无功功率的概念

先来理解无功功率的概念：

无功功率：就是电路中感性元件（或容性元件）中的磁场能（或电场能）与电路中的电能相互转化所需的功率，单位为乏(var)。

许多用电设备均是根据电磁感应原理工作的，如变压器、电动机等，它们都是依靠建立交变磁场才能进行能量的转换和传递。为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率称为无功功率。因此，所谓的"无功"并不是"无用"的电功率，只不过它的功率并不转化为机械能、热能而已；在供用电系统中除了需要有功电源外，还需要无功电源，两者缺一不可。

系统多为电机设备，所以呈现感性负载。在这些电气设备中除有有功电流外，还有无功电流（即电感电流），而电容电流在相位上和电感电流相差180°，感性电气设备的无功由电容来补偿，互相抵消。从而减少线路能量损耗，改善电压质量，提高系统供电能力。

电容器组投入运行吸收系统的感性无功功率，这就相当于电容器组向系统发出容性无功。因此，电容器组的作用有：

1）向电网系统提供容性无功功率，提高系统运行的功率因数，提高受电端母线的电压水平；

2）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。

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接下来介绍电容器组的结构：

电力系统中的电容器组有串联和并联两种无功补偿方式。变电站普遍采用并联电容器组的无功补偿方式。

并联电容器组的接线方式一般有单星形接线、双星形接线、三角形接线方式，其接线如图4所示。

补充说明：

国内运行的电容器组有两类接线:三角形；星形类(单星形、双星形)。20世纪八十年代在电业部门以星形接线最多，少部分采用三角形接线；在工矿企业却大量存在三角形接线电容器组。当三角形接线电容器组发生电容器全击穿短路时，即相当于相间短路，注入故障点的能量不仅有故障相健全电容器的涌放电流，还有其他两相电容器的涌放电流和系统的短路电流。这些电流的能量远远超过电容器油箱的耐爆能量，因而油箱爆炸事故较多。全国各地发生了不少三角形接线电容器组的爆炸起火事故，损失严重。而星形接线电容器组发生电容器全击穿短路时，故障电流受到健全相容抗的限制，来自系统的工频电流将大大降低，最大不超过电容器组额定电流的三倍，并且没有其他两相电容器的涌放电流，只有来自同相的健全电容器的涌放电流，这是星形接线电容器组油箱爆炸事故较低的重要原因之一。在操作过电压保护方面，三角形接线电容器组的避雷器的运行条件和保护效果，均不如星形接线电容器组好。因此，国内比较一致的意见是舍弃三角形接线，采用单星形或双星形接线。1985年以后，电业部门执行统一的部颁设计标准，新(扩)建电容器组均未采用三角形接线。

因此，本次培训主要讲解并联电容器组的投退注意事项。

变电站要配置足够、合理的无功补偿设备，

各电压等级变电站无功补偿容量要求如下：

1）500kV变电站无功补偿容量按主变压器容量的10 ～20％配置；

2）220kV变电站容性无功补偿容量按照主变压器容量的15 ～30 %配置；

3） 110kV变电站容性无功补偿容量按照主变压器容量的10 ～30 %配置。

配置合理的无功补偿设备，目的是对主变压器及低压母线的负荷线路进行就地补偿，尽量不向高压侧倒送无功。向高压侧倒送无功会降低有功功率的传输容量。当无功补偿装置电容配置不合理情况下，极易造成无功过补偿。

此外，现场实际的配置也应满足要求。但早期的部分变电站在主变压器低压侧只装设一组电容器，这就造成在实际运行中高峰负荷时电容器容量略显不足而在负荷低谷时电容器容量又偏大，特别是该电容器组故障而退出运行时，更无法满足补偿要求。最佳配置要求配置2组。

