大容量并联电容器组设计和运行的若干问题

摘要：从运行经验出发讨论220～500kV变电站中电容器组设计和运行的有关问题，包括电容器组的接线方案、结构型式和防止谐波放大及谐波共振的措施等。 关键词：无功补偿；并联电容器；设计；运行 1、220～500kV变电站中的电容器组

220kV变电站中安装大容量电容器组用于调相调压始于20世纪80年代初，例如北京南苑变电站1981年引进单台容量334kvar的电容器62．124Mvar，分8组安装，单组容量分别为8．016 Mvar和7．014Mvar。华东某220kV变电站从英国引进11kV 200kvar并联电容器96台，每个相臂2串4并，分2组双星形接线装于35kV母线上，每组9．6Mvar。东北电网部分220kV变电站，分别在66kV母线上装设多组容量为20 Mvar或30 Mvar的并联电容器组。选择额定电压为19 kV和20 kV的电容器，两段串联后再接成星形。部分220kV变电站也有选用集合式电容器进行无功补偿的，例如辽宁抚顺河北变电站选用BAMH66/

3334－1W型单相集合式电容器6台组成66kV 20Mvar电容器组于1999

年5月投入运行。

500kV变电站中装设的并联电容器组，其主要作用是：①补偿主变压器的无功损耗，如单台主变容量为750MVA或500MVA，满载时的无功损耗分别约为90Mvar和60Mvar；②向220kV或110kV电网输送部分无功功率；③补偿500kV电网正常和事故情况下无功功率的缺额。一般来讲，500kV变电站中安装的电容器组，其无功补偿总容量以不超过主变压器容量的30％为宜。对于距大容量发电厂较近的500kV变电站，在经济合理的前提下，应多吸收发电厂的无功，以减小补偿容量，节约投资。在500kV变电站投入运行的初期，由于负载较小和电网中的超高压线路的充电功率较大，应装设并联电抗器，电容器组可以选择适当的安装容量，甚至也可暂不装设电容器。目前我国500kV变电站中并联电容器组的分组容量，以35kV级、40．08Mvar和66kV级60．12Mvar居多。武汉凤凰山500 kV变电站在8kV母线上安装了SVC装置，广东江门和湖南株州500kV变电站中SVC的电容器组，则分别接于15．75kV和20kV母线上。 2、大容量电容器组的运行经验

运行中大容量电容器组发生电容器油箱爆破引起的事故屡见不鲜，东北电网于1990年初提供的连续9年的统计数据，220kV变电站中电容器爆炸及鼓肚的损坏数约占整个电容器损坏数的35．39％，而发生此类事故的电容器组的配套设备均较齐全。现将部分事故分述如下：

2．1、500kV变电站的电容器组事故

1）武汉凤凰山500kV变电站SVC装置中的8kV电容器组，采用内熔丝保护，1988年10月因晶闸管误触导通，产生过电压，将2台电容器击穿，外壳爆裂，进一步引起120台334kvar电容器全部烧毁，串联电抗器烧坏，平衡保护用的电流互感器套管发生粉碎性爆炸；

2）广东江门500kV变电站1987年投入运行的5．65kV、340kvar电容器132台，每相两段串联，每段11台，双星形接线，单组容量44．88Mvar的SVC装置。1992年7月由于并联电容器爆炸引起燃烧，全组132台并联电容器全部烧毁，并烧伤55Mvar的干式并联电抗器2台；

3）鞍山王石500kV变电站安装的66kV、30Mvar电容器组，19年试投运时1台334kvar电容器爆炸；

4）郑州小浏500kV变电站，也发生过电容爆炸燃烧事故，一次烧毁并联电容器20Mvar。

2．2、220kV变电站的电容器组事故

1）沈阳浑河、营口盘山、大庆让胡路、大连岔山、辽宁锦西等220 kV变电所的66 kV20～30Mvar电容器组系从日本日新公司引进的334kvar电容器组，于1986～1990年间先后多次发生绝缘击穿、鼓肚、爆炸、故障相外熔丝爆断或群爆等事故；

