【正文】 高峰期，用戶末端電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)，而用電低谷期，末端電壓又遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國家標(biāo)準(zhǔn)，不僅電能浪費(fèi)十分嚴(yán)重，大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 而且影響用電設(shè)備的使用壽命。因此，在公用變低壓側(cè)進(jìn)行無功功率補(bǔ)償已成為目前提高供電水平、降低無功損耗急需解決的問題。從宏觀角度看，整個(gè)電網(wǎng)的無功潮流分布不平衡。目前，國內(nèi)無功補(bǔ)償主要采用變電站集中補(bǔ)償和企業(yè)就地補(bǔ)償兩種形式。這兩種形式都是基于某一個(gè)采樣點(diǎn)的無功情況進(jìn)行補(bǔ)償，不能綜合考慮整個(gè)電網(wǎng) 的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，而無功潮流在整個(gè)電網(wǎng)上是動(dòng)態(tài)分布的，傳統(tǒng)的補(bǔ)償方法無法解決無功潮流分布不平衡、電壓波動(dòng)大等問題。 發(fā)、供電部門，除了供給用戶的有功負(fù)荷之外，還要供給用戶以無功負(fù)荷。對一般工業(yè)用戶而言，要求功率因數(shù)為 ，即供應(yīng)每兆瓦時(shí)有功電量，則免費(fèi)供應(yīng)無功電量為 619kVara 這種搭配比例已不適應(yīng)大電力系統(tǒng)發(fā)展，因?yàn)榇箅娋W(wǎng)的高壓輸變電設(shè)備輸送無功的損耗很高，并且隨負(fù)荷波動(dòng)變化很大，同時(shí)大多數(shù)民用電器不帶補(bǔ)償裝置，因此，理想的辛日嘗方案是無功就地供應(yīng)，自動(dòng)調(diào)整。目前，國內(nèi)對用于城市配電網(wǎng)公用變低壓側(cè)的無 功自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的研究正在起步。一些地區(qū)推出了戶外型無功固定補(bǔ)償和自動(dòng)補(bǔ)嘗裝置，但由于戶外環(huán)境惡劣，系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性不高，難以滿足現(xiàn)場運(yùn)行要求，并且依舊不能綜合考慮整個(gè)電網(wǎng)的運(yùn)行情況 [1] [2]。 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 第 2 章 無功補(bǔ)償裝置及補(bǔ)償方式分析 無功補(bǔ)償裝置 從目前國內(nèi)外無功補(bǔ)償裝置的應(yīng)用情況看，無功補(bǔ)償裝置主要有同步調(diào)相機(jī)、井聯(lián)電容器和靜止補(bǔ)償器等三種。 同步調(diào)相機(jī) 同步調(diào)相機(jī)是特殊運(yùn)行狀態(tài)下的同步電機(jī)，可視為不帶有功負(fù)荷的同步發(fā)電機(jī)或是一種不帶機(jī)械負(fù)載的同步發(fā)電機(jī)。它可以過勵(lì)磁運(yùn)行，也可以欠勵(lì)磁運(yùn)行 ，運(yùn)行狀態(tài)根據(jù)系統(tǒng)的需要來調(diào)節(jié)。當(dāng)它過勵(lì)磁運(yùn)行時(shí)，將向電網(wǎng)發(fā)出無功功率；欠勵(lì)磁運(yùn)行時(shí)，將從電網(wǎng)吸收無功功率。同步調(diào)相機(jī)一般裝設(shè)自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置，能自動(dòng)地在電網(wǎng)電壓降低時(shí)增加輸出無功以維持電壓，在有強(qiáng)勵(lì)裝置時(shí)，在電網(wǎng)故障情況下也能調(diào)整系統(tǒng)電壓保證繼電保護(hù)裝置的正確動(dòng)作，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。 