串联电容器及成套装置技术

1、串联电容器及其成套装置介绍串联电容器及其成套装置介绍 高和平高和平 西安西电电力电容器有限责任公司西安西电电力电容器有限责任公司西安西电电力电容器有限责任公司西安西电电力电容器有限责任公司串联电容器及其成套装置介绍串联电容器及其成套装置介绍（一）（一） 串联电容器串联电容器（二）（二） 高压串联电容器装置高压串联电容器装置（一）（一） 串联电容器串联电容器n1 串联补偿发展简介；n2 串联补偿装置在电力系统中的作用（注：题目）；n3. 串联与并联补偿有哪些不同（注：题目）？n4. 串联电容器设计中的几个争议问题（注：题目）；n5. 串联电容器设计可靠性估计；n6. 串联电容器组内部故障保护整定

2、计算；n7. 绝缘水平及绝缘配合、 成套机械强度；n8. 电容器组结构及接线原理；n9. 成套故障箱壳爆破能量计算；1 串联补偿装置发展简介n 随着交流电力系统的发展，输、配电线路的长度不断增长，相应的线路阻抗随之增大，使线路的输送能力受到限制。在中低压电网中由于线路阻抗的增大，使电压质量不能保证，从而限制了线路的送电能力，在高压远距离输电线路上，很大的线路阻抗限制了系统的稳定极限。n 1920年，美国H.M.Hobart提出将电容器接在配电变压器上，以减轻变压器负荷。n 1928年3月，美国纽约电力和照明公司所属的一条33kV线路上，首先应用电容器，使线路的输送容量自33A提高到67A。但由

3、于一些技术问题（如：电容器的过电压保护装置）没有得到解决，没有得到很大推广。1 串联补偿装置发展简介n 1950年在瑞典斯塔茨福（Stadsforsen）到哈尔斯堡（Hallsbery）480km的220kV线路上的阿尔夫塔（Alfta）建立了世界上第一条220kV的高压串联电容器站，安装容量31.4Mvar，补偿度20.4%。由于串联电容器的投入，线路输送容量从140MVA提高到175MVA，提高25%。n 我国的串补自1954年起步，先后在东北（鸡密线、齐富线）、华北（张宣线）及浙江等地区的22kV及35kV装设串联电容器补偿装置。n 1972年，我国330kV汤峪（固定式）串联补偿装置投

4、入运行。n串补装置发展情况详见 -我国串补装置一览表。 我 国 串 联 补 偿 装 置 一 览 表站站 名名三堡三堡蔚县蔚县万全万全平果平果河池河池成碧成碧百色百色三堡三堡伊冯伊冯浑源浑源上承姜上承姜奉节奉节越南越南地地 点点徐州徐州河北河北张家口张家口广西广西广西广西甘肃成县甘肃成县广西广西徐州徐州冯屯冯屯山西浑山西浑源源承德承德重庆奉节重庆奉节老街老街线线 路路阳城淮安阳城淮安大同房大同房山山丰万顺丰万顺天广天广贵广贵广碧口成县碧口成县罗平罗平-百色百色马窝马窝-百色百色阳城淮阳城淮安安伊敏冯屯伊敏冯屯内蒙北内蒙北京京上都承德上都承德万县万县-龙泉龙泉 老街老街-安沛安沛电压等级电压等级

5、kV 500 500 500 500 500 220 500 500 500 500 500500双回双回 220类型类型固定串补固定串补固定固定固定固定可控串补可控串补固定固定可控串补可控串补固定串补固定串补固定固定可控串补可控串补固定固定固定串补固定串补固定串补固定串补固定串补固定串补安装组数安装组数 2 2 4 2 2 1 2 1 2 8 2 2 2补偿度补偿度 %40固固35控控550505041.4固固30+控控1534.946.6453570补偿容量补偿容量 /套套 Mvar50037225944440076295.41212529544.3326.6466.56*4539.42*

