电力电容器的原理及实际应用

电力电容器的原理及实际应用电容器与无功补偿1．概念容纳电荷的器件，英文名称：capacitor。电容C单位电容器所带的电荷量Q与电容器两极板间的电势差UC表示。C=𝑄⁄𝑈式中，电荷量Q是用于度量电荷多少的物理C。库仑的定义是，假设导线中载有111仑。电压U的单位为伏特，简称伏，符号为V。电容器的单位在数值上等于两极板间的电势差为1V时电容器需带的电荷量。电容的物理意义是，表征电容器容纳〔储存〕电荷本领的物理量。一个格外大的物理量，我们在电力系〔F一个格外大的物理量，我们在电力系拉的千分之一。所以，常用单位还有微法〔μF〕和皮法〔pF1F=106F=1012pF。对于一个确定的电容器而言，电容是不变的，CQ、U构造任何两个彼此绝缘又相互靠近的导体都可以夹上一层绝缘介质，就组成一个最简洁的电容〔见图1〕4．电容器的大小平行板电容器的电容C跟介电常数ε成正比，跟正对面积S正比，跟极板间的距离d1平行板电容𝜀𝑆C= 𝑟4𝜋𝑘𝑑k9.0×109Nm2/C2静电力常量表示真空中两个电荷量均为1C的点电荷，它们相距1m时，它们之间作用力的大小9.0×109Nεr

为两平行板之间的绝缘介质的空介电常数的比值。S为两平行板相对局部的面积，单位为m2，d为两平行板之间的距离，单位m。2相对介电常数εr电容器的工作状态3。放电：使电容器两极板上的电荷中和的4。充电过程的实质是其它形式的能量转化为电〔图3中用电池给电容器充电，是化学能转化为电场能，放电过程的实质是电场能〔图4中电场能转化为连接两个极板间的导线的热能。所以，电容器是一种储存电场能的装置。图4电容器放电

3 电容器充电电容器的相关公式〔1〕纯电容电路𝐶𝑋 = 1𝐶𝜔𝐶

= 12𝜋𝑓𝐶𝐼=

=

𝜔𝐶=

2𝜋𝑓𝐶𝑄𝐶=𝐼𝑈𝐶=𝐼2𝑋𝐶=𝑈2𝜔𝐶𝑐𝑜𝑠𝜑=0𝑖=𝐼𝑚𝑠𝑖𝑛𝜔𝑡(𝐴)𝑢𝐶=𝑈𝐶𝑚sin(𝜔𝑡−90°)(𝑉)式中，𝑋𝐶-----容抗，Ω；C 电容，F；电容上无功55纯电容电路〔2〕电阻电感电容串联电路𝑍=√𝑅2+(𝑋𝐿−𝑋𝐶)2𝐿𝐼=𝑈= 𝑈𝐿𝑍 √𝑅2+

𝑈=√𝑈2𝑅

𝑐𝑜𝑠𝜑=𝑅

=

=𝑃𝑍 𝑈 𝑆𝑃=𝐼𝑈𝑅=𝐼𝑈𝑐𝑜𝑠𝜑𝑆=𝐼𝑈=√𝑃2+(𝑄𝐿−𝑄𝐶)2𝑖=𝐼𝑚𝑠𝑖𝑛𝜔𝑡(𝐴)𝑢=𝑈𝑚sin(𝜔𝑡±𝜑)(𝑉)>𝑋𝐶，系统为容性电路。 图6混合电路〔3〕电阻电感串联后与电容并联电路𝐼1

= 𝑈√𝑅2+𝑋2𝐿𝐼𝐶

=𝑈𝑋𝐶𝐼=𝐼1+𝐼𝐶𝐼=√𝐼21有

+(𝐼1无

−𝐼𝐶)𝑐𝑜𝑠𝜑=𝐼1𝑐𝑜𝑠𝜑1=𝐼𝐼1𝑐𝑜𝑠𝜑1𝑐𝑜𝑠𝜑=𝐼1𝑐𝑜𝑠𝜑1=𝐼𝐼1𝑐𝑜𝑠𝜑1𝐼𝑡𝑎𝑛𝜑=1无−𝐼𝐶𝐼1有=𝐼1𝑠𝑖𝑛𝜑1−𝐼𝐶𝐼1𝑐𝑜𝑠𝜑12式中，𝐼1有

