电力电容器的原理与应用
电力电容器的原理与应用
并联电容器是一种在线路上并联的无功功率补偿设备。它们的主要功能是补偿系统的无功功率，提高功率因数，从而减少能量损失，提高电压质量，提高设备利用率。
串联电容器主要用于补偿电力系统的电抗，常用于高压系统。
电力电容器的分类
电力电容器按安装方式可分为室内型和室外型；根据其额定电压，可分为两类：低压和高压；根据其相数，可分为单相和三相两种。除低压并联电容器外，其余均为单相；根据外壳的材质可分为金属外壳、瓷绝缘外壳、橡胶筒外壳等。
根据用途可进一步分为以下8种类型：
1） 并联电容器。以前称为移相电容器。主要用于补偿电力系统中感应负载的无功功率，以提高功率因数、电压质量，降低线路损耗。
2） 串联电容器。串联在工频高压输配电线路中，用于补偿线路的分布电感，提高系统的静态和动态稳定性，提高线路的电压质量，延长输电距离，增加输电容量。
3） 耦合电容器。主要用于高压电力线的高频通信、测量、控制、保护，以及作为提取电能设备中的部件。
4） 断路器电容器。以前称为均衡电容器。并联对超高压断路器的分断起到电压平衡的作用，使分断过程中和分断过程中每个分断之间的电压均匀，可以改善断路器的灭弧特性，提高其分断能力。
5） 电热电容器。用于频率范围从40到24000赫兹的电加热设备系统，以提高电路的功率因数、电压或频率特性。
6） 脉冲电容器。主要用于储能，是冲击电压发生器、冲击电流发生器和断路器试验振荡电路的基本储能元件。
7） 直流和滤波电容器。用于高压直流设备和高压整流滤波设备。
8） 标准电容器。用作标准电容器或电容分压器，用于测量工频高压测量介质损耗电路中的高压。
电力电容器的结构
电力电容器的基本结构包括：电容器元件、浸渍剂、紧固件、引线、外壳和套管。结构示意图如图1所示。
额定电压低于1kV的低压电容器称为低压电容器，高于1kV的称为高压电容器。它们被制成三相三角形连接线，内部部件并联，每个并联部件都有一个单独的保险丝；高压电容器通常制成单相，内部元件并联。外壳由密封钢板焊接而成，芯由串联和并联的电容器元件组成。电容器元件由作为电极的铝箔制成，并用复合薄膜绝缘。浸渍介质为电容器内衣用绝缘油（矿物油或十二烷基苯等）。
（1） 电容元件
通过用铝箔电极轧制一定厚度和层数的固体介质制成。多个电容器部件并联或串联连接以形成电容器芯。在电压为10kV及以下的高压电容器中，每个电容器元件都与保险丝串联，作为电容器的内部短路保护。当一个部件发生故障时，其他完好的部件会对其放电，导致保险丝在几毫秒内迅速熔断，切断故障部件，使电容器继续正常工作。电容元件的结构如图2所示。
（2） 浸渍剂
电容器芯通常放置在浸渍剂中，以提高电容器部件的介电耐压强度，改善局部放电特性和散热条件。浸渍剂一般包括矿物油、氯化联苯SF6气体等。
（3） 外壳和套管
外壳通常由焊接在一起的薄钢板制成，表面涂有阻燃涂料。壳盖上焊接有出线套管，箱壁侧面焊接有吊装支架、接地螺栓等。大容量集电电容器的箱盖上还装有储油柜或金属膨胀机和泄压阀。箱壁侧面设有片状散热器、压力式温控装置等，接线端子从输出瓷套引出。
电容器模型的含义如下图所示。
电力电容器的功能
（1） 串联电容器的功能
1） 增加线路末端的电压。在电路中串联连接的电容器可以使用它们的容抗xc来补偿电路的感抗xl，从而降低电路的电压降并增加电路末端（接收端）的电压。通常，电路末端的最大电压可以增加10%到20%。