6、4478.361097过电压保护系数过电压保护系数2.32.32.3/2.42.32.32.25/2.352.32.32.3供货商供货商西门子西门子ABBNOKIAN西门子西门子西门子西门子电科院电科院美国美国GE电科院电科院电科院电科院电科院电科院电科院电科院西门子西门子电科院电科院投运年份投运年份200020012003200320032004.1220052006200720082008.102006.82007.5串联电容器串联电容器单元单元单元并串联单元并串联10*4*2*2*211*8*2，10*2*26*2*26串串*10*2*2*2额 定 电 压额 定 电 压 kV8.8265

7、.967.3/4.986.6154.38312.45额 定 容 量额 定 容 量kvar521736.7664/598722441367.4熔丝种类熔丝种类内熔丝内熔丝内熔丝内熔丝内熔丝内熔丝内熔丝内熔丝内熔丝内熔丝内熔丝内熔丝无熔丝无熔丝箱壳尺寸箱壳尺寸mm343*178*699343*178*1140343*178*1000重量重量 kg6210082/8894100制造商制造商COOPERABBNOKIANCOOPERCOOPER西安西安ABB美国美国GEC00PERNOKIAN上 海 库上 海 库柏柏 我 国 串 联 补 偿 装 置 一 览 表站 名桂 林砚 山建 水忻 都霍 州沽 源

8、长-南-荆地 点桂林灵山县云南文山州砚山县云南红河州建水县忻都线 路墨江-红河神木-石家庄长治-南阳-荆门电压等级 kV 500 500 500 500 1000类 型固定串补固定串补固定串补固定串补固定串补安装组数2（4分段）1（两分段） 254组（远期12组）补偿度 %35%20%补偿容量 Mvar380.54*2297.44*31960+2720+1600 =（3000Mvar）过电压保护系数2.32.3供货商电科院电科院电科院电科院GE电科院投运年份予计09.320082012建串联电容器单元单元并串联4串19并额定电压 kV6.15、6.25额定容量kvarCAM6.15-558-1

9、CAM6.25-568-1熔丝种类内熔丝箱壳尺寸mm重量 kg90kg制造商桂容、西安ABB西安ABB西安ABB思源西安ABB 南阳站2720桂林-荆门、思源-长治1 串联补偿装置发展简介n 按照补偿阻抗的可控性，串联电容补偿分为：n 固定串补（FSC）和可控串补（TCSC）。n 我国串补工程18个项目，可控串补：广西平果（西门子）、碧成、伊冯（电科院）。其余为固定串补。n 电压等级分：2个220kV，15个500kV, 1个1000kV。330kV汤峪串联电容器装置（固定，72年代）单台45kvar500kV江苏三堡西门子（TCSC） 220kV碧成串补（TCSC）2004.12500kV

10、建设中的三堡二期（FSC）1000kV长治-南阳-荆门（FSC）1:1模型2. 串联补偿装置在电力系统中的作用2.1 串补装置主要作用是减小输电线路的电压降。n 当线路负荷增大时，线路上的电压损失使末端电压水平不符合负荷正常工作要求，用串联电容器补偿一部分线路电抗，使线路电压损失减少，以保障受端电压达到要求。n 在满足末端电压达到要求的前提下，甚至可以把线路的输送容量，提高到按导线发热条件所决定的容量。2. 串联补偿装置在电力系统中的作用2.2 改善电压质量减小末端电压波动。 当线路上带有大容量冲击负荷时（如：电弧炉，轧钢设备等）电压波动很剧烈，串联电容器作为一种没有延迟性没有延迟性的调压装置

11、，可以有效地用来平息这种波动。2.3 缩短线路电气长度。n 高压电网线路的电抗约占输电设备总电抗的2070%，且随着高压输电线路的不断增长，线路的稳定极限和送电能力将受到限制，串联电容器的作用相当于缩短了线路的电气长度电气长度，从而提高线路的稳定极限。2. 串联补偿装置在电力系统中的作用2.4增加线路输送容量n 线路输送容量往往是受线路电压损失所限制，在线路上串联电容器后，由于电压的损失减少，可以提高同一线路的输送容量输送容量。补偿度越大，线路的输送功率提的越高。2.5 增大线路送端功率因数n 由于功率通过电容器时产生的容性无功功率，补偿了一部分线路电抗中所消耗的感性无功功率，送端和末端电压之

