電力電容器的原理及實際應用

電力電容器的原理及實際應用電容器與無功補償1．概念容納電荷的器件，英文名稱：capacitor。電容C單位電容器所帶的電荷量Q與電容器兩極板間的電勢差UC表示。C=?????式中，電荷量Q是用于度量電荷多少的物理C。庫侖的定義是，假設導線中載有111侖。電壓U的單位為伏特，簡稱伏，符號為V。電容器的單位在數值上等于兩極板間的電勢差為1V時電容器需帶的電荷量。電容的物理意義是，表征電容器容納〔儲存〕電荷本領的物理量。一個格外大的物理量，我們在電力系〔F一個格外大的物理量，我們在電力系拉的千分之一。所以，常用單位還有微法〔μF〕和皮法〔pF1F=106F=1012pF。對于一個確定的電容器而言，電容是不變的，CQ、U構造任何兩個彼此絕緣又相互靠近的導體都可以夾上一層絕緣介質，就組成一個最簡潔的電容〔見圖1〕4．電容器的大小平行板電容器的電容C跟介電常數ε成正比，跟正對面積S正比，跟極板間的距離d1平行板電容????C= ??4??????k9.0×109Nm2/C2靜電力常量表示真空中兩個電荷量均為1C的點電荷，它們相距1m時，它們之間作用力的大小9.0×109Nεr

為兩平行板之間的絕緣介質的空介電常數的比值。S為兩平行板相對局部的面積，單位為m2，d為兩平行板之間的距離，單位m。2相對介電常數εr電容器的工作狀態(tài)3。放電：使電容器兩極板上的電荷中和的4。充電過程的實質是其它形式的能量轉化為電〔圖3中用電池給電容器充電，是化學能轉化為電場能，放電過程的實質是電場能〔圖4中電場能轉化為連接兩個極板間的導線的熱能。所以，電容器是一種儲存電場能的裝置。圖4電容器放電

3 電容器充電電容器的相關公式〔1〕純電容電路???? = 1??????

= 12????????=

=

????=

2??????????=??????=??2????=??2????????????=0??=??????????????(??)????=??????sin(?????90°)(??)式中，????-----容抗，Ω；C 電容，F；電容上無功55純電容電路〔2〕電阻電感電容串聯(lián)電路??=√??2+(?????????)2????=??= ?????? √??2+

??=√??2??

????????=??

=

=???? ?? ????=??????=??????????????=????=√??2+(?????????)2??=??????????????(??)??=????sin(????±??)(??)>????，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??1

= ??√??2+??2??????

=????????=??1+??????=√??21有

+(??1無

?????)????????=??1????????1=????1????????1????????=??1????????1=????1????????1??????????=1無???????1有=??1????????1???????1????????12式中，??1有