2） 减少接收端的电压波动。当线路受电端（如电弧炉、焊机、电气轨道等）的冲击负荷发生显著变化时，串联电容器可以消除电压的剧烈波动。这是因为串联电容器对电路中电压降的补偿作用随着通过电容器的负载而变化，并具有随负载变化而瞬间调整的性能，可以自动保持负载端（接收端）的电压值。
3） 提高电力线路的输电能力。由于串联连接的电容器的补偿电抗xc，降低了线路的电压降和功率损耗，相应地增加了线路的传输容量。
4） 改进了系统功率流分布。在闭合网络中的某些线路上串联一些电容器会部分改变线路电抗，使电流按照指定的线路流动，以实现电力经济分配的目标。
5） 提高系统的稳定性。线路与电容器串联后，线路的传输容量得到了提高，这本身就增强了系统的静态稳定性。当线路故障被部分切断时（例如当双回路被切断一次，但单相接地被切断一次时），系统的等效电抗急剧增加。此时，对串联电容器进行强制补偿，即短时间内强制改变串联和并联电容器的数量，并暂时增加电容xc，降低了系统的总等效电抗，提高了最大功率传输（Pmax=U1U2/xl-xc），从而提高了系统的动态稳定性。
（2） 并联电容器的功能
并联电容器并联连接在系统总线上，类似于系统总线上的电容性负载。它们吸收系统的电容无功功率，相当于并联电容器向系统发射电感无功功率。因此，并联电容器可以为系统提供感应无功功率，提高系统运行的功率因数，提高接收端母线的电压水平。同时，它减少了线路上感应无功功率的传输，降低了电压和功率损耗，从而提高了线路的传输能力。
电力电容器安装
安装补偿电容器的环境要求如下：
1） 电容器应安装在没有腐蚀性气体、蒸汽、剧烈振动、冲击、爆炸或易燃危险的地方。电容器的防火等级不应低于二级。
2） 安装在室外的电容器应避免阳光直射。
3） 电容器室的环境温度应符合制造商规定的要求，一般设定在40℃。
4） 在电容器室内安装通风风扇时，出风口应安装在电容器组的上端。进气扇和排气扇应安装在对角位置。
5） 电容器室可以使用自然照明或人工照明，而不需要加热设备。
6） 高压电容器室的门应向外打开。
安装电容器的技术要求如下：
1） 为了节省安装面积，高压电容器可以分层安装在铁架上，但垂直层数不应超过三层。层与层之间不应安装水平夹层隔板，以确保良好的散热效果。上、中、下电容器的安装位置应一致，铭牌朝外。
2） 安装高压电容器的铁架应排成一排或两排，排与排之间应有检修走道。走道宽度不应小于1.5米
3） 高压电容器组的铁架必须配有丝网进行封堵，封堵的网孔应为3-4 cm2。
4） 高压电容器外壳之间的距离一般不应小于10cm；低压电容器外壳之间的距离不应小于50mm。
5） 高压电容器室内上下层净距不应小于0.2m；下电容器底部与地面的距离不应小于0.3m。
6） 每个电容器和母线之间的接线应使用单独的软线连接，不应使用硬母线连接，以避免在安装或操作过程中对瓷套管施加应力，从而可能导致漏油或损坏。
7） 安装时，电路与接地部分的接触面应良好。由于电容器电路中的任何不良接触，都可能发生高频振荡电弧，导致工作电场强度增加和电容器的热损坏。
8） 当具有较低电压水平的电容器串联连接并在较高电压水平的网络中运行时，应采取措施，如安装与运行电压水平相当的绝缘体，以确保每个单元的外壳与地面之间的可靠绝缘。
9） 星形连接后，电容器用于更高的额定电压，当中性点不接地时，电容器的外壳应与地面绝缘。
10） 在安装电容器之前，应将电容分配一次，以确保相位平衡，其偏差不超过总容量的5%。安装继电保护装置时，还应满足运行时平衡电流误差不超过继电保护动作电流的要求。
