低壓并聯電容器損壞的分析及改進

崔金鑫

（合肥供水集團有限公司，安徽 合肥 230011）

0 引 言

功率因數是交流電路中一個重要的技術指標，在數值上是有功功率P和視在功率S的比值，是衡量用電設備效率高低的一個系數。電動機是典型的感性負載，交流異步電動機在額定負載時的功率因數只有0.8左右，如果沒有滿載，功率因數還會更低。這些感性負載除了從電力系統中吸收有功功率以外，還消耗一定無功功率用以建立磁場。若這些無功功率全部由變壓器二次側提供，將導致變壓器的有效輸出功率下降，同時造成線路電流和線損增大，使功率因數無法達到0.90，供電公司也會對用電企業進行力調電費罰款[1]。因此，必須使用有效的無功補償設備提高功率因數。某水廠低壓系統配有兩臺額定容量為800 kVA的變壓器，共有兩段低壓進線，每路進線配有一臺電容補償柜，每臺電容柜含有6只電容器，其中無功功率為50 kvar的有5只，25 kvar的有1只，總計275 kvar。電容柜通過功率因數控制器取樣電壓和電流情況，實時檢測系統功率因數，根據功率因數的情況自動投入若干只電容器，以滿足無功補償需要[2]。水廠低壓系統兩端進線柜中間設有聯絡柜，平時采用單變壓器、單母線通過聯絡柜給低壓設備供電的運行模式。自2017年水廠二期建設投產以來，水廠當班巡檢人員多次發現低壓配電系統功率因數較低，電容補償柜電流表電流存在不平衡的現象，柜內電容器時有鼓包和漏液，存在很大的安全隱患，急需解決。基于此，對于低壓配電系統電容器的損壞原因分析很有必要[1]。

1 低壓配電系統電容器的損壞原因分析

結合現場情況和電容器自身的特性，電容器頻繁損壞可能是以下幾個方面的原因。一是低壓系統電容補償柜電纜接線存在虛接的現象，造成并聯電容器投入運行時會使某一相瞬間斷電，引起電流不平衡，長期運行造成電容器受到發熱損壞。二是由于水廠一期時電容的損壞頻次較低，二期負載增加后故障率高，單變壓器單母線運行時電容容量無法滿足需要，使電容器頻繁投切，造成過負荷，壽命降低。三是現場環境溫度過高、濕度大，會加快電容器的熱老化和腐蝕，出現鼓包、漏液等故障。四是進線電源質量較差，系統中存在大量的諧波。如果并聯電容器在有諧波的環境下工作，可能會產生更大的諧波電壓和諧波電流，使電容器極間擊穿或損毀。

2 改進措施

2.1 緊固所有接線螺栓、端子

細致檢查低壓配電柜以及所有電纜、熔斷器、斷路器、電容器、接線端子等。經檢查，部分接線螺栓存在松動現象，電容柜的刀融隔離開關接線樁頭有發熱跡象，如圖1所示。由于接線不牢，三相電流不平衡，因此對所有接線端子和電纜接線樁頭螺栓全部緊固，同時更換了發熱的熔斷器式隔離開關，處理后電容器的三相電流的數值誤差更小了，對電容器的正常工作也起到了較好的作用[2]。

圖1 刀融隔離開關虛接發熱

2.2 調整供電模式

實際工程中，因用戶設備總的最大無功功率需量是比較難計算的，所以通常采用經驗數據計算，即按照變壓器容量的20%～40%來取。一般設計取中間值也就是0.3，所以800 kVA應該是800×0.3=240 kvar，總補償容量為240 kvar，最大可以取到320 kvar。水廠當臺電容柜電容容量是275 kvar，極端情況下當臺電容柜已無法滿足生產要求。水廠一期時低壓主要感性負載是反沖泵房兩臺32 kW鼓風機和3臺45 kW水泵，投入1～2只電容器即能滿足功率因數要求。水廠二期投產時，新增了脫水車間離心機、沉淀池攪拌機以及排水泵等負載。

