王鳳婷 張文軍 李虹麗 謝凌峰 王 英 李 娜

（西安西電電力電容器有限責(zé)任公司，陜西 西安 710082）

0 引言

近年來，隨著電力系統(tǒng)的迅速發(fā)展，電壓等級不斷提高，輸電能力也在不斷增強(qiáng)。隨著電壓等級的提高和輸電距離的增加，無功補(bǔ)償技術(shù)及其配套的設(shè)備也有著很大進(jìn)步，尤其是并聯(lián)電容器裝置，其更是得到空前的發(fā)展。從最初的10 kV、35 kV向高電壓、大容量方向發(fā)展。目前，系統(tǒng)運(yùn)行的并聯(lián)電容器最高電壓等級已達(dá)到1 000 kV［1-3］。

并聯(lián)電容器作為最主要的無功補(bǔ)償設(shè)備，可用于電力系統(tǒng)、高壓試驗(yàn)、工業(yè)設(shè)備及其他現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)裝備中，在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用占比最高。目前，并聯(lián)電容器裝置被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，尤其是在10 kV、35 kV配電網(wǎng)絡(luò)中。本研究以10 kV電壓等級的并聯(lián)電容器裝置為例，對并聯(lián)電容器裝置的參數(shù)化與標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行研究，為今后電容器標(biāo)準(zhǔn)化的開展提供參考。

1 電容器裝置

10 kV并聯(lián)電容器一般是安裝在35 kV的變電站中，配變二次出線側(cè)，用于補(bǔ)償無功功率，具有提升功率因數(shù)、降低線路損耗、改善電能質(zhì)量等功能。

并聯(lián)電容器在交流電力系統(tǒng)中與負(fù)荷并聯(lián)，其類似于一個容性負(fù)荷，向系統(tǒng)發(fā)出容性無功功率。并聯(lián)電容器裝置可分為框架式電容器裝置、集合式電容器裝置和柜式（或箱式）電容器裝置。目前，在網(wǎng)數(shù)量最多的是框架式電容器裝置，其結(jié)構(gòu)清晰、檢修便捷、經(jīng)濟(jì)性好。相同電壓等級、相同容量、不同結(jié)構(gòu)形式的電容器裝置主要元器件的電氣參數(shù)相同，只是安裝方式與使用環(huán)境不同。

在對并聯(lián)電容器裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)制造時，額定電壓宜與安裝處母線的實(shí)際運(yùn)行電壓計(jì)入因串聯(lián)電抗器引起的穩(wěn)態(tài)電壓升高相適應(yīng)，整體容量的選擇應(yīng)依據(jù)變壓器的容量進(jìn)行計(jì)算，一般按變壓器裝機(jī)容量的15%～30%來配置電容器裝置的容量，其額定值與負(fù)荷的有功功率、補(bǔ)償前后的功率因數(shù)均有關(guān)。

電容器裝置由開關(guān)柜、串聯(lián)電抗器、氧化鋅避雷器、單元電容器及其組架、放電線圈、隔離接地刀閘組架等組成。當(dāng)需要分組自動投切時，可增加控制屏、投切屏、保護(hù)屏。開關(guān)柜為電容器組的切合設(shè)備，一般情況下為用戶自備。

2 單元電容器

電容器裝置中最重要的部分是單元電容器，單元電容器的參數(shù)選取與電容器裝置的參數(shù)有關(guān)。如裝置型號為TBB10-1000/334-AKW，TBB表示并聯(lián)電容器裝置、10表示裝置額定電壓（kV），1 000表示裝置總?cè)萘浚╧var），334表示裝置中單元電容器的容量（kvar），AKW表示裝置的接線與保護(hù)方式及使用環(huán)境，單星形開口三角保護(hù)戶外型。系統(tǒng)中主要為5次及以上諧波時，一般選取5%的電抗率，對應(yīng)的單元電容器型號為BAM11/√3-334-1W，此處11/√3表示單元電容器的額定電壓（kV），334表示單元電容器的額定容量（kvar）。單元電容器一般安裝在型鋼支架上，分為立放或臥放兩種放置方式，通過連接線與其他配件進(jìn)行連接，連接成系統(tǒng)需要的接線方式，從而實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償功能。

單元電容器內(nèi)部由芯子、絕緣包封、絕緣油、外殼及出線套管組成。其中，芯子為單元電容器的最主要部件，由多個元件通過串并聯(lián)的方式組成。芯子外部進(jìn)行絕緣包繞，裝入不銹鋼外殼，用套管將引線引出，通過既定的工藝流程處理后會成為合格的單元電容器產(chǎn)品［1］。