-----电阻电感支路的有功重量电流，A；𝐼1无

流，A；𝑐𝑜𝑠𝜑1 未并电容前电阻电感电路的功率因数；𝑐𝑜𝑠𝜑 并电容后功率因数。二、电容器的作用统 中 所 发 挥 的 作 用 。7阻串感并电容电路们都改善电力系统的电压质量和提高输电线路的输电力量，是电力系统的重要设备。串联电容器的作用a．提高线路末端电压。串联在线路中的电容𝐶补偿线路的感抗𝐿最大可将线路末端电压提高10%～20%。具体计算公式可参照电容器相关公式中的电阻电感电容串联电路。降低受电端电压波动。当受电端接有很大的冲击负荷〔如电弧炉、电焊机、电气轨道等〕串联电容器在线路中对电压降落的补偿作用是中，当冲击负荷接入时，线路阻抗急剧减小，受电端电压降低，此时电容器的工作状态为放电，使受电端的电压变化减小。提高线路输电力量。线路串入了电容器的补偿容抗𝑋𝐶，线路的电压降落和功率损耗减小，相应提高了线路的输送容量。改善了系统潮流分布。在闭合网络中的某些线路上串接电容器，局部地转变了线路电抗，的目的。提高系统的稳定性。线路串入电容器后，〔如双回路切除一回，单回路单相接地切除一相𝑋𝐶限功率，从而提高系统的动稳定。并联电容器的作用的输电力量。串联电容器与并联电容器分别用在什么状况电力量；并联电容器应用较为广泛，在10kV及缘由打算的：串联电容器可提高线路末端电压〔具体计算公式见电阻电感电容串联电路级较高。荷端的电容器都可以增加输电荷端的电容器都可以增加输电路的阻抗，增大线路的输电电的电流，增加线路带负荷的力量。变压器低压侧一般承受并联电容器补偿，这是由于假设承受串联补偿电容电流很大而且串联补偿装置较简单〔如右图。假设承受并联电容，则电容所受电流较小，构造较简洁。并且，串联电容器主要起的作用为“电压补偿即提高受电端电压的作用并联电容器主要起的作用“电流补偿即抵消线路中的无功电流，提高系统功率因数由此分析变压器低压侧也应承受并联电容补偿。 图8串补装置接线图并联电容器串联电抗器可以定向减小线路的功能。三、并联电容器的应用a．型号型号举例见右图。Ba．型号型号举例见右图。B并联电容器系列；其次个字母A〔或W、B、F、S、Z、K〕表示浸渍剂为苄基甲苯〔或烷基苯、异丙基联苯、二芳基乙烷、石蜡、菜籽油、硅油适应严寒低温地区；第三个字母M〔或FMJ〕表示固体9电容器型号〔薄膜；第一个特征数字为额定电压，kV；其次个特征数字为额定容量，kvar；第三个特征数字为相数，13；尾注号或GTH〔或高无尾注号的为户内使用。下表为常见的低压电容器性能比较：型号 介质 特点油式，介质为菜籽油 电容的进展初期承受的一种产品，由于油式型号 介质 特点油式，介质为菜籽油 电容的进展初期承受的一种产品，由于油式或色拉油 电容在使用过程中受热膨胀，会使电容的外壳变形，从密封处渗出，对环境污染较大，严峻时造成短路引起其他元件的损毁介质会液化，如有渗漏对环境有肯定污染经过热定型成为固态，电容过热不会有液态流出，起到环保作用。国家定为国际型电容属通用型电容器市场应用局部厂家修理议使用目前市场应用目前市场应用较多，性价比好，推举使用价格BZMJ适中BSMJ相对干式，介质为一干式，介质为硅油适中BKMJ稍高b．构造图10为典型单相电容器的内部构造图。图中为形扁元1为出线套管，2为出线连接片，为形扁元件，5678连接夹板，9为紧箍，10为外壳。其中扁形元件放电电阻和熔丝〔如图11。图 10 单相电容器11电容器内部电气连接示意图是具有优良的自愈性能，介质损耗小，温升低，寿命长，体积小，重量轻。自愈式电容器的特点击穿部位四周的金属膜溶化蒸发，从而恢复绝缘，因此具有较高的运行牢靠性。c．在低压电容补偿柜中的应用单位换算并联电容器是低压电容补偿柜中的核心部件，便利电容器的选用，电容器的单位一般为kvar，kvarF样换算：对于一个BSMJ0.4-30-3的三项补偿角接电容器而言，其内部电气连接图如以下图：30kvar，额定电流0.4kV，所以额𝐼线