12、间的相角的减小，在末端负荷功率因数不变的条件下，使线路送端的功率因数增大。2. 串联补偿装置在电力系统中的作用 2.6 减少线路有功损耗n 由于串联电容器的接入，是线路末端电压的升高，也附带地减少了线路的功率损失。串联补偿减少线损不如并联补偿减少线损的效果显著。n串补装置在电力系统中的作用归纳：串补装置在电力系统中的作用归纳： 减少线路电压降、减小系统电压波动、增加输送容量、提高减少线路电压降、减小系统电压波动、增加输送容量、提高送端功率因数和减少线路有功损失。送端功率因数和减少线路有功损失。 3. 串联与并联补偿有哪些不同？（GE）3.1串联与并联补偿的作用不同作用不同：n并补装置能够减少线

13、路中和变压器有功损耗和无功损耗；n并补装置能够提高连接点的电压水平；n并补装置可以提高电源侧功率因数；n并补装置能增加电源能力提高线路传输效率；3.2 接线方式不同：接线方式不同：n与负荷阻抗电气相并联的为并补装置，见图1。n与线路阻抗电气相串联的为串补, 见图2。 3. 串联与并联补偿有哪些不同？ 从网络等值电路图（图1）可以看出，并补装置接在线路每个线路每个电压等级电压等级的末端，与负荷阻抗相并联。流过线路电流的一部分。 而串补装置是接在输电线路上（图2），输电线路电流全部经过串联电容器组。 3. 串联与并联补偿有哪些不同？3.3 可靠性要求不同n 不管那一电压等级的并补装置因故障退出，不

14、会影响到系统的稳定运行。n 串补装置退出运行，将会影响系统电压、输送容量等。因此，对串补装置运行的可靠性要比并补可靠性要求高的多。3.4电压调整效果不同n 并联电容仅使电压升高某一数值，且随着负荷（电流）的增大（线路末端电压下降），并联电容无功输出下降，用户侧需要容性无功时，并补装置容性无功出力反而下降， （用电压负反馈），对于电容器生产厂而言，反而更担心轻负荷工况。n 串联电容补偿的调压作用是连续的，能随着负荷变化而自动改变调压能力，因而减少了受端电压的波动。用串联补偿来改善电压水平要比并联电容补偿优越的多。 3. 串联与并联补偿有哪些不同？n 为了达到同样的调压效果，通常串联电容器容量仅为

15、并联电容器容量的1/42/5。3.5 运行工况不同3.5.1 串补装置运行工况n 串补装置要经受系统（异地或近地 ）短路故障时和切除短路故障时过电压。n 串补装置要经受，接入串补电容时的过电压、系统发生摇摆时的过电压、以及铁磁谐振过电压等。n 当线路按(N-1)方式运行时，串联电容器存在过负荷稳态过电压。3.5.2 并联装置运行工况 操作投切过电压：用不重击穿断路器来切合电容器组通常会产生第一个峰值不超过22UN, 持续时间不大于1/2周波（0.01s）。 3. 串联与并联补偿有哪些不同？开关重燃过电压： 正常开断，电压不大于1.37Um。n 单相重燃时过电压，极间电压1.37Um，极对壳电压

16、4.5Um。n 两相重燃极间电压3.1Um，当然幅值还与重燃的次数有关。 正常允许过电流：1.3IN，考虑允许电容偏差允许范围，最大电流不大于1.5IN。 3. 串联与并联补偿有哪些不同？串联和并联电容器组允许工况-过流和暂态极限过电压对比表持续时间串联过电流倍数（P.U）并联允许的电压水平GB/T6115.1项目要求GB11024.1长期持续运行1.0 IN1.0 IN1.0Un连续8h（间隔12h）1.1IN1.1 IN1.10Un8h（间隔24h）1.15 Un30（间隔24h）2h（间隔8h）1.2 IN1.2 Un5min1.3 Un1min30min（间隔6 h）1.35 IN1.

