯有 不断提高自己的生产技术水平，稳定产品质 量，增加产品的科技含量，不断满足各类用户 的新需求，提供更为优势的服务，才能进一步 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 赢得市场，在残酷的商战中立于不败之地。 欢欢欢迎迎迎投投投稿稿稿 欢欢欢迎迎迎刊刊刊登登登广广广告告告！！！ ·’!· 电力电容器 "##$年 第 "期