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一、諧振

當(dāng)諧波與并聯(lián)電容器在低壓電網(wǎng)中并存時,最怕的就是引發(fā)串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振。

1 、串聯(lián)諧振

若諧波來自電源系統(tǒng),則變壓器的電抗和低壓并聯(lián)電容器的電容在一定的參數(shù)下配合,就能引發(fā)串聯(lián)諧振,文獻[1]有數(shù)字實例,一臺Uk為6%的1000kVA變壓器,在低壓母線上接有160kVar的并聯(lián)電容器,結(jié)果引發(fā)了11次諧波的諧振,使電容器中的11次諧波電流達175A,電容器中的基波電流只有233A,總有效電流Iceff為313A,過載1.35倍,已超過允許值1.30倍。負載母線上11次諧波電壓畸變系數(shù)達6.9%,也已超過允許值,而低壓電源(含變壓器阻抗ZT在內(nèi))母線上的畸變率只有1.5%。

2、并聯(lián)諧振

若諧波源來自低壓側(cè)的非線性負荷,例如變頻器,則變壓器的電抗(加上電源系統(tǒng)的少量電抗)和低壓側(cè)的電容可構(gòu)成并聯(lián)諧振,文獻[1]也有數(shù)字實例,低壓側(cè)接有300kvA的驅(qū)動裝置,其它如變壓器和電容器參數(shù)同,1.1節(jié)串聯(lián)諧振中的實例,結(jié)果引發(fā)11次諧波的并聯(lián)諧振,使電容器中11次諧波電流達到212A,已大于電容器中基波的90%,總有效電流達334A,過載1.45倍,也超過允許值1.30倍,其實負載的11次諧波電流才39A,又11次諧波電壓的畸變率已達8.3%,大大超過允許值。

二、避免諧振的措施

措施之一為改變網(wǎng)絡(luò)元件的電抗電容量值,然而,它的可能性不大,特別當(dāng)電容器組是自動控制的場合,將有許多諧振條件都要考慮。同時要注意,即使系統(tǒng)參數(shù)只是接近諧振頻率也能使電容器組過電流和電壓畸變率超過標準。

最常用的方法是與電容器串聯(lián)一個電抗器,調(diào)諧的諧振頻率低于網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生的最低次諧波的頻率,這樣,無論是串聯(lián)諧振還是并聯(lián)諧振就不會發(fā)生。

現(xiàn)代的工業(yè)和建筑物電網(wǎng)中完全沒有諧波電壓和電流是不可能的,那么是否凡并聯(lián)電容器都要串電抗器呢？那也不一定,如果需要串,電抗值取多少呢？下面著重討論1000V以下低壓電網(wǎng)情況。

1、并聯(lián)電容器組(不串電抗器)

當(dāng)不存在諧振條件即電網(wǎng)的電抗值和并聯(lián)電容器的電容值所構(gòu)成的諧振頻率比較高而負載產(chǎn)生的諧波電流和母線的諧波電壓又很低時,此時,不需要考慮降低諧波值,但是IEC標準[1]并未給出劃分界線的具體數(shù)據(jù)。筆者認為,諧波次數(shù)≥17就可以不考慮,即諧振頻率≥17次諧波。

15次諧波是3的整數(shù)倍,一般只存在于單相220V的設(shè)備中,這樣只考慮到了13次就可以了。什么場合一定要串聯(lián)電抗,GB對此問題沒有提及,廠家在樣本中規(guī)定的條件為GN/SN<15%,GN為產(chǎn)生諧波設(shè)備的功率。SN為變壓器視在功率。筆者認為產(chǎn)生諧波的設(shè)備類型有幾種,發(fā)射諧波電流的大小也不同,還與一些外部條件的變動有關(guān)。因此,規(guī)定 GN/SN<15%似乎并不明確說明什么問題,還不如IEC標準[的條件,至少概念上是明確的。

2、失諧濾波器(detuned filter)