2）营口大石桥、辽阳耿家220kV变电站的66kV 20Mvar电容器组，于1988年和1986年分别发生电容器爆炸事故，外熔丝全部熔断，桥差保护的电流互感器炸坏等； 3）丹东220kV变电站的66kV 30Mvar电容器组，于1988年7月熔丝全部群爆，发生电容器损坏事故。

2．3、电容器组事故原因分析

1）并联电容器极间介质的设计工作场强过高，绝缘材料的质量和工艺不当，电容器内部绝缘介质劣化，极间或极对壳介质击穿，外壳鼓肚，外壳防爆容量达不到标准要求，导致外壳或上下盖爆裂起火，造成整组电容器烧毁；

2）投切电容器组的断路器性能较差，由于合闸时的触头弹跳，分闸时的截流和电弧重燃等原因，产生幅值较高的内过电压，造成电容元件介质击穿；

3）由于电容器组的串联电抗选择不当等原因，引起谐波放大（特别是三次谐波）或谐波共振造成的事故。不少220kV变电站发生过由于谐波问题造成的电容器鼓肚、漏油、爆炸等事故，单台保护熔断器群爆熔断、氧化锌避雷器爆炸、双星形接线电容器组中性线不平衡电流保护的电流互感器爆炸、放电线圈损坏等，严重时甚至影响到变压器的安全；

4）由于电容器组单台保护熔断器性能不良和继电保护设计整定不当，不能正常断开故障电容器引起的事故。 3、并联电容器组接线方案的选择 3．1、单星接线和双星接线的选择

由于变电站中主变压器的三次侧中性点是非直接接地系统，因此并联电容器组的中性点为全绝缘，其内部接线包括单星形接线和双星形接线两种方式。500kV变电站中的30～60Mvar电容器组，内部接线一般以选择双星接线为好。其主要优点是： 1）同样的单组容量，双星接线的每段并联台数比单星接线少一倍，因而减小了事故情况下，故障段中完好电容器向故障电容器的放电能量，有利于防止故障电容器的外壳爆裂和火灾；

2）每组双星接线的电容器组中性线差电流保护只需一只差电流互感器，比单星接线的开口三角电压保护（每相各需装一只电压互感器），减少了投资费用； 3）中性线差电流互感器由于运行电压较低，故障情况下通过差电流互感器的电流值也较小，运行可靠性较高；

4）双星接线框架式电容器组的布置较为清晰，引线比单星接线方式少，且单星接线时每相电压互感器均需高电压引线，双星接线所需的支柱绝缘子的数量相对较少，减少了绝缘事故点；

5）国内外均有较丰富的运行经验，例如美国电容器标准化委员会将双星接线方式作为大容量电容器组的推荐接线。 3．2、采用多分段的新型接线

传统的35kV和66kV电容器组的接线方式，是每相臂两段串联的方式，35kV电容器

组由11kV或12kV的电容器并联后再两段串联，66kV电容器组由19kV或20kV的电容器并联后再两段串联。以35kV40．08Mvar的电容器组为例，各相臂每段由10台11kV334kvar电容器并联组成，如图1（a）所示，电容器的电容元件不带内熔丝。

从运行实践看，这种传统的接线方式存在以下缺点：

1）每串联段的并联台数较多，一台电容器故障时承受的放电能量较大，防止电容器爆炸的裕度小。

334kvar电容器的爆破能量为不小于12kJ，如每段并联台数m为10台，每台电容器的电容值为C，当一台贯穿性击穿时，完好的9台电容器对故障电容器放电的注入能量为：

11．6kJ与12kJ对比，裕度不大，因此每串联段的并联台数不应超过10台； 2）由于串联段数为2，如果电容器故障发生在操作过程中，则其注入能量与电压平方成正比，电容器难免爆炸。其中一段故障时，完好的电容器承受2倍的过电压，容易造成连续击穿反应；