500kV变电站、220kV变电站实际配置都能满足要求。每段低压（35kV或10kV）母线都配有2～4组相同容量的电容器组。

大部分110kV变电站及35kV变电站实际配置能满足每段10kV母线配有2组相同容量的电容器组；只有少部分变电站每段10kV母线只配置1组电容器组，当故障退出运行时，将无法满足补偿要求，需要改进。

第一，电容器组一般设有以下保护方可投入运行：

1）单台电容器故障有熔丝作保护。当单台熔丝熔断时，不致影响其它电容器，熔丝可按1.375In～1.5In选择 ，一般选择1.43In；达到1.5In时，动作时间不大于75秒；通过2In时，动作时间不大于7.5秒；允许通过100In以下的涌流。

2）为防止单台电容器故障后造成局部电容器过电压，电容器组设有中性点不平衡电流保护，动作后跳断路器。

3）相间短路故障主要保护有电流速断和定时过流，保护动作后跳断路器。

4）当电容器组连接的母线失压时，由失压保护动作跳断路器。失压保护即低压保护，思考：正常运行时造成母线失压有哪几种？

5）电容器组还设有过电压保护，动作后跳断路器。过电压保护将电容器组运行电压限制在额定电压1.1倍以下。

第二，投退电容器组应遵循如下规定：

1）电力电容器允许在额定电压1.1倍波动范围内长期运行。表中显示了不同过电压倍数下可以持续的时间。

补充说明：运行中电容器内部的有功功率损耗由其介质损耗和导体电阻损耗组成，而介质损耗占电容器总有功功率损耗的98%以上，其大小与电容器的温升有关系，可用以下公式表示：P=WCU²tanS，Q=WCU²。因此，当运行电压超过额定值将使电容器过负荷，二电容器运行电压比额定值低，则降低了无功出力，如运行电压为额定电压的90%时，无功功率降低19%，使容量没有充分利用，也是不经济的。同时运行电压升高，使电容器发热而且温升也增加，由于电容器中介质损失引起的有功功率损耗也随着电压值的平方变化，损耗经转换为热能而被消耗，运行电压升高，发热量也随着增加。另一方面，电容器的寿命随电压的升高而缩短，在高场强下，绝缘介质老化加速，寿命缩短。因此，电容器运行电压原则上等于额定电压，并严格控制在一定的范围以内，以保证电容器的安全运行。所以规定：电力电容器允许在额定电压1.1倍范围内长期运行，降低电容器的制造成本和充分发挥电容器的运行容量。

2）电力电容器允许在不超过额定电流的30%运况下长期运行；同时，为了让电容器组三相间容量的平衡，补偿时才能保证三相的电压保持平衡，因此运行规定：三相不平衡电流不应超过±5%，超过时应查明原因，一般有电容器异常情况出现。

那么电容器能承受多大的涌流冲击呢？

国家标准规定：电容器能承受100倍额定电流的涌流冲击，但每年这样的涌流冲击不应超过1000次 。

补充说明：近年来，随着大型电弧炉、整流设备、家用电器等非线性用电设备的广泛应用，各种谐波源产生的高次谐波电流注入电网，从而引起电力系统的电压和电流波形的严重畸变。电容器对高次谐波最敏感，因为高次谐波电压叠加在基波电压上不仅使电容器的运行电压有效值增大而且使其峰值电压增加更多，致使电容器因过负荷而发热，并可能发生局部放电损坏，高次谐波电流叠加在电容器基波电流上使电容器电流增大，增加了电容器的温升，导致电容器过热损坏。

