1.電力電容器及其主要特性參數(shù)
電力電容器是無(wú)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(wú)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(wú)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(duì)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(wú)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?gòu)亩鴷?huì)影響到電容C數(shù)值降低，因此運(yùn)行過(guò)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(guò)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?xún)?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(wú)功功率
在交流電路中，無(wú)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(wú)功功率QC=UI=ωCU2×10-3=2πfCU2×10-3(μF)，從該式可見(jiàn)，電容器無(wú)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(wú)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(duì)應(yīng)的無(wú)功率。接網(wǎng)投運(yùn)后電容器所輸出實(shí)際無(wú)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(wú)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(zhǎng)期低于額定值，很可能因電容器無(wú)功出力低于設(shè)計(jì)值造成電網(wǎng)無(wú)功短缺。
2.無(wú)功補(bǔ)償電容裝置參數(shù)的選取誤區(qū)
無(wú)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(wú)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(duì)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)推薦值，這樣做對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的。無(wú)功補(bǔ)償效果會(huì)造成什么影響對(duì)電網(wǎng)建設(shè)投資又會(huì)引起什么變化呢可通過(guò)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(wú)功補(bǔ)償，經(jīng)計(jì)算需補(bǔ)償無(wú)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(wú)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(wú)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(wàn)kvar，按30%補(bǔ)償率計(jì)需補(bǔ)償無(wú)功功率近18萬(wàn)kvar。按上述分析，如選取額定電壓為450V，則無(wú)功補(bǔ)償量需在原有數(shù)字上增加4.86萬(wàn)kvar，既便采取交流接觸器投切靜態(tài)補(bǔ)償方式，設(shè)備購(gòu)置投資亦需增加1080萬(wàn)元年。如采取晶閘管投切動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方式，則設(shè)備購(gòu)置投資增加額則達(dá)到1980萬(wàn)元年。因此，為保證實(shí)際補(bǔ)償效果與設(shè)計(jì)一致，無(wú)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(wú)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(wú)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(guò)電壓范圍的選取
從以上分析可見(jiàn)，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(guò)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(shuō)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(guò)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(duì)電容器穩(wěn)態(tài)過(guò)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(zhǎng)期運(yùn)行，并且在整個(gè)使用壽命期內(nèi)可承受200次以?xún)?nèi)的1.15倍額定電壓值的電壓沖擊。”中山市1998年以來(lái)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?xún)?nèi)，農(nóng)村為500m以?xún)?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(guó)家《供電營(yíng)業(yè)規(guī)則》規(guī)定10kV及以下三相供電用戶(hù)受電端電壓偏差為±7%，220V單相供電用戶(hù)受電端電壓偏差為+7%～-10%。本著兼顧變壓器近端用戶(hù)最高受電端電壓和遠(yuǎn)端用戶(hù)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(duì)550臺(tái)公用配電變壓器的抽樣檢測(cè)數(shù)據(jù)1300萬(wàn)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(wàn)組，約占90.85%;電壓為440～460V的108.4萬(wàn)組，約占8.34%;電壓≥460V的10.6萬(wàn)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(jiàn)，對(duì)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(duì)此，采取的做法是按國(guó)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(lái)進(jìn)行綜合控制，可確保無(wú)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(guò)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(duì)所在地區(qū)2002年安裝的320套公用變壓器低壓側(cè)無(wú)功補(bǔ)償電容器進(jìn)行抽檢測(cè)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(wú)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。