3）由于不装内熔丝，不具备内熔丝的相应优点。

某公司四段串联的主接线方案如图1（b）所示，其特点是每相臂四段串联，每段选定额定电压为5．5kV或6kV带内熔丝的并联电容器，单台容量334kvar。 四段串联接线方案的主要优点是：

1）对同等容量来说，比传统方案的每段并联台数减少了一半，每段的电压值也小了一半，因此发生故障时，注入故障电容器的能量较小，有效地防止外壳爆裂； 2）由于串联段数较多，发生故障时施加于完好电容器上的过电压值较低，一段全击穿时仅过电压1．33倍；

3）具备内熔丝保护极间击穿和外熔丝保护对壳击穿的双重优点。

此方案已在江门、惠州、茂名、汕头、泉州、莆田、淮阴、温州等500kV变电站中得到了满意的运行效果，受到用户的欢迎。从1994年第一套用于500kV变电站至今，相继有20多个500kV变电站采用此接线方案，均无发生电容器爆炸事故。

66kV、60．12Mvar电容器组双星接线，每个星形臂6串5并的接线方案如图2所示，

其技术特点和35kV、40．08Mvar电容器组新型接线相似，兹不赘述。 4、电容器组结构型式的选择 4．1、户外安装的框架式电容器组

户外安装的框架式电容器组是国内应用十分广泛的结构型式，成套装置的周围设置金属围栏，其优点是成套装置布局清晰，绝缘距离和安全距离较大，装有单台保护熔断器，发生故障时由于熔断器的掉牌，运行人员能较快地发现故障电容器，使电容器组尽快恢复运行，土建工程量小，节约投资，通风和散热条件好，风和雨还可对运行设备起到自然清扫的作用。此类结构型式的缺点是：占地面积较大，为了节约占地，可采取高层布置的结构型式，将电容器分层安装在铁架上，但为了检修方便，上下一般不多于3层，水平放置一般为2排，以保证巡视的方便和散热良好。 4．2、户内安装和半露天安装的电容器组

在某些环境条件无法满足户外安装电容器组的场所，可将电容器组安装于室内，由于不受雨雪尘土的侵袭，运行较安全。但增加了室内建筑物和防火、通风等设施，工程造价有所增加。所谓“半露天布置”，即给户外装置的电容器搭了一个遮阳棚，其优点是运行中的电容器可以免受夏季阳光的爆晒，但同时失去了雨水自然冲洗的条件，适用于我国南方某些夏季高温，春季少风沙且污秽不严重的地区。国标GB50227－1995《并联电容器装置设计规范》中认为半露天的设计方案不宜推广采用。

4．3、半封闭式的电容器组

西欧制造厂家生产的电容器成套装置，多采取此种设计方案。所谓半封闭是指将电容器的带电部分及引线封闭在箱体内，单台电容器卧放，插入箱体的两侧，套管对套管，而电容器的外壳部分则裸露于箱体之外。ABB西安电力电容器公司生产的电容器成套装置，即属于这种型式，单台电容器的最大容量为1Mvar。这种结构方式的优点是：①占地面积小；②安装检修方便；③便于采用单台保护熔断器。但从运行经验上看，此类结构型式在国内实践中发生事故的机率较高，其缺点是：①半封闭部分易于产生凝露现象而导致闪络事故；②国产卧放安装的单台电容器更容易产生渗漏油，而电容器外壳内油量的多少对电容元件性能的影响，卧放安装比立放安装影响更大；③由于工艺水平，半封闭并未做到完全封闭，潮气和尘土仍可能侵入箱内，造成闪络。因此国内工程设计中