同步調(diào)相機(jī)是最早采用的一種無功補(bǔ)償設(shè)備，實(shí)際上是專門的無功功率發(fā)電機(jī)。它的優(yōu)點(diǎn)是可以平滑地改變無功功率的大小和方向，調(diào)整電壓平滑，單機(jī)容量可以做得較大，因此無功輸出容量基本不會(huì)受到限制，更重要的是，它可以有效地支撐電網(wǎng)的電 壓提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。它的缺點(diǎn)是投資大，損耗高，運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜。同步調(diào)相機(jī)的安裝一般至少需要一年以上，而且在投入運(yùn)行時(shí)要消耗有功功率。一般同步調(diào)相機(jī)在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，有功功率損耗為額定容量的 25%，容量越小，所占比重越大。此外，由于它是一種旋轉(zhuǎn)設(shè)備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要有一整套輔助系統(tǒng)，維護(hù)工作量大，需要專門的運(yùn)行和維修人員，并且在定檢查期間還影響電網(wǎng)的無功功率供應(yīng)。因此隨著電網(wǎng)網(wǎng)架的加強(qiáng)和并聯(lián)電客器技術(shù)的迅速發(fā)展，許多國家己經(jīng)不再新增加同步調(diào)相機(jī)做為無功補(bǔ)償裝置。 并聯(lián)電容器 并聯(lián)電容器的結(jié)構(gòu)比較簡單，主 要由芯子、油箱和出線三部分組成。芯子由若干電容元件按規(guī)定的串并聯(lián)法組成，外部以絕緣板和緊固件壓裝，再裝入鋼板制成的油箱，電容元件按一定厚度和層數(shù)的介質(zhì)和兩張鋁箔做為電極，按一定圈數(shù)卷繞后扁壓而成并聯(lián)電容器廣泛應(yīng)用于變電所、配電網(wǎng)和用戶當(dāng)中，是電力系大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 統(tǒng)中一種重要、普遍的無功補(bǔ)償設(shè)備。它的作用就在于重負(fù)荷時(shí)發(fā)出感性無功，補(bǔ)償負(fù)荷所需。以減少輸送感性無功而在線路上產(chǎn)生的電壓降落，提高負(fù)荷端電壓。 并聯(lián)電容器的優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)、靈活、損耗低、安裝維護(hù)方便。并聯(lián)電容器是最便宜和最簡單的無功補(bǔ)償裝置，于同步調(diào)相機(jī)比較，其安裝 費(fèi)用僅為同步調(diào)相機(jī)的 1/4～ 1/6，而且容易安裝，兩三個(gè)月即可投入運(yùn)行。電容器的損耗低、效率高，油紙電容器的損耗低于額定容量的 %，近代電容器的損耗已經(jīng)降低到 %～%以上。并聯(lián)電容器的應(yīng)用范圍非常廣泛，容量可大可小，可以集中安裝在中心一次變電所、不同電壓登記的一次變電所，也可以分散安裝在中低壓配電網(wǎng)和廠礦用戶，靈活性較大。另外，并聯(lián)電容器是靜止設(shè)備，運(yùn)行維護(hù)簡單，不需要額外的運(yùn)行和維修人員，運(yùn)行費(fèi)用低，它還沒有噪音，在戶內(nèi)戶外安裝均可。并聯(lián)電容器所發(fā)出的無功功率與其端電壓的平方成正比，當(dāng)端 電壓下降時(shí)，它補(bǔ)償?shù)臒o功功率也將減小，另外，它發(fā)出的無功功率不是連續(xù)調(diào)節(jié)的，只能分成若干小組階梯式地調(diào)節(jié) ，這是并聯(lián)電容器的不足之處。盡管如此，由于電容器技術(shù)的不斷改進(jìn)和低廉的價(jià)格，并聯(lián)電容器已經(jīng)成為電力系統(tǒng)的上要無功能源和電網(wǎng)無功補(bǔ)償?shù)碾娋W(wǎng)無功補(bǔ)償裝置的首要選擇對象。 靜止補(bǔ)償器 靜止補(bǔ)償器是近年來發(fā)展起來的一種動(dòng)態(tài)無功功率補(bǔ)償裝置。它是將電力電容器與電抗器并聯(lián)起來，電容器可發(fā)出無功功率，電抗器可吸收無功功率，兩者結(jié)合起來使用。