-----電阻電感支路的有功重量電流，A；??1無

流，A；????????1 未并電容前電阻電感電路的功率因數；???????? 并電容后功率因數。二、電容器的作用統(tǒng) 中 所 發(fā) 揮 的 作 用 。7阻串感并電容電路們都改善電力系統(tǒng)的電壓質量和提高輸電線路的輸電力量，是電力系統(tǒng)的重要設備。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??補償線路的感抗??最大可將線路末端電壓提高10%～20%。具體計算公式可參照電容器相關公式中的電阻電感電容串聯(lián)電路。降低受電端電壓波動。當受電端接有很大的沖擊負荷〔如電弧爐、電焊機、電氣軌道等〕串聯(lián)電容器在線路中對電壓降落的補償作用是中，當沖擊負荷接入時，線路阻抗急劇減小，受電端電壓降低，此時電容器的工作狀態(tài)為放電，使受電端的電壓變化減小。提高線路輸電力量。線路串入了電容器的補償容抗????，線路的電壓降落和功率損耗減小，相應提高了線路的輸送容量。改善了系統(tǒng)潮流分布。在閉合網絡中的某些線路上串接電容器，局部地轉變了線路電抗，的目的。提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。線路串入電容器后，〔如雙回路切除一回，單回路單相接地切除一相????限功率，從而提高系統(tǒng)的動穩(wěn)定。并聯(lián)電容器的作用的輸電力量。串聯(lián)電容器與并聯(lián)電容器分別用在什么狀況電力量；并聯(lián)電容器應用較為廣泛，在10kV及緣由打算的：串聯(lián)電容器可提高線路末端電壓〔具體計算公式見電阻電感電容串聯(lián)電路級較高。荷端的電容器都可以增加輸電荷端的電容器都可以增加輸電路的阻抗，增大線路的輸電電的電流，增加線路帶負荷的力量。變壓器低壓側一般承受并聯(lián)電容器補償，這是由于假設承受串聯(lián)補償電容電流很大而且串聯(lián)補償裝置較簡單〔如右圖。假設承受并聯(lián)電容，則電容所受電流較小，構造較簡潔。并且，串聯(lián)電容器主要起的作用為“電壓補償即提高受電端電壓的作用并聯(lián)電容器主要起的作用“電流補償即抵消線路中的無功電流，提高系統(tǒng)功率因數由此分析變壓器低壓側也應承受并聯(lián)電容補償。 圖8串補裝置接線圖并聯(lián)電容器串聯(lián)電抗器可以定向減小線路的功能。三、并聯(lián)電容器的應用a．型號型號舉例見右圖。Ba．型號型號舉例見右圖。B并聯(lián)電容器系列；其次個字母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、硅油適應嚴寒低溫地區(qū)；第三個字母M〔或FMJ〕表示固體9電容器型號〔薄膜；第一個特征數字為額定電壓，kV；其次個特征數字為額定容量，kvar；第三個特征數字為相數，13；尾注號或GTH〔或高無尾注號的為戶內使用。下表為常見的低壓電容器性能比較：型號 介質 特點油式，介質為菜籽油 電容的進展初期承受的一種產品，由于油式型號 介質 特點油式，介質為菜籽油 電容的進展初期承受的一種產品，由于油式或色拉油 電容在使用過程中受熱膨脹，會使電容的外殼變形，從密封處滲出，對環(huán)境污染較大，嚴峻時造成短路引起其他元件的損毀介質會液化，如有滲漏對環(huán)境有肯定污染經過熱定型成為固態(tài)，電容過熱不會有液態(tài)流出，起到環(huán)保作用。國家定為國際型電容屬通用型電容器市場應用局部廠家修理議使用目前市場應用目前市場應用較多，性價比好，推舉使用價格BZMJ適中BSMJ相對干式，介質為一干式，介質為硅油適中BKMJ稍高b．構造圖10為典型單相電容器的內部構造圖。圖中為形扁元1為出線套管，2為出線連接片，為形扁元件，5678連接夾板，9為緊箍，10為外殼。其中扁形元件放電電阻和熔絲〔如圖11。圖 10 單相電容器11電容器內部電氣連接示意圖是具有優(yōu)良的自愈性能，介質損耗小，溫升低，壽命長，體積小，重量輕。自愈式電容器的特點擊穿部位四周的金屬膜溶化蒸發(fā)，從而恢復絕緣，因此具有較高的運行牢靠性。c．在低壓電容補償柜中的應用單位換算并聯(lián)電容器是低壓電容補償柜中的核心部件，便利電容器的選用，電容器的單位一般為kvar，kvarF樣換算：對于一個BSMJ0.4-30-3的三項補償角接電容器而言，其內部電氣連接圖如以下圖：30kvar，額定電流0.4kV，所以額??線

=??? 3??=√√??

=43.3A，由于是角接，所以相電流為?? =相

?√3=25A??=

????????

=????????=可11相電容容量為得每11相電容容量為得每??=?????2??????=25/400?2???50=1.99×104 F199×3=597F。從以上的計算可以看出，電容器補償容量越大，電容值越大，對于三相共補電容器，角形連接，1kar補償容量對應的三相電容值為19.9F。星接與角接的區(qū)分〔如圖13所示，這兩種接法各有什么優(yōu)缺點呢？12電容器銘牌30kvar器每相電容額定電壓為400V，額定容量為199F；在星形連接的狀況下，??=??=???√

3????

