並聯電容器

並聯電容器，shunt capacitor，原稱移相電容器。主要用於補償電力系統感性負荷的無功功率，以提高功率因數，改善電壓質量，降低線路損耗。單相併聯電容器主要由心子、外殼和出線結構等幾部分組成。用金屬箔（作為極板）與絕緣紙或塑膠薄膜疊起來一起卷繞，由若干元件、絕緣件和緊固件經過壓裝而構成電容心子，並浸漬絕緣油。電容極板的引線經串、並聯後引至出線瓷套管下端的出線連線片。電容器的金屬外殼內充以絕緣介質油。

基本介紹

• 中文名：並聯電容器
• 外文名：shunt capacitor
• 原名：移相電容器
• 用途：補償電力系統感性負荷的無功功率
• 領域：電力
• 類別：單台鐵殼式、箱式等

預防措施

變電站裝設並聯電容器是改善電壓質量和降低電能損耗的有效措施。電網中的電力負荷如電動機、變壓器等，大部分屬於感性負荷，在運行過程中需向這些設備提供相應的無功功率。在電網中安裝並聯電容器等無功補償設備以後，可以提供感性負載所消耗的無功功率，減少了電網電源向感性負荷提供、由線路輸送的無功功率，由於減少了無功功率在電網中的流動，因此可以降低線路和變壓器因輸送無功功率造成的電能損耗。

背景

電網負荷時刻發生變化,並聯電容器需頻繁投入和切除,斷路器開斷並聯電容器的過程中,不可避免發生操作過電壓,可能會損壞並聯電容器,影響電網的正常運行。

套用

並聯電容器會對諧波放大,放大的諧波可能對電氣設備造成損害。

1 諧振

當諧波與並聯電容器在低壓電網中並存時，最怕的就是引發串聯諧振與並聯諧振。

1.1 串聯諧振

若諧波來自電源系統，則變壓器的電抗和低壓並聯電容器的電容在一定的參數下配合，就能引發串聯諧振，文獻[1]有數字實例，一台Uk為6%的1000kVA變壓器，在低壓母線上接有160kVar的並聯電容器，結果引發了11次諧波的諧振，使電容器中的11次諧波電流達175A，電容器中的基波電流只有233A，總有效電流Iceff為313A，過載1.35倍，已超過允許值1.30倍。負載母線上11次諧波電壓畸變係數達6.9%，也已超過允許值，而低壓電源(含變壓器阻抗ZT在內)母線上的畸變率只有1.5%。

1.2 並聯諧振

若諧波源來自低壓側的非線性負荷，例如變頻器，則變壓器的電抗(加上電源系統的少量電抗)和低壓側的電容可構成並聯諧振，文獻[1]也有數字實例，低壓側接有300kvA的驅動裝置，其它如變壓器和電容器參數同，1.1節串聯諧振中的實例，結果引發11次諧波的並聯諧振，使電容器中11次諧波電流達到212A，已大於電容器中基波的90%，總有效電流達334A，過載1.45倍，也超過允許值1.30倍，其實負載的11次諧波電流才39A，又11次諧波電壓的畸變率已達8.3%，大大超過允許值。

2 避免諧振的措施

措施之一為改變網路元件的電抗電容量值，然而，它的可能性不大，特別當電容器組是自動控制的場合，將有許多諧振條件都要考慮。同時要注意，即使系統參數只是接近諧振頻率也能使電容器組過電流和電壓畸變率超過標準。

最常用的方法是與電容器串聯一個電抗器，調諧的諧振頻率低於網路中產生的最低次諧波的頻率，這樣，無論是串聯諧振還是並聯諧振就不會發生。

現代的工業和建築物電網中完全沒有諧波電壓和電流是不可能的，那么是否凡並聯電容器都要串電抗器呢？那也不一定，如果需要串，電抗值取多少呢？下面著重討論1000V以下低壓電網情況。

2.1 並聯電容器組(不串電抗器)

當不存在諧振條件即電網的電抗值和並聯電容器的電容值所構成的諧振頻率比較高而負載產生的諧波電流和母線的諧波電壓又很低時，此時，不需要考慮降低諧波值，但是IEC標準[1]並未給出劃分界線的具體數據。筆者認為，諧波次數≥17就可以不考慮，即諧振頻率≥17次諧波。

