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电力电容器的工作原理及应用

电气技术 小编 294次浏览 0个评论 扫描二维码
电力电容器,用于电力系统和电工设备的电容器。任意两块金属导体,中间用绝缘介质隔开,即构成一个电容器电容器电容的大小,由其几何尺寸和两极板间绝缘介质的特性来决定。当电容器在交流电压下使用时,常以其无功功率表示电容器的容量,单位为乏或千乏。本期专题将详细介绍电力电容器的分类、原理、安装及运行维护等问题。

并联电容器是一种无功补偿设备,并联在线路上,其主要作用是补偿系统的无功功率,提高功率因数,从而降低电能损耗、提高电压质量和设备利用率。

电力电容器的工作原理及应用

串联电容器主要用于补偿电力系统的电抗,常用于高压系统。

01

电力电容器的分类

电力电容器按安装方式可分为户内式和户外式两种;按其运行的额定电压可分为低压和高压两类;按其相数可分为单相和三相两种,除低压并联电容器外,其余均为单相;按外壳材料可分为金属外壳、瓷绝缘外壳、胶木筒外壳等。

按用途又可分为以下8种:

1)并联电容器。原称移相电容器。主要用于补偿电力系统感性负荷的无功功率,以提高功率因数,改善电压质量,降低线路损耗。

2)串联电容器。串联于工频高压输、配电线路中,用以补偿线路的分布感抗,提高系统的静、动态稳定性,改善线路的电压质量,加长送电距离和增大输送能力。

3)耦合电容器。主要用于高压电力线路的高频通信、测量、控制、保护以及在抽取电能的装置中作部件用。

4)断路器电容器。原称均压电容器。并联在超高压断路器断口上起均压作用,使各断口间的电压在分断过程中和断开时均匀,并可改善断路器的灭弧特性,提高分断能力。

5)电热电容器。用于频率为40~24000赫的电热设备系统中,以提高功率因数,改善回路的电压或频率等特性。

6)脉冲电容器。主要起贮能作用,用作冲击电压发生器、冲击电流发生器、断路器试验用振荡回路等基本贮能元件。

7)直流和滤波电容器。用于高压直流装置和高压整流滤波装置中。

8)标准电容器。用于工频高压测量介质损耗回路中,作为标准电容或用作测量高压的电容分压装置。

02

电力电容器的结构

电力电容器的基本结构包括:电容元件、浸渍剂、紧固件、引线、外壳和套管。结构图如图1所示。

电力电容器的工作原理及应用

图1 补偿电容器结构图

额定电压在1kV以下的称为低压电容器,1kV以上的称为高压电容器,都做成三相、三角形连接线,内部元件并联,每个并联元件都有单独的熔丝;高压电容器一般都做成单相,内部元件并联。外壳用密封钢板焊接而成,芯子由电容元件串并联组成,电容元件用铝箔作电极,用复合薄膜绝缘。电容器内衣绝缘油(矿物油或十二烷基苯等)作浸渍介质。

(1)电容元件

用一定厚度和层数的固体介质与铝箔电极卷制而成。若干个电容元件并联和串联起来,组成电容器芯子。在电压为10kV及以下的高压电容器内,每个电容元件上都串有一熔丝,作为电容器的内部短路保护。当某个元件击穿时,其他完好元件即对其放电,使熔丝在毫秒级的时间内迅速熔断,切除故障元件,从而使电容器能继续正常工作。电容元件的结构如图2所示。

电力电容器的工作原理及应用

图2 电容元件结构

(2)浸渍剂

电容器芯子一般放于浸渍剂中,以提高电容元件的介质耐压强度,改善局部放电特性和散热条件。浸渍剂一般有矿物油、氯化联苯、SF6气体等。

(3)外壳和套管

外壳一般采用薄钢板焊接而成,表面涂阻燃漆,壳盖上焊有出线套管,箱壁侧面焊有吊攀、接地螺栓等。大容量集合式电容器的箱盖上还装有油枕或金属膨胀器及压力释放阀,箱壁侧面装有片状散热器、压力式温控装置等。接线端子从出线瓷套管中引出。

电容器的型号含义如下图所示。

电力电容器的工作原理及应用

03

电力电容器的作用

(1)串联电容器的作用 

1) 提高线路末端电压。串接在线路中的电容器,利用其容抗xc补偿线路的感抗xl,使线路的电压降落减少,从而提高线路末端(受电端)的电压,一般可将线路末端电压最大可提高10%~20%。

2) 降低受电端电压波动。当线路受电端接有变化很大的冲击负荷(如电弧炉、电焊机、电气轨道等)时,串联电容器能消除电压的剧烈波动。这是因为串联电容器在线路中对电压降落的补偿作用是随通过电容器的负荷而变化的,具有随负荷的变化而瞬时调节的性能,能自动维持负荷端(受电端)的电压值。