17、35 IN10min（间隔2h）1.5 IN1.5 IN10sIN10s1.15Ulim300500ms1.35Ulim 3. 串联与并联补偿有哪些不同？3.6 试验内容和条件不同序号试验内容串联电容器并联电容器1试验标准 GB/T6115.1-2008GB/T11024.1-20012出厂试验电容测量3、1.5（实测）33电容器损耗测量0.02、0.016（实测）0.024端子间电压试验4 . 3 U n4 . 3 U n （ D C ） / 1 0 s 、(1.3Ulim=1.32.3Un=2.99Un/AC）2.15Un （AC）/10s5端子与外壳间电压试验50kV，10s50kV，1

18、0s6内部放电器件试验10min、75V以下10min、75V以下7密封性试验80、8h无渗漏80、8h无渗漏8内部熔丝放电试验1.7Un(DC)，短路放电1次1.7Un(DC)，短路放电1次 3. 串联与并联补偿有哪些不同？3.6 试验内容和条件不同序号试验内容串联电容器并联电容器1试验标准GB/T6115.1-2008GB/T11024.1-20019型式试验热稳定试验1.44Qn/50mm/55/48h /最热点温度 801.44Qn/50mm/55/48h /最热点温度 8010端子与箱壳间交流电压试验50kV，60s50kV，60s 11端子与外壳间雷电冲击试验125各15次125各

19、15次12冷工作状态试验冷工作状态试验-40/1.5Un/1.1Ulim/10周波/100次13放电电流试验放电电流试验无阻尼：2Ulim一次有阻尼：1.6Ulim，Ipeak132In2.5Un，10min内5次14内熔丝隔离试验下限0.52Un上限2Ulim下限0.92Un上限2.22Un15常温下局部放电1.35Un/10min1.6Un/10min20Pc 3. 串联与并联补偿有哪些不同？3.6 试验内容和条件不同序号试验内容串联电容器并联电容器1试验标准GB/T6115.1-2008GB/T11024.1-200116型式试验常温下局放起始/熄灭电压1.31.317低温局放熄灭电压测

20、量-40，1.2-40，1.218电容、损耗与温度曲线-40+80/Un/C/tan-40+80/Un/C/tan19耐久试验过电压周期试验-40/1.1Un/2.25Un/15周波/850次-40/1.1Un/2.25Un/15周波/850次20老化试验(60/1.25Un/3000h)/(1.4Un/1000h)21特殊试验暂态过电压试验1.15Ulim/10s221.35Ulim/(300ms500ms)3. 串联与并联补偿有哪些不同？归纳：串联与并联补偿不同点： 1. 作用不同; 2. 接线方式不同; 3. 可靠性要求不同; 4. 电压调整效果不同; 5. 运行工况不同; 6. 试验内

21、容和条件不同 4. 串联电容器设计中的几个争议问题n4.1 内熔丝下限熔断试验应该用交流还是直流进行。n（GB/T6115.3-2002）电力系统用串联电容器 第三部分：内部熔丝3.3.2.1条中规定：熔丝的隔离试验方法：熔丝的隔离试验应在0.5UN的下限交流试验交流试验电压和1.1Ulim的上限试验电压下进行。n 如果试验用直流进行，则试验电压应为相应交流试验电压的2倍。n一种观点认为：串联电容器实际运行在交流系统。且双回路运行条件下，存在0.5下限电压的运行工况，且交流电压具有瞬变的特点，下限电压时的元件储能不容易使熔断熔丝。认定应该以交流试验通过为准。4. 串联电容器设计中的几个争议问题