3 電容器裝置及單元電容器的選型

結(jié)合國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)近幾年的輸變電系統(tǒng)建設(shè)情況及近三年電容器裝置的招標(biāo)情況，就10 kV電容器裝置而言，兩網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化程度較高。國網(wǎng)針對不同的電力裝備制定了《國家電網(wǎng)有限公司輸變電工程通用設(shè)備》手冊，對各類電氣設(shè)備（如主變、斷路器、互感器、開關(guān)、避雷器、電容器等）進(jìn)行明確的規(guī)定。其中，對電容器裝置一次、二次接口做了明確的規(guī)定，圍欄尺寸、典型配置及元器件等參數(shù)也進(jìn)行了規(guī)定。對電容器廠家而言，應(yīng)嚴(yán)格按照各類規(guī)定來提供設(shè)備。

依據(jù)裝置容量對單元電容器進(jìn)行選配，10 kV電容器裝置的容量一般為150～10 000 kvar，單元電容器的容量為50～500 kvar。根據(jù)不同的電抗率，額定電壓一般為11/√3 kV或12/√3 kV。通過不同的串并聯(lián)方式對單元電容器進(jìn)行電氣連接，從而實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償，表1為國網(wǎng)、南網(wǎng)招標(biāo)中一些常見的電容器裝置及其單元電容器的型號。

表1 常見10 kV電容器裝置及其單元電容器

4 單元電容器參數(shù)化與標(biāo)準(zhǔn)化研究

4.1 電容器標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

對電容器裝置制造廠商而言，單元電容器是其生產(chǎn)的主要產(chǎn)品，其他配件主要來自配件生產(chǎn)制造商。因此，單元電容器的經(jīng)濟(jì)性是影響各廠家盈利水平的最重要因素。

從目前對市場調(diào)研結(jié)果來看，在電容器標(biāo)準(zhǔn)化方面，電容器制造廠商依據(jù)國網(wǎng)公司、南網(wǎng)公司制定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)，重點(diǎn)是外形尺寸（長寬相對固定，主要調(diào)整高度）、產(chǎn)品型號（主要以兩網(wǎng)需求的容量為準(zhǔn)）的標(biāo)準(zhǔn)化。部分廠商在原材料選取方面實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，如統(tǒng)一鋁箔厚度標(biāo)準(zhǔn)、所有薄膜選擇雙面粗化聚丙烯薄膜等，但受元件容量、場強(qiáng)、電壓等因素的影響，造成原材料的規(guī)格多樣，標(biāo)準(zhǔn)化程度仍然較低。

4.2 電容器標(biāo)準(zhǔn)化方向

按國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，元件電壓不宜大于2.5 kV。但元件數(shù)量、元件容量的選取并無明確規(guī)定，各廠商會根據(jù)自身情況來選定參數(shù)并設(shè)計(jì)制造元件。一般額定電壓相同的單元電容器，容量越大，元件數(shù)量就越多［4-5］。

相對產(chǎn)品型號的標(biāo)準(zhǔn)化，內(nèi)部元件的標(biāo)準(zhǔn)化程度較低，一般是由生產(chǎn)廠商的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)習(xí)慣來決定的。以BAM11/√3-50-1W、BAM11/√3-100-1W、BAM11/√3-200-1W這3種型號的單元電容器為例，對應(yīng)的常用元件電氣基本參數(shù)見表2（內(nèi)部材料的選型不同可派生出不同的膜厚及層數(shù)、場強(qiáng)等，各廠商保密，不便列舉）。

由表2可知，電容器的容量分別為50 kvar、100 kvar、200 kvar，其容量比為1∶2∶4，但其內(nèi)部元件數(shù)卻不成比例，要加工出3種不同容量的元件，對應(yīng)的薄膜厚度、場強(qiáng)參數(shù)等要依據(jù)元件電氣參數(shù)進(jìn)行選型。

表2 三種單元電容器內(nèi)部元件信息（標(biāo)準(zhǔn)化前）

在實(shí)際生產(chǎn)中，要儲備3～5種不同的薄膜來滿足3種容量的電容器生產(chǎn)需求，薄膜庫存量大，不可混用。即便是生產(chǎn)完成后也不可混用、不可替代，無法實(shí)現(xiàn)批量加工。