3) 提高线路输电能力。由于线路串入了电容器的补偿电抗xc,线路的电压降落和功率损耗减少,相应地提高了线路的输送容量。

4) 改善了系统潮流分布。在闭合网络中的某些线路上串接一些电容器,部分地改变了线路电抗,使电流按指定的线路流动,以达到功率经济分布的目的。

5) 提高系统的稳定性。线路串入电容器后,提高了线路的输电能力,这本身就提高了系统的静稳定。当线路故障被部分切除时(如双回路被切除一回、但回路单相接地切除一相),系统等效电抗急剧增加,此时,将串联电容器进行强行补偿,即短时强行改变电容器串、并联数量,临时增加容抗xc,使系统总的等效电抗减少,提高了输送的极限功率(Pmax=U1U2/xl-xc),从而提高系统的动稳定。

(2)并联电容器的作用

并联电容器并联在系统的母线上,类似于系统母线上的一个容性负荷,它吸收系统的容性无功功率,这就相当于并联电容器向系统发出感性无功。因此,并联电容器能向系统提供感性无功功率,系统运行的功率因数,提高受电端母线的电压水平,同时,它减少了线路上感性无功的输送,减少了电压和功率损耗,因而提高了线路的输电能力。

04

电力电容器的安装

安装补偿电容器的环境要求如下:

1)电容器应安装在无腐蚀性气体、无蒸汽,没有剧烈震动、冲击、爆炸、易燃等危险的场所。电容器的防火等级不低于二级。

2)装于户外的电容器应防止日光直接照射。

3)电容器室的环境温度应满足制造厂家规定的要求,一般规定为40℃。

4)电容器室装设通风机时,出风口应安装在电容器组的上端。进、排风机宜在对角线位置安装。

5)电容器室可采用天然采光,也可用人工照明,不需要装设采暖装置。

6)高压电容器室的门应向外开。

安装电容器的技术要求如下:

1)为了节省安装面积,高压电容器可以分层安装于铁架上,但垂直放置层数应不多于三层,层与层之间不得装设水平层间隔板,以保证散热良好。上、中、下三层电容器的安装位置要一致,名牌向外。

2)安装高压电容器的铁架成一排或两排布置,排与排之间应留有巡视检查的走道,走道宽度应不小于1.5m.

3)高压电容器组的铁架必须设置铁丝网遮拦,遮拦的网孔3~4cm2为宜。

4)高压电容器外壳之间的距离,一般不应小于10cm;低压电容器外壳之间的距离应不小于50mm。

5)高压电容器室内,上下层之间的净距不应小于0.2m;下层电容器底部与地面的距离应不小于0.3m。

6)每台电容器与母线相连的接线应采用单独的软线,不要采用硬母线连接的方式,以免安装或运行过程中对瓷套管产生应力造成漏油或损坏。

7)安装时,电气回路和接地部分的接触面要良好。因为电容器回路中的任何不良接触,均可能产生高频振荡电弧,造成电容器的工作电场强度增高和发热损坏。

8)较低电压等级的电容器经串联后运行于较高电压等级网络中时,其各台的外壳对地之间,应通过加装相当于运行电压等级的绝缘子等措施,使之可靠绝缘。

9)电容器经星形连接后,用于高一级额定电压,且系中性点不接地时,电容器的外壳应对地绝缘。

10)电容器安装之前,要分配一次电容量,使其相间平衡,偏差不超过总容量的5%。当装有继电保护装置时还应满足运行时平衡电流误差不超过继电保护动作电流的要求。

11)对个别补偿电容器的接线应做到:对直接启动或经变阻器启动的感应电动机,其提高功率因数的电容可以直接与电动机的出线端子相连接,两者之间不要装设开关设备或熔断器;对采用星—三角启动器启动的感应式电动机,最好采用三台单相电容器,每台电容器直接并联在每相绕组的两个端子上,使电容器的接线总是和绕组的接法相一致。

12)对分组补偿低压电容器,应该连接在低压分组母线电源开关的外侧,以防止分组母线开关断开时产生的自激磁现象。

13)集中补偿的低压电容器组,应专设开关并装在线路总开关的外侧,而不要装在低压母线上。

05

电力电容器的运行

(1)电容器的安全运行

电容器应在额定电压下运行。如暂时不可能,可允许在超过额定电压5%的范围内运行;当超过额定电压1.1倍时,只允许短期运行。但长时间出线过电压情况时,应设法消除。

电容器应维持在三相平衡的额定电流下进行工作。如暂时不可能,不允许在超过1.3倍额定电流下长期工作,以确保电容器的使用寿命。

装置电容器组地点的环境温度不得超过40℃,24h内平均温度不得超过30℃,一年内平均温度不得超过20℃。电容器外壳温度不宜超过60℃。如发现存在上述现象时,应采用人工冷却,必要时将电容器组与网路断开。