=𝑃⁄ 3𝑈=√√𝐼

=43.3A，由于是角接，所以相电流为𝐼 =相

⁄√3=25A𝐼=

𝑈𝐶𝑋𝐶

=𝑈𝐶𝜔𝐶=可11相电容容量为得每11相电容容量为得每𝐶=𝐼⁄𝑈2𝜋𝑓𝐶=25/400∙2𝜋∙50=1.99×104 F199×3=597F。从以上的计算可以看出，电容器补偿容量越大，电容值越大，对于三相共补电容器，角形连接，1kar补偿容量对应的三相电容值为19.9F。星接与角接的区分〔如图13所示，这两种接法各有什么优缺点呢？12电容器铭牌30kvar器每相电容额定电压为400V，额定容量为199F；在星形连接的状况下，𝐼=𝐼=𝑃⁄√

3𝑈𝑈

400

=43.3A𝑈 = ⁄ = ⁄ =231𝑉相 √3 √3则每相电容容量C𝐶𝐶=𝐼⁄𝑈2𝜋𝑓=43.3/231∙2𝜋∙50𝐶=5.97×104 F=597F13电容器的星形接法和角形接法表比。器接2是电容器星形接法和角形接法的参数对假定补偿电容器电容器电容器容量 额定电额定电额定容线方(kvar) 流(A) 压(V) 量(F)式角形30 25 400 199连接星形30 43.3 231 597连接2电容器星形接法和角形接法的参数比照注：电容器的额定电流、额定电压以及额定容量均指连接成星接或角接的单相电容器的额定值。容量一样的前提下，额定电压230V的电容器比额定电压400V的电容器贵了不少，可能很多人就疑心了，这是为什么呢？1414出，自愈式电容器主要由金属化层以及中间的薄膜组成，金属化层作为导体，薄膜作为绝缘C=𝜀𝑟𝑆可以看出，电容值〔薄膜厚度〕400V的电容器为例，用厚8μm50MV／m，如用厚7μm57．14MV／m，而230V4～5μm薄膜的价7～8μm230V一般是实行降低工作场强的设计，依据国1-芯轴喷合金层金属化层薄膜 的通常价格，同容量的230V电容器的价格图14低压自愈式电容器构造 400V电容器的2倍以上。短路时，星形〔中性点不接地〕接线的故障电流仅为其额定电流〔相电流〕的3倍，而假设是三星形接线对电容器运行来说比较安全。(3)共补与分补传统的低压补偿都是承受三相共补的方式，依据掌握器统一取样，各相投入一样的补偿容量，这种补偿方式适用于三相负载根本平衡、各相负载的相近的状况；三相分(3)共补与分补传统的低压补偿都是承受三相共补的方式，依据掌握器统一取样，各相投入一样的补偿容量，这种补偿方式适用于三相负载根本平衡、各相负载的相近的状况；三相分补偿容量适用于各相负载差异较大， 也有较大差异的状况与三相共补的不同特点是：①电容器接法为星接，单台电容器的额定电压为230V；②掌握器分相进展工作，互不影响。三相分补的本钱高于三相共补，一般要高20%～30%。方案，即三相共补与三相分补相结合的接线方案。例如某厂家Δ接电容器组的单台电容器分别为400V，10、15、20、30kvar。Y接电容器组的单台电容器分别为：230V，3、4、5、6、8、10kvar这种接线方式的补偿装置运行方式机动敏捷，其成套价格低于三相分补的接线方案。也有的厂家对Y接的电容器组仍承受400V的电容器，其单台铭牌容量 图15共补与分补 与Δ接电容器组选用一样的电容器而Y接局部的电容器实际输出的容量只有铭牌的1／3。这样做的目的是由于400V的产品比较廉价即使实际容量较名牌值小但由于工作场强低寿命较长且整个装置只用一个规格的电容器，互换性强。并联电容器的投切开关①沟通接触器70年月广泛应用的PGJ补偿柜，都是承受沟通接触器作为并联电容器的投切开关，迄今仍有沿用。其优点是线路简洁，本钱较低，但是也有以下缺点：a.投入电处产生火花，烧损触头；b.切断电容时，简洁粘40A15kvar〔IC＝217Ab.CJ16、CJ19、CJ20C、B25C～B75C、CJ41等系列；c.每台电容器加装串联小电抗器，用以抑制涌流。在这里说一下电容器投切专用接触器与一般点〔掌握电容器的电路〕吸合前，首先通过接通容进展小电流充电，大约数毫秒之后主触头接通，关心触头中永久磁铁在弹簧反作16CJ19用下释放，断开切合电阻，使电容器正常工作。图16中顶端的触点即式，起到了电抗的作用，可以进一步降低涌流。下表为国内某主要品牌的接触器主要参数性能：17CJ19②双向晶闸管开关电路〔又称固态继电器取代沟通接触器用于投切电容器的接线如图16所示。其优点是过零触发，无拉弧，动作时间短，可大幅度地限制电容器合闸涌流，特别适合于繁投切的场合。但也存在以下缺点：a的补偿柜价格要比承受接触器的补偿柜贵70％～80③等电压投零电流切的无触点开关电路18。以BZMJ0．4－15－3并联电容器为例，其额定电流为21．7A，如晶闸管开关的电压降为1V时P＝3×1×21．7＝65．1W，如补偿柜的无功功率为90kvar，则全部投入时，晶闸管的功率损耗为65．1×6＝390．6W10h量达3．906kW·h。年耗量约为1426kW·h，有功消耗的发热量还会增加整个补偿装置的温升③等电压投零电流切的无触点开关电路18示，图中J为沟通接触器的触点。其运行操作挨次容器，微电脑的掌握器紧接着又发信号给接触器，使其触点也闭合，将晶闸管开关电路短路，由于接触器J闭合后的接触电阻远小于开关电路导通时的电阻到达了节能和延长开关电路使用寿命的目的。当需要切除电容器时控 图18型开关电路制器先发信号给接触器，使接触器触点J断开，此时开关电路处于导通状态本方案的优点是：运行功耗低、涌流小、谐波影响长。并联电容器的掌握器电容补偿掌握器的检测量主要有𝑐𝑜𝑠𝜑𝐼Q𝐼𝑄