目前，電容器元件大多采用的是自動卷制機(jī)進(jìn)行加工。在生產(chǎn)不同元件時，要選擇不同的心軸，并設(shè)置不同的圈數(shù)等信息，3種元件的繞制要更換材料，生產(chǎn)過程中存在大量浪費(fèi)。

本研究采用近似比例法來配置元件基本參數(shù)。將上述3種型號的單元電容器容量成比例，并對其元件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，元件膜層數(shù)、厚度等信息固化，3種單元電容器使用完全相同的電容元件，元件數(shù)量與電容器容量成比例。采用近似比例法得到標(biāo)準(zhǔn)化與參數(shù)化元件，見表3。

表3 三種單元電容器內(nèi)部元件信息（標(biāo)準(zhǔn)化后）

采用近似比例法，3種單元電容器內(nèi)部有完全 相同的元件。雖然對100 kvar、200 kvar的電容器來說，元件數(shù)量有所增加，但標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)可有效減少浪費(fèi)，從而彌補(bǔ)因元件數(shù)量的增加而帶來的成本上浮。將該方法進(jìn)行擴(kuò)展，可知其他成比例的單元電容器中可使用相同的元件，如250 kvar、300 kvar、350、kvar、400 kvar、450 kvar、500 kvar等，將物理問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題。而統(tǒng)一元件的基礎(chǔ)電氣參數(shù)、原材料規(guī)格等信息，選取時只需確認(rèn)比例即可。在多種不同的薄膜組合中，經(jīng)過經(jīng)濟(jì)性和電氣參數(shù)計(jì)算，從中選取適合批量生產(chǎn)的最優(yōu)選基礎(chǔ)性元件，大批量的生產(chǎn)能提高生產(chǎn)效率，減少原材料儲備的規(guī)格與種類，在生產(chǎn)過程中不用換料，從而使生產(chǎn)效率大幅提高。

相同電壓等級及串聯(lián)數(shù)相同的元件，按照容量比例近似選取成比例的元件并聯(lián)數(shù)，通過電氣計(jì)算選取最合理的元件參數(shù)信息，將其參數(shù)進(jìn)行固化，進(jìn)而應(yīng)用到所有電容器的不同容量中，不斷求同存異，減少規(guī)格與種類，提高元件的標(biāo)準(zhǔn)化程度，將不同元件參數(shù)進(jìn)行固化，從而形成參數(shù)化的元件庫，實(shí)現(xiàn)元件的批量生產(chǎn)，減少不必要的重復(fù)勞動，如遇特殊容量，優(yōu)先在標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)化元件中進(jìn)行選型，以減少設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的工作量。如在實(shí)際 的 生 產(chǎn) 中，BAM11/√3-334-1W與BAM11/√3-500-1W兩種規(guī)格的單元電容器容量比為334∶500，可近似看作2∶3，將兩種規(guī)格的元件進(jìn)行統(tǒng)一，串并聯(lián)數(shù)分別按照3串12并、3串18并來執(zhí)行。同理，可衍生出3串14并的390 kvar、3串15并的417 kvar等。可使用盡可能覆蓋常用單元電容器型號的標(biāo)準(zhǔn)化元件，減少元件的規(guī)格與種類，在生產(chǎn)設(shè)備充足的前提下，實(shí)現(xiàn)單個卷制機(jī)只卷一種元件的模式。

5 單元電容器標(biāo)準(zhǔn)化對成套裝置定值的影響

依據(jù)不同容量與各電網(wǎng)保護(hù)習(xí)慣，10 kV電容器裝置的保護(hù)方式有開口三角保護(hù)、差動電壓保護(hù)、雙星不平衡電流保護(hù)。其中，開口三角保護(hù)用于容量不大于5 000 kvar的電容器裝置；裝置容量為6 000～10 000 kvar時，根據(jù)用戶要求選擇差動電壓保護(hù)或雙星不平衡電流保護(hù)［6-8］。目前，在國網(wǎng)和南網(wǎng)運(yùn)行的設(shè)備中，開口三角保護(hù)的電容器裝置所占比例較大，本研究以此為例進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證單元電容器內(nèi)部元件標(biāo)準(zhǔn)化對保護(hù)定值的影響［9-11］。

以5%電抗率開口的三角保護(hù)為例，10 kV電容器裝置每一相的單元電容器全部為并聯(lián)關(guān)系，串聯(lián)段數(shù)量為1，其定值計(jì)算見式（1）（2）。