22、4.1 内熔丝下限熔断试验应该用交流还是直流进行。n 持另一观点认为：标准规定下限试验即可以用交流，也可以用直流，直流试验易把控，直流储能是一定的，熔丝熔断或不熔断只有一次释放能量的机会，没有交流工频续流的作用，认为直流不容易熔断，建议以直流考核熔丝熔断作为通过与否的手段。n 经过试验：在相同试品的条件下，交流下限试验，熔丝在工频续流作用下都能够熔断。直流试验条件下熔丝隔离试验则不容易通过试验。4. 串联电容器设计中的几个争议问题4.1 内熔丝下限熔断试验应该用交流还是直流进行。n 虽然直流试验时的元件储能是确定的，但不存在故障元件的熔丝流过工频续流的能量。n 交流击穿时的储能是不确定的，即使

23、击穿时的储能没有熔断，此后故障段工频续流全部全部通过故障元件熔丝是熔丝熔断关键。n 也就是说：通过直流下限试验的熔丝，是可以通过交流下限试验的，反之则不然（充分不必要条件）。n 既然直流不容易熔断， 熔丝下限试验通过与否，确定以直流试验为准。4. 串联电容器设计中的几个争议问题n4.2 串联电容器介质结构是采用三膜还是采用两膜的好n 常言道：金无足赤人无完人，电容器固体介质采用的是电工聚丙烯薄膜，同其它电介质一样，也不可避免存在着电弱点。这些电弱点包括：金属、非金属（如炭）粒子、灰分及针孔等。n 国标（GB/T13542.3-2006）电气绝缘用薄膜 第三部分：电容器用双轴定向聚丙烯薄膜6.3

24、条 关于电气弱点的规定：电气弱点应按IEC60674-2:1988中第19章的规定测试。施加的电气强度为200V/m，被测试样的最小面积5m2 ，所测得的弱点数不超过表3所规定的值。4. 串联电容器设计中的几个争议问题n4.2 串联电容器介质结构采用三膜还是采用两膜为好4. 串联电容器设计中的几个争议问题n4.2 串联电容器介质结构采用三膜还是采用两膜为好n 为了避开电弱点的影响，将电容器极间固体介质多层叠放，彼此弱点相互隔离，减少绝缘介质电弱点贯穿的可能性。n 尚若采用两膜结构，当一层膜存在弱点，极板间的耐电强度仅由一层膜承担。n 显然三膜介质电弱点重合概率远小于两膜介质结构。并联电容器大多

25、数采用的三膜结构。n 从可靠性角度看，串联电容器应当采用三膜结构的好。4. 串联电容器设计中的几个争议问题n4.2 串联电容器介质结构采用三膜还是采用两膜为好 实际试验情况： 在进行1.15Ulim/10s和1.35Ulim/300500ms过电压特殊试验时，在同样的试验条件下，所有的三膜结构的试品全部（全军覆没）击穿，而两膜结构的试品则大部分通过了试验。n 究其原因，这和串联电容器的运行工况有关，串联电容器需要经受幅值较高暂态过电压，而暂态过电压造成元件击穿主要发生在边沿，两膜结构的边沿电场分布较三膜边沿的相对均匀，两膜元件的额定电压又比三膜元件额定电压低。4. 串联电容器设计中的几个争议问

26、题4.2 串联电容器介质结构采用三膜还是采用两膜为好 最终串联电容器的介质结构确定为两膜结构。4.3 短路放电试验和熔丝下限隔离试验是否矛盾？n 国标（GB/T6115.1-2008）电力系统用串联电容器 第一部分：总则5.2.1条例行试验中：内部熔丝放电试验，5.2.2条型式试验中：放电电流试验。熔丝应当经受上述试验下的储能。n 国标（GB/T6115.3-2002）电力系统用串联电容器 第三部分：内部熔丝2.2条隔离要求：当元件在0.52UN和2 Ulim电压范围内发生电击穿时，熔丝应能使故障元件隔离开来。4. 串联电容器设计中的几个争议问题4.3 短路放电试验和熔丝下限隔离试验是否矛盾？