通常由電容器、飽和電抗器或線性電抗器、濾波器、晶閘管和專用調(diào)節(jié)器等靜 止設(shè)備組成，利用可控硅開關(guān)來分別控制電容器組與電抗器的投切，這樣它的性能完全和同步調(diào)相機(jī)一樣，即可以發(fā)出感性無功，又可以發(fā)出容性無功，并能依靠自動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)對穩(wěn)定電壓，提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性以及減弱動(dòng)態(tài)過程等均起著較大的作用，因此日益受到重視，不在不斷發(fā)展與完善之中。 靜止補(bǔ)償器的主要優(yōu)點(diǎn)是無功調(diào)整范圍大、投入迅速，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快等。缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，上要適用于較大沖擊負(fù)荷用戶的就地補(bǔ)償和用于電力系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的無功補(bǔ)償?shù)取? 高壓無功補(bǔ)償裝置 高壓無功補(bǔ)償裝置廣泛地采用高壓并聯(lián)電容器。高壓并聯(lián)電容 器裝設(shè)在變電站主變壓器的低壓側(cè)，作用是對電網(wǎng)無功進(jìn)行補(bǔ)償，提高電網(wǎng)功率因數(shù)，減少線損，改善電壓質(zhì)量，充分發(fā)揮供電設(shè)備的效率。高壓并聯(lián)電容器按結(jié)構(gòu)型式可分大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 為散裝框架式和集合式。 散裝框架式并聯(lián)電容器，是將帶鐵殼的單臺(tái)電容器按一定順序放置在框架上，設(shè)備四周設(shè)置圍欄這類產(chǎn)品在我國應(yīng)用范圍最廣，并有著豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。散裝框架式并聯(lián)電容器的優(yōu)點(diǎn)是布局清晰，安全距離和絕緣距離較大，由于采用單臺(tái)外熔絲保護(hù)電容器發(fā)生故障時(shí)，外熔絲示意牌掉下，運(yùn)行人員能夠很快地發(fā)現(xiàn)故障電容器并及時(shí)更換，為裝置重新投入運(yùn)行爭取了時(shí)間。散裝框架 式并聯(lián)電容器的缺點(diǎn)是占地面積較大，單元件容易損壞，維護(hù)工作量大，另外，由于普遍安裝在室外，還要采取防雨、防曬措施。隨著變電所所址選擇向城市負(fù)荷中心發(fā)展，和變電設(shè)備的小型化，散裝框架式并聯(lián)電容器逐步被集合式并聯(lián)電容器所取代。 集合式并聯(lián)電容器又稱密集型并聯(lián)電容器，它由內(nèi)部電容器單元、框架、箱體及出線套管組成，它的外形像一臺(tái)中型變壓器，箱體內(nèi)充滿變壓器油，起絕緣與冷卻作用。并聯(lián)電容器采用小元件加內(nèi)熔絲的保護(hù)。電容器單元內(nèi)每個(gè)小元件串有一熔絲，當(dāng)某個(gè)小元件擊穿，其他完好元件對其放電，使熔絲迅速斷開，切除故障元件。 因容量僅有微小變化，故裝置仍能繼續(xù)正常運(yùn)行。 隨著電容器技術(shù)的發(fā)展，近年來集合式并聯(lián)電容器裝置的產(chǎn)品日益多樣化。如按相可分為單相和二相式， 35kV 電壓等級(jí)一般為二相式， 110kV電壓等級(jí)產(chǎn)品為單相式。按密封性可分為全密封和、半密封式，全密封結(jié)構(gòu)是指裝置箱體外殼的連接采用焊接方式，而半密封結(jié)構(gòu)的箱體頂部采用螺栓與箱體固定，事故發(fā)生時(shí)可打開箱蓋在廠家技術(shù)人員的協(xié)助下進(jìn)行故障維修。 35kV電壓等級(jí)按對地絕緣分可分為全絕緣和半絕緣產(chǎn)品。