为了让电容器组三相间容量的平衡，补偿时才能保证三相的电压保持平衡，因此运行规定：三相不平衡电流不应超过5%，超过时应查明原因，一般有电容器异常情况出现。

3）电力电容器运行室温不超过40℃或低于-25℃，外壳温度不允许超过55℃。

补充说明：电容器和其它大部分电气设备(变压器、发电机)不同，它通常都是在满负荷下较长时间运行的，而其它电气设备则负荷随时变化。因此，环境温度对电容器的运行温度影响很大。有试验表明，当温度升高1O℃，电容器的电容量下降速度将加快一倍，电容器长期处于高场强和高温下运行将引起绝缘介质老化和介质损耗角∝的增大，使电容器内部温升超过允许值而发热，缩短电容器的使用寿命，严重时在高电场强度作用下导致电容器热击穿而损坏。按照电容器的有关技术条件规定，电容器的工作环境温度一般以40℃为上限，反之，若温度过低时，因浸渍剂粘度增加，流动性、吸气性变差，外壳内部压力下降，局部放电电压降低，结果也会引起电介质老化和击穿，降低电容器的使用寿命。因此，一方面要选用其温度类别与实际的运行环境温度相适应的电容器，另一方面在电容器的安装使用中要特别注意电容器在实际使用工况下的通风、散热和辐射问题，使电容器在运行中所产生的热量能即时散发出去，在高温条件下降低电容器内部的介质温度，以达到延长电容器实际使用寿命的目的。

4）装设自动投切装置的电容器组，应有防止保护跳闸时误投入电容器装置的闭锁回路，并应设置操作解除控制开关。

自动投、切是指利用AVC、VQC自动投、切装置，当电网电压下降到某一定值时，自动装置将动作合上电容器组断路器。反之，当电压上升到某整定值时，自动装置将动作电容器组断路器跳闸。而进行电容器组的操作时，必须将自动装置退出，以免在进行操作过程中出现开关分合闸（特别是热备用转冷备用操作时，出现开关合闸，将可能造成带负荷拉合刀闸的事件）。

7）各电压等级的电容器组属各级调度管辖，电容器组的投入和切除按调度下达的电压曲线，按逆调压原则操作。

母线一般都按电源端考虑，因此调度规程规定：正常运行时，各电压等级的母线电压都会比额定电压高些，但又不能让电压过高，因为无功过补偿引起的电压过分升高将会导致热量不平衡，最后造成电容器的损坏，此外电容器内部的油浸绝缘纸、在长时间的高温作用下产生老化作用，运行电压越高、介质老化越快，寿命也就越短。因此，要严格按规定投退电容器组、电抗器组、调节主变压器分接头等手段控制。

逆调压原则为：

a)500kV变电站的 500kV母线在正常运行方式情况下，电压允许偏差为系统额定电压的0%—+10%；

b)500kV变电站的中压侧母线在正常运行方式情况下，电压允许偏差为系统额定电压的0%—+10%；

c)220kV变电站的220kV 母线、 变电站的110kV—35kV母线在正常运行方式情况下，电压允许偏差为系统额定电压的-3%—+7%；

d)带地区供电负荷的变电站10kV母线正常运行方式下的电压允许偏差为系统额定电压的0%—+7%。

超过规定值严格按照要求投退电容器组、调节主变压器分接头等手段控制。

10）多组电容器投切时，不得发生谐振（尽量在轻载荷时切除）；对采用混装电抗器的电容器组应先投电抗值大的，后投电抗值小的，切时与之相反。

补充说明：每组电容器的串联电抗器，是为了限制电容器组在合闸过程中的涌流，以及限制操作过电压和抑制电网中高次谐波对电容器的影响。因此为了抑制不同的高次谐波，会根据电网中不同地点高次谐波的影响程度，考虑配置不同电抗率的串联电抗器，例如：一般在500kV变电站35kV母线上的并联电容器组混装有串联电抗器电抗率为4-6%和12%，它们分别可以抑制电网5次及以上谐波，和抑制电网3次及以上谐波的影响，因此混装电抗器的电容器组应先投电抗率大的，以先抑制电网中3次及以上谐波的影响，后再投电抗率小的。同理，切时与之相反。如果不按以上投切顺序，先投电抗率小的电容器组，将无法抑制3次谐波对电容器的影响，此时电容器将可能过电流而损坏。

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