𝑐𝑜𝑠𝜑cosφ为检测量。检测量为Q的掌握器，其工作原理是将电压和电流的信号送入霍尔元件或相敏放大器等具有乘法功能的器件，以测出Q＝UIsinφ，由于检测量和掌握目标都是同一物理量，技术上是合理的，但检测难度要大些。检测量为𝐼𝑄u由正到负过零A𝐼𝑄max的原理，用相电压u负过零信号掌握，承受开关和简洁的保持电路，以完成对𝐼𝑄实时检测。这种方案的优点是：检测方法简洁，不会发生震荡，补偿效果与电网电压的波动无关。变压器容量为315kVA，补偿总容量为100kvar，20kvar5用的JKG率因数，目标功率因数投入门限是滞后0.92，切除门限是滞后0.99，在某时刻觉察系统功率因数为滞后0.6，视在功率为12.5kVA，感性无功功率为10kvar，依据JKG型掌握器掌握原理系统功率因数低于目标功率因数时掌握器必需投入10kvar的容性无功功率，使得补偿后的功率因数为超前0.6，所以掌握器又需切除刚投入的电容的投切动作大大缩短了电容器组合沟通接触器力。电容柜内其他元器件①隔离开关或断路器：离开关，最好选刀熔开关，这样比较经济实惠，有的用户倾向于选用断路器，这样也没有问题，1.5②熔断器或微型断路器熔断器或微型断路器串接在单个电容器的规格的断路器优秀的多，考虑电容器的涌流冲型断路器的缘由是熔断器熔丝断了用户不知道简洁觉察，减小修理量，在本钱上，两种元件相差不大。GB50227-2023规定，用于单台电容器保护定1.37～1.50③热继电器无作用，热继电器的作用是当谐波电流很大时，流，而不是承受热继电器这种治标不治本的方法。也就是说，在实际运行过程中，热继电器起要加的话，建议依据电容器额定电流的1.25倍来选取热继电器。④避雷器端可能消灭过电压，常用避雷器限制该过电压。GB50227规定，避雷器用于限制并联电容器装置FYS-0.22。⑤电抗器电抗率也是不同的。前者电抗率一般为0.1%～1的不同，选择适宜的电抗率。所谓电抗率K，就是所串联电抗器的感抗(ωL)和电容器容抗(1/ωC)的百分比，即K=ω²LC，此处ω=2πf，f50Hz。对某次频率，如n次，感抗是nωL，或称n𝑋𝐿，容抗是1/nωC或称𝑋𝐶/𝑛。动身，面临2个并联回路，其中一个回路是电网以下图所示(假设系统基波电抗是𝑋𝑆)：19并联电容器串联电抗器系统谐波电抗为𝑛𝑋𝑆，串联组谐波电抗是−n谐波电流为=+为流入系统的n流。可分别得出：𝐼𝑛𝑠=