特別是，電容器技術(shù)己由過去的固定容量發(fā)展到容量可調(diào)，通過抽頭或轉(zhuǎn)換開關(guān)可實(shí)現(xiàn)分檔 調(diào)容，調(diào)容式產(chǎn)品的出現(xiàn)可避免因容量固定，無法兼顧建站初期與終期負(fù)荷相差較大，初期裝置投不上的弊病。另外，容量可調(diào)可以使電容器隨負(fù)荷的變化靈活地調(diào)整，更好地發(fā)揮無功補(bǔ)償裝置的作用。 集合式電容器的優(yōu)點(diǎn)是占地面積小，安裝維護(hù)方便。適用于變電站戶外集中補(bǔ)償，因此在近年的城鄉(xiāng)電網(wǎng)建設(shè)與改造中得到了大量的應(yīng)用，并在電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行中也積累了許多寶貴的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，尤其是在一些無功補(bǔ)償容量較小的中小型變電站中，運(yùn)行情況非常令人滿意。集合式電容器也有缺點(diǎn) :如在運(yùn)行中，設(shè)備一旦出現(xiàn)故障，故障點(diǎn)不易查找，且需對設(shè)備進(jìn)行吊芯及絕緣油的 凈化處理，而用戶往往沒有自行維護(hù)修理的條件，只能與廠方聯(lián)系，給運(yùn)行帶來不便。集合式并聯(lián)電容器占地面積小，雖初步了達(dá)到小型化的要求，但仍屬于充油設(shè)備，如何實(shí)現(xiàn)無油化和更好地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投切是今后的土要發(fā)展方向。 高壓并聯(lián)電容器在固體絕緣介質(zhì)方面，己由過去的電容器紙，發(fā)展到采用紙和聚丙烯薄膜的復(fù)合介質(zhì)，最近又進(jìn)展到全部采用聚丙烯薄膜的全膜電容器。聚大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 丙烯薄膜的耐壓強(qiáng)度和機(jī)械強(qiáng)度都很高，損失角很小，吸水性低，而且化學(xué)穩(wěn)定性和電老化性能好，用它代替電容器紙，可降低介質(zhì)損耗，提高上作電場強(qiáng)度，因而可以提高電容器的容量。但是 由于表面光滑的薄膜滲透性差，夾層間氣體很難排出，因而在膜間夾以電容器紙，利用紙纖維的毛細(xì)管作用改善油的滲透能力，這種電容器就是復(fù)合膜電容器。為了改善薄膜的滲透性，又制成了表面粗化的薄膜，由此可以制成全膜無紙的電容器。全膜電容器不但比特性和電氣性能好好，而且當(dāng)內(nèi)部故障擊穿后，薄膜熔化使極間短路，不會(huì)產(chǎn)生電弧，因而避免油分解后產(chǎn)生的壓力，減少油箱爆裂的可能性 [1] [3]。 中壓線路無功補(bǔ)償裝置 中壓線路無功補(bǔ)償裝置就是 10kV線路并聯(lián)電容器。隨著社會(huì)的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及城市電網(wǎng)建設(shè)與改造步伐 的明顯加快， 10kV線路并聯(lián)電容器近年來也經(jīng)歷了一段新的發(fā)展過程。以前的 10kV并聯(lián)電容器是油浸箔式電容器，連接于 10kV配電線路上時(shí)，須要安裝隔離開關(guān)。這種電容器在實(shí)際運(yùn)行中，性能并不可靠，時(shí)有故障發(fā)生。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)電容器外殼發(fā)生破裂，不僅使內(nèi)部浸漬的絕緣油外泄，污染周圍的環(huán)境，而且造成 10kV配電線路故障，影響供電可靠性。因此采用這種電容器做為中壓線路無功補(bǔ)償裝置，雖然在降低損耗，提高電壓合格率方面起到了一定的作用，但這是以犧牲供電可靠性為代價(jià)的，在城市電網(wǎng)建設(shè)與改造規(guī)劃導(dǎo)則中，已明確提出不再采用這種無 功補(bǔ)償裝置。 1998 年，國內(nèi)研制成功了一種新型 10kV 并聯(lián)電容器 干式自愈型并聯(lián)電容器。干式自愈型電容器元件采用金屬化薄膜卷制，金屬化膜卷繞后端部噴涂金屬并用導(dǎo)線焊接引出，元件外部采用樹脂灌封以隔絕空氣。金屬化膜則采用在聚丙烯薄膜表面，蒸鍍層薄的金屬充當(dāng)電極，薄膜表面蒸鍍采用的金屬材料主要有鋁和鋅兩種。