失諧濾波器是一種濾波器,它的調(diào)諧頻率比有相當(dāng)大(considerable),電壓(電流)副值的最低次諧波頻率還要小過10%多。

單臺鐵殼式并聯(lián)電容器

這類電容器量大面廣,單臺容量一般是50、100、200、334kvar等多種,還有更大容量（例如500kvar及以上容量）的產(chǎn)品問世,一般100kvar以上容量的產(chǎn)品帶有內(nèi)熔絲。這種產(chǎn)品一旦損壞,用戶可以很快用備品自行更換,及時讓裝置恢復(fù)運行,因此采用此類產(chǎn)品時投運率高。加之可以配置外熔斷器,保護相對比較完善。220kV、特別是330kV及以上電壓等級變電站大多采用單臺鐵殼式并聯(lián)電容器。也有越來越多的人為了提高電容器的防銹防腐能力,要求用不銹鋼板代替普通鋼板生產(chǎn)電容器。即使如此,也有的還要在其表面噴涂防紫外線漆；這樣的防護層即可防銹防腐蝕,又可大大減少紫外線輻射對電容器溫升的負面效應(yīng),從而延長電容器的使用壽命。

這種款式的電容器中,我國二三十年間一直以內(nèi)熔絲電容器為主,即電容器內(nèi)部每個元件上都配裝一根小熔絲。近幾年來出現(xiàn)了無熔絲電容器,是一種既無內(nèi)熔絲、也無外熔絲的電容器。20世紀70年代以前,國內(nèi)生產(chǎn)的全紙電容器與早期的紙膜復(fù)合電容器,白于當(dāng)時內(nèi)熔絲還處在研究階段,不可能采用到產(chǎn)品中去,保護電容器的專用外熔斷器也是從1980年起才開始研制。電容器出現(xiàn)內(nèi)部元件擊穿后,全依靠電磁式繼電器來保護,所以當(dāng)時的電容器都是完全的無熔絲電容器。隨后內(nèi)外熔絲的相繼應(yīng)用,使我國的無熔絲電容器消失了約30年。此間雖然也一直存在無內(nèi)熔絲電容器,但要配置外熔絲后才允許使用。

無熔絲全膜電容器有與前不同的新含義,越過了晶體管繼電器、集成電路繼電器階段,直接進入了微機保護時代。我國無熔絲電容器內(nèi)部元件的連接方式,有以下三種：

(1)傳統(tǒng)的占主導(dǎo)地位的元件先并聯(lián)后串聯(lián)的方式。內(nèi)部并聯(lián)元件數(shù)量比較少,不宜配置內(nèi)熔絲的小容量電容器（例如lO0kvar以下）,一直沿用這種接線方式。

(2)內(nèi)部元件先串聯(lián)后并聯(lián)的方式,即最近又被重新倡導(dǎo)的一種接線方式。

(3)內(nèi)部元件既有串聯(lián)成分,也有并聯(lián)成分,但與上述兩種接線方式不同,串中有并,并中有串,屬于混合連接方式。這樣的接法沒有統(tǒng)一的格式,需要根據(jù)設(shè)計時對單臺容量大小與保護上的要求而定。

這類電容器不宜用于lOkV級電容器成套裝置。先串后并的元件接線方式雖然在三者中相對來說好一些,其單臺容量也不宜做得大于lOOkvar。無熔絲電容器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,損耗與制造成本較低。

箱式并聯(lián)電容器

該電容器外形和中小型變壓器相似,內(nèi)部為去掉鐵殼的單臺電容器芯子,按設(shè)計要求若干個串并聯(lián)、預(yù)留散熱油道、抽空脫氣后注滿合格的油而成。這種產(chǎn)品單臺容量較大(500kvar及以上),內(nèi)部出現(xiàn)損壞元件后,一旦炭黑析出并擴散,則基本無法修理了。

集合式并聯(lián)電容器

這款電容器按其結(jié)構(gòu)分,有半密封和全密封兩大類。儲油柜加干燥過濾器的,入口處無論有無油封,屬于前者；無儲油柜而在箱體內(nèi)部用其他方式來補償油位冷熱變化的,屬于后者。研發(fā)的一種電動調(diào)容產(chǎn)品,運行實踐表明不太可靠,它的活動觸點在油里面,久而久之很容易出現(xiàn)接觸不良,可能產(chǎn)生局部過熱,加上在兩個端子間轉(zhuǎn)接瞬間會產(chǎn)生相位問題,可能引發(fā)麻煩,因此可采用斷電后用開關(guān)手動調(diào)容的方法。