15次諧波是3的整數倍，一般只存在於單相220V的設備中，這樣只考慮到了13次就可以了。什麼場合一定要串聯電抗，GB[3]對此問題沒有提及，廠家[4]在樣本中規定的條件為GN/SN<15%，GN為產生諧波設備的現在功率。SN為變壓器視在功率。筆者認為產生諧波的設備類型有幾種，發射諧波電流的大小也不同，還與一些外部條件的變動有關。因此，規定 GN/SN<15%似乎並不明確說明什麼問題，還不如IEC標準[1]的條件，至少概念上是明確的。

2.2 失諧濾波器(detuned filter)

失諧濾波器是一種濾波器，它的調諧頻率比有相當大(considerable)，電壓(電流)副值的最低次諧波頻率還要小過10%多。

種類

常用的並聯電容器按其結構不同，可分為單台鐵殼式、箱式、集合式、半封閉式、乾式和充氣式等多類品種。

單台鐵殼式並聯電容器

這類電容器量大面廣，單台容量一般是50、100、200、334kvar等多種，現在還有更大容量（例如500kvar及以上容量）的產品問世，一般100kvar以上容量的產品帶有內熔絲。這種產品一旦損壞，用戶可以很快用備品自行更換，及時讓裝置恢復運行，因此採用此類產品時投運率高。加之可以配置外熔斷器，保護相對比較完善。目前220kV、特別是330kV及以上電壓等級變電站大多採用單台鐵殼式並聯電容器。也有越來越多的人為了提高電容器的防鏽防腐能力，要求用不鏽鋼板代替普通鋼板生產電容器。即使如此，也有的還要在其表面噴塗防紫外線漆；這樣的防護層即可防鏽防腐蝕，又可大大減少紫外線輻射對電容器溫升的負面效應，從而延長電容器的使用壽命。

這種款式的電容器中，我國二三十年間一直以內熔絲電容器為主，即電容器內部每個元件上都配裝一根小熔絲。近幾年來出現了無熔絲電容器，是一種既無內熔絲、也無外熔絲的電容器。20世紀70年代以前，國內生產的全紙電容器與早期的紙膜複合電容器，白於當時內熔絲還處在研究階段，不可能採用到產品中去，保護電容器的專用外熔斷器也是從1980年起才開始研製。電容器出現內部元件擊穿後，全依靠電磁式繼電器來保護，所以當時的電容器都是完全的無熔絲電容器。隨後內外熔絲的相繼套用，使我國的無熔絲電容器消失了約30年。此間雖然也一直存在無內熔絲電容器，但要配置外熔絲後才允許使用。

無熔絲全膜電容器有與前不同的新含義，越過了電晶體繼電器、積體電路繼電器階段，直接進入了微機保護時代。我國無熔絲電容器內部元件的連線方式，有以下三種：

(1)傳統的占主導地位的元件先並聯後串聯的方式。內部並聯元件數量比較少，不宜配置內熔絲的小容量電容器（例如lO0kvar以下），一直沿用這種接線方式。

(2)內部元件先串聯後並聯的方式，即最近又被重新倡導的一種接線方式。

(3)內部元件既有串聯成分，也有並聯成分，但與上述兩種接線方式不同，串中有並，並中有串，屬於混合連線方式。這樣的接法沒有統一的格式，需要根據設計時對單台容量大小與保護上的要求而定。

這類電容器不宜用於lOkV級電容器成套裝置。先串後並的元件接線方式雖然在三者中相對來說好一些，其單台容量也不宜做得大於lOOkvar。無熔絲電容器的優點是結構簡單，損耗與製造成本較低。

箱式並聯電容器

該電容器外形和中小型變壓器相似，內部為去掉鐵殼的單台電容器芯子，按設計要求若干個串並聯、預留散熱油道、抽空脫氣後注滿合格的油而成。這種產品單台容量較大(500kvar及以上)，內部出現損壞元件後，一旦炭黑析出並擴散，則基本無法修理了。