為提高電極電容量穩(wěn)定性，一般采用鋁鋅復(fù)合膜，或銀鋅復(fù)合膜。金屬鍍層的厚度對電容器性能影響很大，鍍層越薄擊穿場強(qiáng)越高，自愈時(shí)所產(chǎn)生的能量越低。但鍍層越薄，元件端部噴金部分與鍍層邊緣的接觸電阻越大，在合閘涌流的 作用下，接觸電阻發(fā)熱會(huì)導(dǎo)致電容量下降，損耗增大。為解決這一矛盾，采用鍍層邊緣加厚技術(shù)，并提高制造工藝。干式自愈型電容器元件采用內(nèi)熔絲保護(hù)和極間并聯(lián)一個(gè)小保護(hù)元件，故障時(shí)保護(hù)元件接通造成極間金屬性短路，由內(nèi)熔絲動(dòng)作切除故障元件。在電容器內(nèi)部充填蛙石，起阻燃防爆作用進(jìn)一步保證單元電容器不爆炸不燃燒，提高工作可靠性。 干式自愈型并聯(lián)電容器的特點(diǎn)是當(dāng)介質(zhì)發(fā)生擊穿時(shí)，擊穿點(diǎn)周圍可以立即蒸發(fā)掉極小部分的金屬化鍍層電極，恢復(fù)絕緣性能，由于損失的面積較小，對電容大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 量影響不大，因此電容器若發(fā)生擊穿時(shí)，可繼續(xù)使用。它的優(yōu)點(diǎn)是體積 小、自愈性能強(qiáng)、損耗低、無污染、不燃燒、不爆炸、安全可靠，目前得到了迅速的推廣和使用。干式自愈型小容量電容器可以連接于 10kV配電線路上使用，不需要另外安裝開關(guān)及保護(hù)熔絲。這樣不僅節(jié)約了投資費(fèi)用，也減少了運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。干式自愈型并聯(lián)電容器己成為一種新型中壓線路無功補(bǔ)償裝置。 低壓無功補(bǔ)償裝置 低壓無功補(bǔ)償裝置的核心元件是低壓電容器。低壓無功補(bǔ)償裝置的應(yīng)用范圍較廣，可安裝于配電變壓器低壓側(cè)做為低壓臺(tái)區(qū)無功補(bǔ)償 :也安裝于單臺(tái)低壓電動(dòng)機(jī)附近隨電動(dòng)共同啟停實(shí)現(xiàn)就地補(bǔ)償；還可用于工廠車間配電房或賓館、大樓配電間 進(jìn)行無功補(bǔ)償。 近年來，低壓無功補(bǔ)償裝置發(fā)展較快。電容器型式從油浸式發(fā)展到干式或充SF6 的自愈式并聯(lián)電容器 :控制方式從不能分組投切，或分時(shí)段分組投切，發(fā)展到隨負(fù)荷變化的動(dòng)態(tài)分組投切 :補(bǔ)償方式從二相共補(bǔ)發(fā)展到分相補(bǔ)償 :投切方式從采用交流接觸器進(jìn)行投切，到選用晶閘管開關(guān)電路投切，最近又發(fā)展到等電壓投、零電流切的最佳投切模式；裝置功能從單一無功補(bǔ)償發(fā)展到除無功補(bǔ)償外，還同時(shí)具有濾波及抑制諧波的功能，以及通訊、記憶、“三遙”功能等，形成了智能化的低壓并聯(lián)電容器無功補(bǔ)償裝置。智能型的低壓無功補(bǔ)償裝置除具有以上技術(shù)特點(diǎn) 外，針對低壓配電網(wǎng)的不對稱度很大，三相電流不平衡等特點(diǎn)，通過采集到的三相電壓、電流信號(hào)，以無功電流為控制量，做為電容器投切的判據(jù)，這種檢測方法簡單，補(bǔ)償效果與電網(wǎng)電壓的波動(dòng)無關(guān)，這樣可以很好地避免過去的低壓無功自動(dòng)補(bǔ)償裝置因采用功率因數(shù)作為電容器投切的判據(jù)，輕載時(shí)容易產(chǎn)生投切震蕩，重載時(shí)又不易達(dá)到充分補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn)，使裝置的性能更加可靠。 智能型的低壓無功補(bǔ)償裝置的投切開關(guān)是采用固態(tài)繼電器和接觸器相結(jié)合的設(shè)備。這種裝置既保證了裝置的響應(yīng)速度和安全可靠性，又降低了裝置本身的能耗，固態(tài)繼電器處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，能耗比較 大。只要保證可控接觸器零電壓投，零電流切，就能保證裝置的安全運(yùn)行。