并聯電容器裝置參數化與標準化研究

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任公司，陜西 西安 710082）

0 引言

近年來，隨著電力系統的迅速發展，電壓等級不斷提高，輸電能力也在不斷增強。隨著電壓等級的提高和輸電距離的增加，無功補償技術及其配套的設備也有著很大進步，尤其是并聯電容器裝置，其更是得到空前的發展。從最初的10 kV、35 kV向高電壓、大容量方向發展。目前，系統運行的并聯電容器最高電壓等級已達到1 000 kV［1-3］。

并聯電容器作為最主要的無功補償設備，可用于電力系統、高壓試驗、工業設備及其他現代科學技術裝備中，在電力系統中的應用占比最高。目前，并聯電容器裝置被廣泛應用于電力系統中，尤其是在10 kV、35 kV配電網絡中。本研究以10 kV電壓等級的并聯電容器裝置為例，對并聯電容器裝置的參數化與標準化進行研究，為今后電容器標準化的開展提供參考。

1 電容器裝置

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

并聯電容器在交流電力系統中與負荷并聯，其類似于一個容性負荷，向系統發出容性無功功率。并聯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，在網數量最多的是框架式電容器裝置，其結構清晰、檢修便捷、經濟性好。相同電壓等級、相同容量、不同結構形式的電容器裝置主要元器件的電氣參數相同，只是安裝方式與使用環境不同。

在對并聯電容器裝置進行設計制造時，額定電壓宜與安裝處母線的實際運行電壓計入因串聯電抗器引起的穩態電壓升高相適應，整體容量的選擇應依據變壓器的容量進行計算，一般按變壓器裝機容量的15%～30%來配置電容器裝置的容量，其額定值與負荷的有功功率、補償前后的功率因數均有關。

電容器裝置由開關柜、串聯電抗器、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。當需要分組自動投切時，可增加控制屏、投切屏、保護屏。開關柜為電容器組的切合設備，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，單元電容器的參數選取與電容器裝置的參數有關。如裝置型號為TBB10-1000/334-AKW，TBB表示并聯電容器裝置、10表示裝置額定電壓（kV），1 000表示裝置總容量（kvar），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方式及使用環境，單星形開口三角保護戶外型。系統中主要為5次及以上諧波時，一般選取5%的電抗率，對應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行連接，連接成系統需要的接線方式，從而實現無功補償功能。

單元電容器內部由芯子、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的方式組成。芯子外部進行絕緣包繞，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品［1］。

3 電容器裝置及單元電容器的選型

結合國家電網、南方電網近幾年的輸變電系統建設情況及近三年電容器裝置的招標情況，就10 kV電容器裝置而言，兩網的標準化程度較高。國網針對不同的電力裝備制定了《國家電網有限公司輸變電工程通用設備》手冊，對各類電氣設備（如主變、斷路器、互感器、開關、避雷器、電容器等）進行明確的規定。其中，對電容器裝置一次、二次接口做了明確的規定，圍欄尺寸、典型配置及元器件等參數也進行了規定。對電容器廠家而言，應嚴格按照各類規定來提供設備。

依據裝置容量對單元電容器進行選配，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。通過不同的串并聯方式對單元電容器進行電氣連接，從而實現無功補償，表1為國網、南網招標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 單元電容器參數化與標準化研究

4.1 電容器標準化現狀

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

從目前對市場調研結果來看，在電容器標準化方面，電容器制造廠商依據國網公司、南網公司制定的標準進行生產，重點是外形尺寸（長寬相對固定，主要調整高度）、產品型號（主要以兩網需求的容量為準）的標準化。部分廠商在原材料選取方面實現標準化，如統一鋁箔厚度標準、所有薄膜選擇雙面粗化聚丙烯薄膜等，但受元件容量、場強、電壓等因素的影響，造成原材料的規格多樣，標準化程度仍然較低。

4.2 電容器標準化方向

按國家相關標準中的規定，元件電壓不宜大于2.5 kV。但元件數量、元件容量的選取并無明確規定，各廠商會根據自身情況來選定參數并設計制造元件。一般額定電壓相同的單元電容器，容量越大，元件數量就越多［4-5］。

相對產品型號的標準化，內部元件的標準化程度較低，一般是由生產廠商的設計、生產習慣來決定的。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，對應的常用元件電氣基本參數見表2（內部材料的選型不同可派生出不同的膜厚及層數、場強等，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，但其內部元件數卻不成比例，要加工出3種不同容量的元件，對應的薄膜厚度、場強參數等要依據元件電氣參數進行選型。

表2 三種單元電容器內部元件信息（標準化前）

在實際生產中，要儲備3～5種不同的薄膜來滿足3種容量的電容器生產需求，薄膜庫存量大，不可混用。即便是生產完成后也不可混用、不可替代，無法實現批量加工。

目前，電容器元件大多采用的是自動卷制機進行加工。在生產不同元件時，要選擇不同的心軸，并設置不同的圈數等信息，3種元件的繞制要更換材料，生產過程中存在大量浪費。

本研究采用近似比例法來配置元件基本參數。將上述3種型號的單元電容器容量成比例，并對其元件進行標準化，元件膜層數、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，元件數量與電容器容量成比例。采用近似比例法得到標準化與參數化元件，見表3。