400

=43.3A?? = ? = ? =231??相 √3 √3則每相電容容量C????=?????2????=43.3/231?2???50??=5.97×104 F=597F13電容器的星形接法和角形接法表比。器接2是電容器星形接法和角形接法的參數對假定補償電容器電容器電容器容量 額定電額定電額定容線方(kvar) 流(A) 壓(V) 量(F)式角形30 25 400 199連接星形30 43.3 231 597連接2電容器星形接法和角形接法的參數比照注：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。容量一樣的前提下，額定電壓230V的電容器比額定電壓400V的電容器貴了不少，可能很多人就疑心了，這是為什么呢？1414出，自愈式電容器主要由金屬化層以及中間的薄膜組成，金屬化層作為導體，薄膜作為絕緣C=??????可以看出，電容值〔薄膜厚度〕400V的電容器為例，用厚8μm50MV／m，如用厚7μm57．14MV／m，而230V4～5μm薄膜的價7～8μm230V一般是實行降低工作場強的設計，依據國1-芯軸噴合金層金屬化層薄膜 的通常價格，同容量的230V電容器的價格圖14低壓自愈式電容器構造 400V電容器的2倍以上。短路時，星形〔中性點不接地〕接線的故障電流僅為其額定電流〔相電流〕的3倍，而假設是三星形接線對電容器運行來說比較安全。(3)共補與分補傳統(tǒng)的低壓補償都是承受三相共補的方式，依據掌握器統(tǒng)一取樣，各相投入一樣的補償容量，這種補償方式適用于三相負載根本平衡、各相負載的相近的狀況；三相分(3)共補與分補傳統(tǒng)的低壓補償都是承受三相共補的方式，依據掌握器統(tǒng)一取樣，各相投入一樣的補償容量，這種補償方式適用于三相負載根本平衡、各相負載的相近的狀況；三相分補償容量適用于各相負載差異較大， 也有較大差異的狀況與三相共補的不同特點是：①電容器接法為星接，單臺電容器的額定電壓為230V；②掌握器分相進展工作，互不影響。三相分補的本錢高于三相共補，一般要高20%～30%。方案，即三相共補與三相分補相結合的接線方案。例如某廠家Δ接電容器組的單臺電容器分別為400V，10、15、20、30kvar。Y接電容器組的單臺電容器分別為：230V，3、4、5、6、8、10kvar這種接線方式的補償裝置運行方式機動敏捷，其成套價格低于三相分補的接線方案。也有的廠家對Y接的電容器組仍承受400V的電容器，其單臺銘牌容量 圖15共補與分補 與Δ接電容器組選用一樣的電容器而Y接局部的電容器實際輸出的容量只有銘牌的1／3。這樣做的目的是由于400V的產品比較廉價即使實際容量較名牌值小但由于工作場強低壽命較長且整個裝置只用一個規(guī)格的電容器，互換性強。并聯(lián)電容器的投切開關①溝通接觸器70年月廣泛應用的PGJ補償柜，都是承受溝通接觸器作為并聯(lián)電容器的投切開關，迄今仍有沿用。其優(yōu)點是線路簡潔，本錢較低，但是也有以下缺點：a.投入電處產生火花，燒損觸頭；b.切斷電容時，簡潔粘40A15kvar〔IC＝217Ab.CJ16、CJ19、CJ20C、B25C～B75C、CJ41等系列；c.每臺電容器加裝串聯(lián)小電抗器，用以抑制涌流。在這里說一下電容器投切專用接觸器與一般點〔掌握電容器的電路〕吸合前，首先通過接通容進展小電流充電，大約數毫秒之后主觸頭接通，關心觸頭中永久磁鐵在彈簧反作16CJ19用下釋放，斷開切合電阻，使電容器正常工作。圖16中頂端的觸點即式，起到了電抗的作用，可以進一步降低涌流。下表為國內某主要品牌的接觸器主要參數性能：17CJ19②雙向晶閘管開關電路〔又稱固態(tài)繼電器取代溝通接觸器用于投切電容器的接線如圖16所示。其優(yōu)點是過零觸發(fā)，無拉弧，動作時間短，可大幅度地限制電容器合閘涌流，特別適合于繁投切的場合。但也存在以下缺點：a的補償柜價格要比承受接觸器的補償柜貴70％～80③等電壓投零電流切的無觸點開關電路18。以BZMJ0．4－15－3并聯(lián)電容器為例，其額定電流為21．7A，如晶閘管開關的電壓降為1V時P＝3×1×21．7＝65．1W，如補償柜的無功功率為90kvar，則全部投入時，晶閘管的功率損耗為65．1×6＝390．6W10h量達3．906kW·h。年耗量約為1426kW·h，有功消耗的發(fā)熱量還會增加整個補償裝置的溫升③等電壓投零電流切的無觸點開關電路18示，圖中J為溝通接觸器的觸點。其運行操作挨次容器，微電腦的掌握器緊接著又發(fā)信號給接觸器，使其觸點也閉合，將晶閘管開關電路短路，由于接觸器J閉合后的接觸電阻遠小于開關電路導通時的電阻到達了節(jié)能和延長開關電路使用壽命的目的。當需要切除電容器時控 圖18型開關電路制器先發(fā)信號給接觸器，使接觸器觸點J斷開，此時開關電路處于導通狀態(tài)本方案的優(yōu)點是：運行功耗低、涌流小、諧波影響長。并聯(lián)電容器的掌握器電容補償掌握器的檢測量主要有??????????Q????