27、n 以CAM 6.15-558-1W型串联电容器为例，内部电气连接19并4串，计算下限隔离储能为105.2J，短路放电元件储能为123.6J，短路放电元件储能大于下限隔离储能。n 选择熔丝临界熔断能量时，通常要求熔丝的临界熔断能量大于短路放电能量，小于熔丝下限隔离能量为边界条件。n 上述电容器，如果选择临界熔断能量大于短路放电能量，满足短路放电熔丝不被熔断的条件，但熔丝下限隔离也不会熔断，反之若选择熔丝下限隔离熔断，短路放电时熔丝也会熔断，熔丝临界能量选择处于两难境地。4. 串联电容器设计中的几个争议问题4.3 短路放电试验和熔丝下限隔离试验是否矛盾？4.串联电容器设计中的几个争议问题内容欠阻

28、尼短路放电回路电阻/电感量熔丝吸收能量效率 回路电阻能量 吸收效率单次放电熔丝温升数值0.127/5.688H1.7%98.3%31.1 一些专家形象的比喻：一条被子顾头顾不了脚。 通过对欠阻尼短路放电波形分析，短路放电时的能量分配并不完全消耗在熔体上，其中大部分是消耗在熔丝以外的回路电阻上。 熔丝的设计重点应当放在下限隔离上。经过试验将验证，所设计的熔丝在欠阻尼短路放电时没有出现熔断，而在下限隔离试验时可靠熔断。4.3 短路放电试验和下限隔离试验是否矛盾？5. 串联电容器设计可靠性估计n 采用两膜介质结构，制做了国产膜和进口膜试品，进行了交流和直流击穿试验，试验接线原理图，见图3、图4. 图

29、3 交流击穿试验回路 图4 直流击穿试验回路 Figure 3 AC breakdown test circuit Figure 4 DC breakdown test circu itT1-调压器 T2-变压器 R-保护电阻 V-静电电压表 T1-调压器 T2-变压器 R-保护电阻 V-静电电压表PT-电压互感器 CX-被试电容 SB记忆示波器 CR-阻容分压器 CX-被试电容 SB记忆示波器 D- 高压硅堆5. 串联电容器设计可靠性估计 试验数据统计n交流电压为方均根值，直流电压为峰值。n 按照GB/T4883-2008数据的统计处理和解释正态样本离群值的判断和处理中的判断规则，用奈尔（N

30、air）检测法，对每台试品数据进行了下侧情形，统计离群值和岐离值判断和处理。n元件（两膜）交、直流击穿电压数据统计。n 按照国标GB/T4885-2009正态分布完全样本可靠度置信下限规定，运用试验统计数据，进行完全样本置信下限电压、场强估算。 5. 串联电容器设计可靠性估计试验（个数）击穿电压/场强kV / MV/m样本方差置信水平置信下限置信系数电压置信下限kV场强置信下限MV/m国产膜交流1536.975/257.20.24/10.410.990.9993.6826.091218.9直流6810.54/388.90.245/9.030.990.9993.9069.583353.6进口膜交

31、流1527.065/262.70.268/10.120.990.9993.6826.078225.4直流7310.47/392.080.259/9.680.990.9993.8739.467354.65. 串联电容器设计可靠性估计 进行4.3UN极间直流耐压试验、1.15Ulim（10s）、1.35Ulim（300ms）短时过电压试验条件下及保护水平电压下的设计裕度估计。额定值保护水平UpL（peak）短时交流1.15Ulim(kV)、10s短时交流1.35Ulim(kV)、300ms4.3Un极间电压(kV)（DC）(10s)国产膜交流电压裕度%296.221.7949.7827.59-场强裕度%284.018.0745.1923.68-直流电压裕度%-44.95场强裕度%-44.27进口膜交流电压裕度%295.321.5449.4627.32-场强裕度%295.421.5749.5027.36-直流电压裕度%-43.19场强裕度%-44.686 串联电容器组内部故障保护n 单元配平对号安装，相间、组间、臂间和段间容量偏差尽可能小，初始不平衡电流小于同一个串联段