(𝑛𝐾−1

1𝑛

𝐼𝑛𝐼𝑛𝑐

(𝑛𝐾−=(𝑛𝐾−

𝑛)𝑋𝐶+𝑛𝑋𝑆𝑛 𝐶 1)𝑋 +𝑛 𝐶

𝐼𝑛𝐼𝑛全部流入电容器组，即期望𝑛𝐾−1/𝑛=0𝐾=1/𝑛2。对3次谐波，𝐾=11%，对于5次谐波，𝐾=4%，对于7次谐波，𝐾=2%。但假设果真如此，这种容器组，造成电容器大量损坏，因此K应靠近，11%，4%，2%。依据GB50227-2023《并联电容器装置设计规3次谐波的串联电抗器电抗率为12%，抑制5次谐波的电抗率宜取4.5%～5%。依据器过热。依据IEC的规定，所选电抗率应为K=1.25×1/n²，该式来源于K=1/(0.9n)²，0.9是考虑到不大于10%的调谐偏差率。按这个规定，对于3次谐波来说，选用14%，对5次谐波来说，选用572.6%。依据英博公司的标准，电抗率有14%、7%和55.5%314%的电抗率。电容器串联电抗器治理谐波的效果如何呢？相等，在数值上等于𝐼𝑛𝑠与𝐼𝑛之比，即1𝐹 =|

(𝑛𝐾−

|=|

𝑛2𝐾−1 |𝑛 𝐶 𝑛 𝐶

(𝑛𝐾−

1)𝑋 +

𝑛2(s+K)−1式中，𝐹𝑉𝑁为谐波电流放大率，Ks=𝑋𝑆/𝑋𝐶=𝑄𝐶𝑁/𝑆𝑑，𝑆𝑑为电容器装置接入处母线的短路容量，𝑄𝐶𝑁为电容器装置容量。当上式的分母数值等于零时，谐波放大率𝐹𝑉𝑁n次谐波量𝑄𝐶𝑋为：𝑄 =𝑆(1−𝐾)𝐶𝑋 𝑑 𝑛2𝑁的数值越大，面我们看一个具体的例子：设10kV系统的容量无限大，10/0.4kV配电变压器容量为1600kVA，其短路电抗为6%，低压侧500kvar，那么，𝑆𝑑、𝑋𝑆、𝑋𝐶、𝑄𝐶𝑋、系统的短路容量𝑆𝑑为：𝑆𝑑

1.6=0.06

=26.7MVA系统的感抗𝑋𝑆为：𝑋𝑆

0.42=26.7

=0.006Ω𝑋𝐶

0.42=0.5

=0.32Ω电抗率电抗率K0.1%1%5.5%7%12%谐5.5%7%14%谐5.5%7%14%3571498-401-9241098-801-1324-771-2670-3193𝐹𝑉𝑁为：123456789次次次次次次次次次1.021.081.211.441.933.3429.493.551.531.021.081.231.562.6718.291.250.430.141.021.111.500.670.440.590.650.680.691.021.121.840.290.620.690.730.740.751.021.170.320.750.810.830.840.850.8514%14%1.021.210.610.810.840.860.860.870.87𝑄以躲开谐振容量𝑄𝐶𝑋