集合式並聯電容器

這款電容器按其結構分，有半密封和全密封兩大類。儲油櫃加乾燥過濾器的，入口處無論有無油封，屬於前者；無儲油櫃而在箱體內部用其他方式來補償油位冷熱變化的，屬於後者。目前研發的一種電動調容產品，運行實踐表明不太可靠，它的活動觸點在油裡面，久而久之很容易出現接觸不良，可能產生局部過熱，加上在兩個端子間轉接瞬間會產生相位問題，可能引發麻煩，因此可採用斷電後用開關手動調容的方法。

該電容優點突出，缺點也突出。其主要優點是安裝方便、維護工作量小、節省占她面積。而其缺點主要是給用戶帶來不便，它的維護工作量雖小，但對它的觀察很不直觀，不能放鬆對其容量變化的關注；特別是在有諧波的場所，對其容量的變化必須時刻注意。隨著運行時間的推移，內熔絲可能會逐步動作，從而引發三相電容量失衡，這一故障很難在現場修復，返廠修理又費時間，影響電容器的投運率。再者因此引起的並補裝置串聯電抗百分率的變化，大到一定程度時會遠離預定目標，甚至帶來麻煩。特別是選取4. 5%電抗百分率的並聯補償裝置，應事先做好預案，一旦這個百分率出現下滑向4%靠近時，要有可靠的應對措施。更值得注意的是，電容器高壓出線套管下端（在油中）對地閃絡或擊穿時，對地保護有“死區”。《並聯電容器裝置設計規範》(GB 50227 --1995)及相關國家行業標準均對此沒有針對性措施；一旦發生這類事故，只能待其發展到元件損壞而出現不平衡電壓或電流後，才能迫使後備繼電保護動作。運行實踐表明已有這類事故發生，而且都是惡性事故。因此在投運該類產品時，應考慮對此問題加以防範。其實這類事故的起因是對地絕緣失效，在保護上存在盲區造成的。後備保護動作是事故已經擴大，導致集合式電容器嚴重損壞，產生了不平衡電壓或電流後的補救揩施，現有保護不能對這類惡性事故起到預防作用。

近年來並聯補償裝置實際運行的統計數據表明，集合式電容器的年損壞率大約是單台鐵殼式電容器的4倍，有些地區還要高一些；加上現場無法維修等因素，近年來這類產品的市場份額呈現出明顯的下降趨勢。

半封閉式並聯電容器

半封閉式並聯電容器是將單台電容器套管對套管臥放在特製的鋼架上，然後封閉其導電部分（地電位部分不封閉）而成的組裝體。可多層布放、向高空發展以節省占地面積。這種產品對電容器單元的浸漬工藝要求較高，最好要裝外熔絲，否則難以保證運行安全。該類產品由ABB公司生產，國內亞熱帶地區有他們的產品，已安全運行10多年。國產的早期出過一些問題，也有人主張禁止使用，但改進後的產品已有10年以上安全運行記錄。

乾式並聯電容器

該電容器是將低壓金屬化膜技術移植過來，若干個元件串、並聯後製成高壓電容器，因而仍具有自愈特性，而且符合產品無油化的發展方向。無油電容器不會像人們期待的那樣不燃燒，電容器內部的聚丙烯基膜在條件具備時仍會著火。另外，自愈式電容器也不能萬無一失，每次局部擊穿後都能可靠自愈。實踐證明不“自愈”（即自愈失效）的機率是存在的，因此這種產品設計時必須要有切實的防火措施和特殊的保護措施，方能確保全全運行。

充氣式並聯電容器

這款電容器目前實際上是油氣並存，即將集合式產品箱體內的油換成氣體，內部的單台鐵殼產品仍然是油浸的。由於氣體導熱性能不及液體，所以這類產品在這一方面要有特別措施，以便散熱可靠。熱管技術是其中常用的一種。但是，這類產品的實際表現不盡如人意；其原因之一是氣體的泄漏無法及時自動報警，同時還要給斷路器發出跳閘信號，以便適時切除電容器，防止氣體泄漏導致絕緣水平下降引起惡性事故。