????????cosφ為檢測量。檢測量為Q的掌握器，其工作原理是將電壓和電流的信號送入霍爾元件或相敏放大器等具有乘法功能的器件，以測出Q＝UIsinφ，由于檢測量和掌握目標都是同一物理量，技術上是合理的，但檢測難度要大些。檢測量為????u由正到負過零A????max的原理，用相電壓u負過零信號掌握，承受開關和簡潔的保持電路，以完成對????實時檢測。這種方案的優(yōu)點是：檢測方法簡潔，不會發(fā)生震蕩，補償效果與電網電壓的波動無關。變壓器容量為315kVA，補償總容量為100kvar，20kvar5用的JKG率因數，目標功率因數投入門限是滯后0.92，切除門限是滯后0.99，在某時刻覺察系統(tǒng)功率因數為滯后0.6，視在功率為12.5kVA，感性無功功率為10kvar，依據JKG型掌握器掌握原理系統(tǒng)功率因數低于目標功率因數時掌握器必需投入10kvar的容性無功功率，使得補償后的功率因數為超前0.6，所以掌握器又需切除剛投入的電容的投切動作大大縮短了電容器組合溝通接觸器力。電容柜內其他元器件①隔離開關或斷路器：離開關，最好選刀熔開關，這樣比較經濟實惠，有的用戶傾向于選用斷路器，這樣也沒有問題，1.5②熔斷器或微型斷路器熔斷器或微型斷路器串接在單個電容器的規(guī)格的斷路器優(yōu)秀的多，考慮電容器的涌流沖型斷路器的緣由是熔斷器熔絲斷了用戶不知道簡潔覺察，減小修理量，在本錢上，兩種元件相差不大。GB50227-2023規(guī)定，用于單臺電容器保護定1.37～1.50③熱繼電器無作用，熱繼電器的作用是當諧波電流很大時，流，而不是承受熱繼電器這種治標不治本的方法。也就是說，在實際運行過程中，熱繼電器起要加的話，建議依據電容器額定電流的1.25倍來選取熱繼電器。④避雷器端可能消滅過電壓，常用避雷器限制該過電壓。GB50227規(guī)定，避雷器用于限制并聯(lián)電容器裝置FYS-0.22。⑤電抗器電抗率也是不同的。前者電抗率一般為0.1%～1的不同，選擇適宜的電抗率。所謂電抗率K，就是所串聯(lián)電抗器的感抗(ωL)和電容器容抗(1/ωC)的百分比，即K=ω2LC，此處ω=2πf，f50Hz。對某次頻率，如n次，感抗是nωL，或稱n????，容抗是1/nωC或稱????/??。動身，面臨2個并聯(lián)回路，其中一個回路是電網以下圖所示(假設系統(tǒng)基波電抗是????)：19并聯(lián)電容器串聯(lián)電抗器系統(tǒng)諧波電抗為??????，串聯(lián)組諧波電抗是?n諧波電流為=+為流入系統(tǒng)的n流?？煞謩e得出：??????=

(?????1

1??

??????????

(?????=(?????

??)????+???????? ?? 1)?? +?? ??

????????全部流入電容器組，即期望?????1/??=0??=1/??2。對3次諧波，??=11%，對于5次諧波，??=4%，對于7次諧波，??=2%。但假設果真如此，這種容器組，造成電容器大量損壞，因此K應靠近，11%，4%，2%。依據GB50227-2023《并聯(lián)電容器裝置設計規(guī)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%。依據器過熱。依據IEC的規(guī)定，所選電抗率應為K=1.25×1/n2，該式來源于K=1/(0.9n)2，0.9是考慮到不大于10%的調諧偏差率。按這個規(guī)定，對于3次諧波來說，選用14%，對5次諧波來說，選用572.6%。依據英博公司的標準，電抗率有14%、7%和55.5%314%的電抗率。電容器串聯(lián)電抗器治理諧波的效果如何呢？相等，在數值上等于??????與????之比，即1?? =|

(?????

|=|

??2???1 |?? ?? ?? ??

(?????

1)?? +

??2(s+K)?1式中，??????為諧波電流放大率，Ks=????/????=??????/????，????為電容器裝置接入處母線的短路容量，??????為電容器裝置容量。當上式的分母數值等于零時，諧波放大率??????n次諧波量??????為：?? =??(1???)???? ?? ??2??的數值越大，面我們看一個具體的例子：設10kV系統(tǒng)的容量無限大，10/0.4kV配電變壓器容量為1600kVA，其短路電抗為6%，低壓側500kvar，那么，????、????、????、??????、系統(tǒng)的短路容量????為：????