式中：p為每串聯(lián)段并聯(lián)電容器數(shù)；s為電容器組的串聯(lián)段數(shù)；m為單臺串聯(lián)元件組中的并聯(lián)元件數(shù)；n為單臺電容器內(nèi)部串聯(lián)元件數(shù)；α為串聯(lián)電抗器的額定電抗率，%；f為故障元件組中退出運(yùn)行的元件數(shù)；k為過電壓倍數(shù)，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)取1.30；KLM為保護(hù)裝置靈敏度，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)取1.30；Uφ為相電壓，kV；W為放電線圈變比；d為故障元件組中退出運(yùn)行的元件數(shù)比率，即f/m。以5%電抗率開口三角保護(hù)為例，Uφ為放電線圈變比為

將10 kV系統(tǒng)中的單元電容器并聯(lián)，故s=1。又有α=5%、k=1.3、KLM=1.3，式（1）（2）可簡化為式（3）（4）。

按照標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于電容器元件電壓的相關(guān)規(guī)定，10 kV系統(tǒng)開口三角保護(hù)中的單元電容器元件宜選用3串結(jié)構(gòu)，則n=3。

公式（3）（4）可繼續(xù)簡化為公式（5）到（7）。

由式（7）可知，在10 kV開口三角保護(hù)的電容器裝置中，熔絲熔斷比例僅與每串聯(lián)段并聯(lián)電容器臺數(shù)p有關(guān)（此處忽略f取整問題）。參數(shù)p在確定電容器裝置型號時已確定，不受單元電容器內(nèi)部元件數(shù)量的影響。因此，研究元件標(biāo)準(zhǔn)化與參數(shù)化對允許熔斷的熔絲比例不會對d帶來不利影響。

由公式（3）可知，電容器裝置保護(hù)定值Uz僅與每串聯(lián)段并聯(lián)電容器臺數(shù)p、允許熔斷的熔絲比例d這2個參數(shù)有關(guān)。而熔絲熔斷比例d與并聯(lián)臺數(shù)p有關(guān)，將式（7）代入式（3），可得10 kV系統(tǒng)開口三角保護(hù)的簡化公式，僅與每串聯(lián)段并聯(lián)電容器臺數(shù)p有關(guān)，可通過編輯計(jì)算器來實(shí)現(xiàn)快速計(jì)算，以此來簡化計(jì)算過程與周期，提高工作效率。

由上述公式可知，10 kV開口三角保護(hù)電容器裝置的保護(hù)定值Uz可簡化成僅與裝置單元電容器并聯(lián)數(shù)有關(guān)的公式，本研究的內(nèi)容對定值計(jì)算不會產(chǎn)生不利影響，主要影響熔絲的熔斷數(shù)量。由公式（6）可知，p值確定時，在同一產(chǎn)品中出現(xiàn)故障元件概率相同的前提下，并聯(lián)元件數(shù)m越大、故障元件組中退出運(yùn)行的元件數(shù)f越大，設(shè)備安全性就越好。

電容器標(biāo)準(zhǔn)化與參數(shù)化的研究對電容器保護(hù)無不利影響，且適當(dāng)增多電容器內(nèi)部元件數(shù)量可提高運(yùn)行的安全性，表明參數(shù)化與標(biāo)準(zhǔn)化的推廣是有利的。因篇幅有限，本研究不再對差壓保護(hù)裝置進(jìn)行贅述。

6 結(jié)語

本研究以10 kV開口三角保護(hù)接線方式的電容器裝置為例，對并聯(lián)電容器裝置參數(shù)化與標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行研究，指出單元電容器標(biāo)準(zhǔn)化的思路為元件標(biāo)準(zhǔn)化。元件標(biāo)準(zhǔn)化可通過近似比例法來完成，將近似成比例的不同容量的電容元件進(jìn)行統(tǒng)一，客觀列舉目前常用產(chǎn)品的內(nèi)部元件信息，并對比元件統(tǒng)一前后的基本信息。本研究通過定性研究來闡述元件標(biāo)準(zhǔn)化后對保護(hù)定值計(jì)算不會帶來不利影響，表明元件標(biāo)準(zhǔn)化對電容器的二次保護(hù)不會造成影響，可簡化部分工作流程，且適當(dāng)增加元件數(shù)量后會使設(shè)備安全性得到提高，為電容器設(shè)備制造廠商產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化提供思路與方向。