表3 三種單元電容器內部元件信息（標準化后）

采用近似比例法，3種單元電容器內部有完全 相同的元件。雖然對100 kvar、200 kvar的電容器來說，元件數量有所增加，但標準化生產可有效減少浪費，從而彌補因元件數量的增加而帶來的成本上浮。將該方法進行擴展，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，將物理問題轉化為數學問題。而統一元件的基礎電氣參數、原材料規格等信息，選取時只需確認比例即可。在多種不同的薄膜組合中，經過經濟性和電氣參數計算，從中選取適合批量生產的最優選基礎性元件，大批量的生產能提高生產效率，減少原材料儲備的規格與種類，在生產過程中不用換料，從而使生產效率大幅提高。

相同電壓等級及串聯數相同的元件，按照容量比例近似選取成比例的元件并聯數，通過電氣計算選取最合理的元件參數信息，將其參數進行固化，進而應用到所有電容器的不同容量中，不斷求同存異，減少規格與種類，提高元件的標準化程度，將不同元件參數進行固化，從而形成參數化的元件庫，實現元件的批量生產，減少不必要的重復勞動，如遇特殊容量，優先在標準的參數化元件中進行選型，以減少設計和生產的工作量。如在實際 的 生 產 中，BAM11/√3-334-1W與BAM11/√3-500-1W兩種規格的單元電容器容量比為334∶500，可近似看作2∶3，將兩種規格的元件進行統一，串并聯數分別按照3串12并、3串18并來執行。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準化元件，減少元件的規格與種類，在生產設備充足的前提下，實現單個卷制機只卷一種元件的模式。

5 單元電容器標準化對成套裝置定值的影響

依據不同容量與各電網保護習慣，10 kV電容器裝置的保護方式有開口三角保護、差動電壓保護、雙星不平衡電流保護。其中，開口三角保護用于容量不大于5 000 kvar的電容器裝置；裝置容量為6 000～10 000 kvar時，根據用戶要求選擇差動電壓保護或雙星不平衡電流保護［6-8］。目前，在國網和南網運行的設備中，開口三角保護的電容器裝置所占比例較大，本研究以此為例進行計算，驗證單元電容器內部元件標準化對保護定值的影響［9-11］。

以5%電抗率開口的三角保護為例，10 kV電容器裝置每一相的單元電容器全部為并聯關系，串聯段數量為1，其定值計算見式（1）（2）。

式中：p為每串聯段并聯電容器數；s為電容器組的串聯段數；m為單臺串聯元件組中的并聯元件數；n為單臺電容器內部串聯元件數；α為串聯電抗器的額定電抗率，%；f為故障元件組中退出運行的元件數；k為過電壓倍數，按照相關標準取1.30；KLM為保護裝置靈敏度，按照相關標準取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行的元件數比率，即f/m。以5%電抗率開口三角保護為例，Uφ為放電線圈變比為

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

按照標準中關于電容器元件電壓的相關規定，10 kV系統開口三角保護中的單元電容器元件宜選用3串結構，則n=3。

公式（3）（4）可繼續簡化為公式（5）到（7）。

由式（7）可知，在10 kV開口三角保護的電容器裝置中，熔絲熔斷比例僅與每串聯段并聯電容器臺數p有關（此處忽略f取整問題）。參數p在確定電容器裝置型號時已確定，不受單元電容器內部元件數量的影響。因此，研究元件標準化與參數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，電容器裝置保護定值Uz僅與每串聯段并聯電容器臺數p、允許熔斷的熔絲比例d這2個參數有關。而熔絲熔斷比例d與并聯臺數p有關，將式（7）代入式（3），可得10 kV系統開口三角保護的簡化公式，僅與每串聯段并聯電容器臺數p有關，可通過編輯計算器來實現快速計算，以此來簡化計算過程與周期，提高工作效率。

由上述公式可知，10 kV開口三角保護電容器裝置的保護定值Uz可簡化成僅與裝置單元電容器并聯數有關的公式，本研究的內容對定值計算不會產生不利影響，主要影響熔絲的熔斷數量。由公式（6）可知，p值確定時，在同一產品中出現故障元件概率相同的前提下，并聯元件數m越大、故障元件組中退出運行的元件數f越大，設備安全性就越好。

電容器標準化與參數化的研究對電容器保護無不利影響，且適當增多電容器內部元件數量可提高運行的安全性，表明參數化與標準化的推廣是有利的。因篇幅有限，本研究不再對差壓保護裝置進行贅述。

6 結語

本研究以10 kV開口三角保護接線方式的電容器裝置為例，對并聯電容器裝置參數化與標準化進行研究，指出單元電容器標準化的思路為元件標準化。元件標準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行統一，客觀列舉目前常用產品的內部元件信息，并對比元件統一前后的基本信息。本研究通過定性研究來闡述元件標準化后對保護定值計算不會帶來不利影響，表明元件標準化對電容器的二次保護不會造成影響，可簡化部分工作流程，且適當增加元件數量后會使設備安全性得到提高，為電容器設備制造廠商產品的標準化提供思路與方向。