(2)电容器相关参数的监控

1)温度的监视。无厂家规定时,电容器的温度一般应为-40℃~40℃,在电容器外壳粘贴示温蜡片。运行中电容器温度异常升高的原因包括:运行电压过高(介损大);谐波的影响(容抗小电流大);合闸涌流(频繁投切);散热条件恶化。

2)电压的监视。应在额定电压下运行,亦允许在1.05倍额定电压运行,在1.1倍额定电压运行不超过4小时。

3)电流的监视。应在额定电流下运行,亦允许在1.3倍额定电流下运行,电容器组三相电流的差别不应超过±5%。

(3)电容器的投入退出

当功率因数低于0.85,电压偏低时应投入;当功率因数趋近于1且有超前趋势,电压偏高时应退出。

发生下列故障之一时,应紧急退出:①连接点严重过热甚至熔化;②瓷套管闪络放电;③外壳膨胀变形;④电容器组或放电装置声音异常;⑤电容器冒烟、起火或爆炸。

电力电容器组在接通前应用兆欧表检查放电网络。接通和断开电容器组时,必须考虑以下几点:

1)当汇流排(母线)上的电压超过1.1倍额定电压最大允许值时,禁止将电容器组接入电网。

2)在电容器组自电网断开后1分钟内不得重新接入,但自动重复接入情况除外。

3)在接通和断开电容器组时,要选用不能产生危险过电压的断路器,并且断路器的额定电流不应低于1.3倍电容器组的额定电流。

06

电力电容器的维护

(1)操作电容器时的注意事项

1)正常情况下,全站停电操作,应先拉开电容器断路器,后拉开各出线断路器;恢复送电时,顺序相反。

2)事故情况下,全站停电后,必须将电容器的断路器拉开。

3)并联电容器组断路器跳闸后,不准强送电;熔丝熔断后,未查明原因前,不准更换熔丝送电。

4)并联电容器组,禁止带电荷合闸;再次合闸时,必须在分闸3分钟后进行。

5)装有并联电阻的断路器不准使用手动操作机构进行合闸。

6)高压电容器组外露的导电部分,应有网状遮拦,进行外部巡视时,禁止将运行中电容器组的遮拦打开。

7)任何额定电压的电容器组,禁止带电荷合闸,每次断开后重新合闸,须在短路三分钟后(即经过放电后少许时间)方可进行。

8)更换电容器的保险丝,应在电容器没有电压时进行。故进行前,应对电容器放电。

(2)故障处理

1)当电容器喷油、爆炸着火时,应立即断开电源,并用砂子或干式灭火器灭火。

2)电容器的断路器跳闸,而熔丝未熔断。应对电容器放电3分钟后,再检查断路器、电流互感器、电力电缆及电容器外部情况。若未发现异常,则可能是由于外部故障或电压波动所致,可以试投,否则应进一步对保护做全面的通电试验。

3)当电容器的熔丝熔断后,应向值班调度员汇报,取得同意后,再切断电源并对电容器放电后,先进行外部检查,如套管的外部有无闪络痕迹、外壳是否变形、漏油及接地装置有无短路等,然后用摇表摇测极间及极对地的绝缘电阻值。如未发现故障迹象,可换熔丝继续投入运行。如经送电后熔丝扔熔断,则应退出故障电容器。

4)处理故障电容器应先断开电容器的断路器,拉开断路器两侧的隔离开关。由于电容器组经放电电阻放电后,可能部分残存电荷一时放不完,仍应进行一次人工放电。放电时先将接地线接地端接好,再用接地棒多次对电容器放电,直至无放电火花及放电声为止。尽管如此,在接触故障电容器前,还应戴上绝缘手套,先用短路线将故障电容器两极短接,然后手动拆卸和更换。

(3)电容器日常巡视的主要项目

1)监视运行电压、电流、温度、

2)外壳有无膨胀、渗漏油,附属设备是否完后。

3)内部有无异音。

4)熔丝是否熔断,放电装置是否良好。

5)各处接点有无发热及小火花放电。

6)套管是否清洁完整,有无裂纹、闪络现象。

7)引线连接处有无松动、脱落或断线,母线各处有无烧伤、过热现象。

8)室内通风、外壳接地线是否良好。

9)电容器组继电保护运行情况。

来源/网络


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