1.6=0.06

=26.7MVA系統(tǒng)的感抗????為：????

0.42=26.7

=0.006Ω????

0.42=0.5

=0.32Ω電抗率電抗率K0.1%1%5.5%7%12%諧5.5%7%14%諧5.5%7%14%3571498-401-9241098-801-1324-771-2670-3193??????為：123456789次次次次次次次次次1.021.081.211.441.933.3429.493.551.531.021.081.231.562.6718.291.250.430.141.021.111.500.670.440.590.650.680.691.021.121.840.290.620.690.730.740.751.021.170.320.750.810.830.840.850.8514%14%1.021.210.610.810.840.860.860.870.87??以躲開諧振容量??????

，從諧波電壓放大率的計算來看，電抗率5.5%比7%的效果好，對5次諧波3次諧波的放大作用1214%與此類同。那么是不是選用電抗率5.5%和12%就肯定比選用電抗率7%、14%更合理呢？答案是否認的，5.5%和12%更接波電流較7%和14較近也會增大發(fā)生串聯(lián)諧振的風險。電容器與串聯(lián)電抗器得到適宜的匹配。當電容裝置接入處的背景諧波為3次，且含量已超過或接近標準時，宜選用12%～14%串聯(lián)電抗器；當電容裝置接入處的背景諧波以35次為主，且兩者含量均較大(其中之一已超過或接近12%～14%與4.5%～7%兩種電抗率混裝方式，以保證抑制3〔據驗算，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)點是比全部串接12%～14%方案可降低無功與有功損耗，缺點是投切挨次是必需先投12%～14%的反。當電容裝置接入處背景諧波以3次為主，次以上諧波含量較小，且閱歷算電容裝置投入后，3次諧波有所放大，但未超標且有裕度，應0.1%～1%的串聯(lián)電抗器；當電容裝置接入處的背景諧波以35次為主，3次諧波含量較小，5次諧波含量已超過或接近標準，應選用4.5%～7%串聯(lián)電抗器，不能0.1%～1%的串聯(lián)電抗器。當電容裝置接入處背景諧波為5次及以上時，且5次諧波含量較大，應選用4.5%～7%串聯(lián)電抗器。當電網中含有多種諧波成分，且都具有較對于在較大含量的各次諧波中的最低次諧波總抗值????為/??2式中??α為1.2～1.5。對于建的變電所，無從得知電網的背景聯(lián)電抗器的額定電流按電容器組的最終容量考慮選擇。諧波的防治應在諧波源就地治理。限制涌流計算分析依據GB50227-2023規(guī)定，電容器組投入電網時的涌流計算公式如下：?????????

= 1√??

1 ?

??0 +1????=1?

1√1+

????????式中，???

??=??′+??0????---涌流峰值的標幺值(以投入的電????容器組額定電流峰值為基準值)；?? 同一母線上裝設的電容器組總容量(Mvar)；??0-----正在投入的電容器組容量(Mvar)；(Mvar)；

??′ 全部正在運行的電容器組容量?? 電源影響系數。容器組接入處的母線短路容量不超過電容器組容量的80倍時，單組電容器的合閘涌流將不超過10倍電容器組額定電流。電容器組追加投入時的涌流倍數較大，而且組數愈多，涌流愈大，幅值涌流對開關觸頭和回路設備的絕緣將會造的限值倍數，由于20倍涌流未見對回路設備造成損壞，所以規(guī)定20倍涌流作為限值。我們可20抗器的電抗率不小于0.3%時，在任意一步電容20電容器的參數選擇在確定了電容器總的補償容量和相應的電抗器的參數主要有額定容量、額定電壓。選擇呢？為了使變壓器在各種負荷狀況下都能〔一般為4～12路，而且受限于電容柜的空間和本錢，也不能布置太多的小容量電容。所以，生產廠家生產的電容柜內的電容組合較為合理，300kvar森電氣(YorksonElectric)40kvar×6+20kvar×3是40kvar×6+30kvar×2小補償步數為20kvar，后一種的最小補償步數為30kvar，前者補償較準確，但后者的本錢較低。平方成正比(即??=??2)，電容器運行在額定假設安全裕度取值過大，則輸出容量的虧損也大，所以應盡量使其接近額定電壓。反之，如選分解，介質分解產生的臭氧和氮的氧化物等氣過載而引發(fā)事故的例子，各地都消滅過。