，从谐波电压放大率的计算来看，电抗率5.5%比7%的效果好，对5次谐波3次谐波的放大作用1214%与此类同。那么是不是选用电抗率5.5%和12%就肯定比选用电抗率7%、14%更合理呢？答案是否认的，5.5%和12%更接波电流较7%和14较近也会增大发生串联谐振的风险。电容器与串联电抗器得到适宜的匹配。当电容装置接入处的背景谐波为3次，且含量已超过或接近标准时，宜选用12%～14%串联电抗器；当电容装置接入处的背景谐波以35次为主，且两者含量均较大(其中之一已超过或接近12%～14%与4.5%～7%两种电抗率混装方式，以保证抑制3〔据验算，串接12%～14%电抗器的电容器组容量大于总装置容量的15%即可。该方案的优点是比全部串接12%～14%方案可降低无功与有功损耗，缺点是投切挨次是必需先投12%～14%的反。当电容装置接入处背景谐波以3次为主，次以上谐波含量较小，且阅历算电容装置投入后，3次谐波有所放大，但未超标且有裕度，应0.1%～1%的串联电抗器；当电容装置接入处的背景谐波以35次为主，3次谐波含量较小，5次谐波含量已超过或接近标准，应选用4.5%～7%串联电抗器，不能0.1%～1%的串联电抗器。当电容装置接入处背景谐波为5次及以上时，且5次谐波含量较大，应选用4.5%～7%串联电抗器。当电网中含有多种谐波成分，且都具有较对于在较大含量的各次谐波中的最低次谐波总抗值𝑋𝐿为/𝑛2式中𝑛α为1.2～1.5。对于建的变电所，无从得知电网的背景联电抗器的额定电流按电容器组的最终容量考虑选择。谐波的防治应在谐波源就地治理。限制涌流计算分析依据GB50227-2023规定，电容器组投入电网时的涌流计算公式如下：𝐼∗𝐼𝑦𝑚

= 1√𝐾

1 −

𝑄0 +1𝑄𝛽=1−

1√1+

𝑄𝐾𝑆𝑑式中，𝐼∗

𝑄=𝑄′+𝑄0𝑦𝑚---涌流峰值的标幺值(以投入的电𝑦𝑚容器组额定电流峰值为基准值)；𝑄 同一母线上装设的电容器组总容量(Mvar)；𝑄0-----正在投入的电容器组容量(Mvar)；(Mvar)；

𝑄′ 全部正在运行的电容器组容量𝛽 电源影响系数。容器组接入处的母线短路容量不超过电容器组容量的80倍时，单组电容器的合闸涌流将不超过10倍电容器组额定电流。电容器组追加投入时的涌流倍数较大，而且组数愈多，涌流愈大，幅值涌流对开关触头和回路设备的绝缘将会造的限值倍数，由于20倍涌流未见对回路设备造成损坏，所以规定20倍涌流作为限值。我们可20抗器的电抗率不小于0.3%时，在任意一步电容20电容器的参数选择在确定了电容器总的补偿容量和相应的电抗器的参数主要有额定容量、额定电压。选择呢？为了使变压器在各种负荷状况下都能〔一般为4～12路，而且受限于电容柜的空间和本钱，也不能布置太多的小容量电容。所以，生产厂家生产的电容柜内的电容组合较为合理，300kvar森电气(YorksonElectric)40kvar×6+20kvar×3是40kvar×6+30kvar×2小补偿步数为20kvar，后一种的最小补偿步数为30kvar，前者补偿较准确，但后者的本钱较低。平方成正比(即𝑄=𝑈2)，电容器运行在额定假设安全裕度取值过大，则输出容量的亏损也大，所以应尽量使其接近额定电压。反之，如选分解，介质分解产生的臭氧和氮的氧化物等气过载而引发事故的例子，各地都消灭过。