為了滿足功率因數要求，需要投入5只甚至6只電容器才能滿足要求。由于水廠低壓設備需要經常性的開、停機，會造成電容器的頻繁投切和沖擊，這也是電容器故障的一個原因。鑒于此，水廠對供電模式進行改變。將低壓配電系統由單變壓器、單母線改為雙變壓器同時運行方式。正常運行時，兩路低壓進線柜合閘，聯絡柜斷開。一方面，當一段進線電源出現故障時，采用手動方式合上聯絡柜，確保失壓段配電柜恢復供電，供電的穩定性也得到了提高。另一方面，較大負荷的感性負載均勻的分布在兩路進線柜側，兩臺電容柜電容器可以較平均的投切，共計550 kvar的電容器容量很富裕，完全能夠滿足水廠的生產需求[2]。

2.3 改善電容器工作環境

隨著負載的增加，原有房間的溫度也相應增加，尤其是夏季溫度達到了40 ℃左右。查閱相關資料得知，一般現場環境溫度每升高10 ℃，在用的電容器故障率要提高50%。目前從故障電容器故障的分析，電容器內部可能積累了較多的熱量沒有及時散發出去，容易造成電容器損壞現象，同時濕度大也會造成電容器的腐蝕。因此在配電間安裝了排風扇和空調，降低了配電間的溫度和濕度，使電容器運行在一個通風干燥的良好環境中。

2.4 線路檢測分析

由于電容器回路是一個LC電路，對于某些諧波容易產生諧振，易造成高次諧波，使電流增加和電壓升高。且諧波的這種電流對電容器非常有害，極容易使電容器擊穿引起相間短路，因此需要對線路進行檢測分析[1]。選用美國FLUKE 430系列電能質量分析儀對系統進行了線路檢測，此設備可以在線連續長時間測量電壓、電流的諧波和波形變動等，用于監測電能質量。系統監控器畫面可同時監控多個電能質量參數。

2.4.1 檢測內容

電壓電流：相位、電壓電流波形以及RMS值；功率電能：有功功率、無功功率、視在功率以及功率因數；諧波數據：電壓諧波畸變率；電流諧波畸變；基波；各次諧波。

2.4.2 檢測數據

（1）電壓電流相位：電容器電流電壓相位成直角，補償系統無功電流。電壓電流波形：電流波形不規整，存在諧波電流畸變問題。電壓諧波畸變：以AB相為例，1.5%的電壓諧波畸變率，電容器任意兩端的基波電壓433 V左右。電流諧波畸變：以B相為例，基波電流53.2 A，電流諧波畸變率THDI 8.2% 總諧波電流值 53.2×8.2%=4.4 A。H5諧波含量53.2×7.9%=4.2 A。

以上數據可以看出，單臺電容器運行時，吸收了一定量諧波電流。電流波形存在畸變情況，同時存在一定量的諧波電壓[3]。

（2）圖2為系統主電源側在補償前后兩個階段下功率和功率因數的值。通過對比，可以看出，隨著電容補償的投入，系統有功功率增加，無功功率降低，補償后功率因數由0.86，抬升至0.95，說明電容器起到了很好的補償作用，減輕了變壓器負擔，減少了系統損耗。圖3為電容器未投入回路數據。電壓諧波畸變率THDU為1.3%，電流諧波畸變率THDI為4.5%。

圖2 無電容和有電容投入時功率和電能變化

圖3 電容未投入時回路諧波數據

電壓電流相位：兩個階段下，系統電流滯后于電壓相位，相位夾角隨著補償功率因數提高后變小。電壓電流波形：兩個階段下，電壓電流波形都趨近于正弦波。電壓諧波畸變：諧波電壓畸變率為1.5%。電流諧波畸變：補償前基波電流224.3 A，THDI 4.5%。總諧波電流值224.3×4.5%=10.1 A。H3諧波含量224.3×3.6% =8.1 A，H5諧波含量224.3×0.9%=2.0 A。電容投入后基波電流200.5 A，THDI 5.4%。總諧波電流值200.5×5.4%=10.8A。H3諧波含量 200.5× 4.1 %=8.2 A，H5諧波含量200.5×1.4% =2.8 A。通過現場測試分析，從測試數據來分析，現場諧波存在3次，5次等諧波值，但目前對電容器的運行影響有限[4,5]。

3 結 論

通過一系列的措施改進后，近年來水廠低壓配電系統無功補償電容柜的電容器故障率大大降低。目前電容器都能夠正常工作，對低壓配電系統起到了很好的補償效果，提高了水廠的電能利用率。