該電容優(yōu)點突出,缺點也突出。其主要優(yōu)點是安裝方便、維護工作量小、節(jié)省占她面積。而其缺點主要是給用戶帶來不便,它的維護工作量雖小,但對它的觀察很不直觀,不能放松對其容量變化的關(guān)注；特別是在有諧波的場所,對其容量的變化必須時刻注意。隨著運行時間的推移,內(nèi)熔絲可能會逐步動作,從而引發(fā)三相電容量失衡,這一故障很難在現(xiàn)場修復(fù),返廠修理又費時間,影響電容器的投運率。再者因此引起的并補裝置串聯(lián)電抗百分率的變化,大到一定程度時會遠離預(yù)定目標,甚至帶來麻煩。特別是選取4. 5%電抗百分率的并聯(lián)補償裝置,應(yīng)事先做好預(yù)案,一旦這個百分率出現(xiàn)下滑向4%靠近時,要有可靠的應(yīng)對措施。更值得注意的是,電容器高壓出線套管下端（在油中）對地閃絡(luò)或擊穿時,對地保護有“死區(qū)”�！恫⒙�(lián)電容器裝置設(shè)計規(guī)范》(GB 50227 ——1995)及相關(guān)國家行業(yè)標準均對此沒有針對性措施；一旦發(fā)生這類事故,只能待其發(fā)展到元件損壞而出現(xiàn)不平衡電壓或電流后,才能迫使后備繼電保護動作。運行實踐表明已有這類事故發(fā)生,而且都是惡性事故。因此在投運該類產(chǎn)品時,應(yīng)考慮對此問題加以防范。其實這類事故的起因是對地絕緣失效,在保護上存在盲區(qū)造成的。后備保護動作是事故已經(jīng)擴大,導(dǎo)致集合式電容器嚴重損壞,產(chǎn)生了不平衡電壓或電流后的補救揩施,現(xiàn)有保護不能對這類惡性事故起到預(yù)防作用。

近年來并聯(lián)補償裝置實際運行的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,集合式電容器的年損壞率大約是單臺鐵殼式電容器的4倍,有些地區(qū)還要高一些；加上現(xiàn)場無法維修等因素,近年來這類產(chǎn)品的市場份額呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢。

半封閉式并聯(lián)電容器

半封閉式并聯(lián)電容器是將單臺電容器套管對套管臥放在特制的鋼架上,然后封閉其導(dǎo)電部分（地電位部分不封閉）而成的組裝體�？啥鄬硬挤�、向高空發(fā)展以節(jié)省占地面積。這種產(chǎn)品對電容器單元的浸漬工藝要求較高,最好要裝外熔絲,否則難以保證運行安全。該類產(chǎn)品由ABB公司生產(chǎn),國內(nèi)亞熱帶地區(qū)有他們的產(chǎn)品,已安全運行10多年。國產(chǎn)的早期出過一些問題,也有人主張禁止使用,但改進后的產(chǎn)品已有10年以上安全運行記錄。

干式并聯(lián)電容器

該電容器是將低壓金屬化膜技術(shù)移植過來,若干個元件串、并聯(lián)后制成高壓電容器,因而仍具有自愈特性,而且符合產(chǎn)品無油化的發(fā)展方向。無油電容器不會像人們期待的那樣不燃燒,電容器內(nèi)部的聚丙烯基膜在條件具備時仍會著火。另外,自愈式電容器也不能萬無一失,每次局部擊穿后都能可靠自愈。實踐證明不“自愈”（即自愈失效）的概率是存在的,因此這種產(chǎn)品設(shè)計時必須要有切實的防火措施和特殊的保護措施,方能確保安全運行。

充氣式并聯(lián)電容器

這款電容器實際上是油氣并存,即將集合式產(chǎn)品箱體內(nèi)的油換成氣體,內(nèi)部的單臺鐵殼產(chǎn)品仍然是油浸的。由于氣體導(dǎo)熱性能不及液體,所以這類產(chǎn)品在這一方面要有特別措施,以便散熱可靠。熱管技術(shù)是其中常用的一種。但是,這類產(chǎn)品的實際表現(xiàn)不盡如人意；其原因之一是氣體的泄漏無法及時自動報警,同時還要給斷路器發(fā)出跳閘信號,以便適時切除電容器,防止氣體泄漏導(dǎo)致絕緣水平下降引起惡性事故。