很少采用这种结构型式。

4．4、集合式或箱式的并联电容器组

近年来集合式并联电容器产品发展很快，其总容量已占我国高压并联电容器总容量的40％左右。在220kV及以下中小变电站中得到了广泛的应用，其优点是占地面积小，安装维护简单，特别适用于户外安装。由于可调容量产品和35～66kV就地安装全绝缘产品的开发，使其更受到运行单位的欢迎。至于大容量箱式并联电容器，在我国220kV变电站中已有多年运行经验。但集合式产品在发生内部故障时，故障的电容单元不易查找，一般应送回制造厂检修，使其应用受到。 5、防止谐波放大和谐波共振的措施

大容量电容器组一般均按国标GB50227－1995选择串联电抗器的电抗率，但在电网运行中曾多次发生三次谐波放大，当参数匹配时还可能发生谐波共振事故，由于运行电压和电流严重超标，使电容器鼓肚、漏油甚至爆炸损坏，还可能发生氧化锌避雷器爆炸、双星电容器组中性线电流互感器爆炸，放电线圈损坏等事故。例如：河南汤阳220kV变电站10kV侧装有7．8Mvar并联电容器6组，均串接6％电抗器，1984年因谐波影响运行不正常，1988年6月发生多台电容器爆炸、鼓肚、严重漏油，并使氧化锌避雷器爆炸、熔丝爆断、中性线电流互感器损坏。其原因是：串联电抗器的实际电抗率为4．91％，对三次谐波放大，三次谐波电流高达基波的31％。又如湖南曲河和宝庆220kV变电站，10kV侧分别安装4组和5组的7．2Mvar电容器组，串联电抗率为5％或5．6％，曾于1992年和1987年分别发生过三次谐波放大事故；张家口宣化220kV变电站内40Mvar电容器组，丰沙大电气化铁道通车后，由于谐波影响一年半的时间内全部烧损。为防止谐波放大和谐波共振的措施应着重注意以下几点：

1）装设6％串联电抗器的电容器组应特别注意防止对三次谐波的放大。通常认为3n次谐波分量由于在Y／Δ结线变压器的Δ绕组中环流短路在系统中不会出现，实际上由于变压器三相磁路的不对称，电源电压和负荷的不平衡，三相铁心的饱和程度不同，各相产生的三次谐波的大小及相位也不相同，所以变压器Δ绕组侧的线电压及线电流中仍存在三次谐波分量，其幅值的比例不小，对6％串联电抗率的电容器组往往可能产生谐波放大；

2）为了降低制造成本，一些铁心式串联电抗器的设计磁通密度选择过高，由于铁心饱和，使电抗器的实际运行电抗值偏低，而造成对原设计要抑制谐波反而起到放大的作用；

3）为了减少开关设备的投资和投切次数，以降低操作过电压的机率，在运行条件能满足时，电容器的单组容量应争取大一些，组数少一些。确定分组容量的原则是：各分组电容器在不同组合方式下投切时，不得引起高次谐波谐振和有害谐波的放大；发生n次谐波谐振的电容器容量可按下式进行近似计算：

2

Qcn＝Sd［1／n－A］

式中：Qcn—发生n次谐波谐振的电容器容量（Mvar）； Sd—电容器安装处的母线短路容量（MVA）；

n—共振谐波次数，即谐振频率与电网频率之比；

A—电容器组每相感抗（XL）与容抗（XC）的比值，即A＝XL／XC

4）注意超高压变电站中带电导线周围的电晕及泄漏电流产生的谐波，虽然谐波含量通常不超过0．4％，但由于容量及额定电流大，覆盖面广，其影响也很大；

5）注意谐波分量较大的负载影响，如电气化铁道的电力机车、电弧炉、整流装置和大容量变频器等。 6、几点看法：

1）对大容量并联电容器组的设计和保护方式的选择、整定等应不断从运行实践中总结经验，加以改进和完善；

2）进一步提高电容器和配套设备的制造质量，保证成套装置的整体运行可靠性； 3）对防止谐波放大和谐波共振问题在工程设计中应予重视，在投运前应进行谐波分量及有关参数的测试；

4）研究开发110kV、220kV额定电压更大容量并联电容器组的设计，以及研究如何满足未来西北750kV电网中无功补偿和全国联网的需要。