11） 单个补偿电容器的接线应确保，对于直接启动或通过可变电阻器启动的感应电机，可以将提高功率因数的电容器直接连接到电机的输出端子，而无需在两者之间安装开关设备或保险丝；对于使用星三角起动器起动的感应电动机，最好使用三个单相电容器，每个电容器直接并联到每个相绕组的两个端子，这样电容器的连接总是与绕组的连接方法相匹配。
12） 对于组补偿低压电容器，应连接到低压组母线电源开关的外部，以防止组母线开关断开时出现自激现象。
13） 用于集中补偿的低压电容器组应配备专用开关，并安装在线路主开关的外侧，而不是安装在低压母线上。
电力电容器的操作
（1） 电容器的安全操作
电容器应在额定电压下运行。如果暂时无法操作，则允许在超过额定电压5%的范围内操作；当额定电压超过1.1倍时，只允许短期运行。但是，当输出线路上存在长期过电压情况时，应努力消除。
电容器应在三相平衡的额定电流下运行。如果暂时无法，则不允许在超过额定电流1.3倍的电流下长时间运行，以确保电容器的使用寿命。
电容器组所在地的环境温度不得超过40℃，24小时内的平均温度不得超过30℃，一年内的平均气温不得超过20℃。电容器外壳的温度不应超过60℃。如果发现上述现象，应使用手动冷却，必要时应断开电容器组与网络的连接。
（2） 电容器相关参数监测
1） 温度监测。在没有制造商规定的情况下，电容器的温度一般应在-40℃至40℃之间，并在电容器外壳上粘贴温度指示蜡片。电容器工作时温度异常升高的原因包括：工作电压高（介电损耗高）；谐波的影响（低电容和高电流）；合闸浪涌电流（频繁切换）；冷却条件已经恶化。
2） 电压监测。它应在额定电压下运行，也允许在1.05倍额定电压下在1.1倍额定电压条件下运行不超过4小时。
3） 电流监测。它应该在额定电流下工作，也允许在1.3倍额定电流下运行。电容器组的三相电流之差不应超过±5%。
（3） 电容器的输入和输出
当功率因数低于0.85且电压较低时，应投入运行；当功率因数接近1且有领先趋势时，应在电压过高时退出。
如果出现以下故障之一，应执行紧急出口：①连接点严重过热甚至熔化；②陶瓷套筒闪络放电；③壳体膨胀变形；④电容器组或放电装置发出异常声音；⑤电容器冒烟、着火或爆炸。
在连接功率电容器组之前，应使用兆欧表检查放电网络。
连接和断开电容器组时，必须考虑以下几点：
1） 当母线上的电压超过最大允许额定电压的1.1倍时，禁止将电容器组连接到电网。
2） 电容器组与电网断开后1分钟内不得重新连接，自动重新连接除外。
3） 连接和断开电容器组时，应选择不会产生危险过电压的断路器，断路器的额定电流不应小于电容器组额定电流的1.3倍。
电力电容器的维护
（1） 操作电容器时的注意事项
1） 在正常情况下，当全站停电时，应首先打开电容器断路器，然后打开出线断路器；恢复供电时，顺序相反。
2） 如果发生事故，在整个电站停电后，必须断开电容器的断路器。
3） 并联电容器组断路器跳闸后，不得强行送电；保险丝熔断后，在查明原因之前，不允许更换动力传输保险丝。
4） 禁止并联电容器组带电闭合；再次关闭时，必须在打开后3分钟完成。
5） 配备并联电阻器的断路器不允许使用手动操作机构闭合。
6） 高压电容器组的暴露导电部分应具有网状屏障。进行外部检查时，禁止打开工作电容器组的屏障。
7） 任何具有额定电压的电容器组都不得充电至闭合状态。每次断开后，必须在短路三分钟（即放电后短时间）后重新闭合，然后才能断开。
8） 当电容器中没有电压时，应更换电容器的保险丝。继续操作之前，应先对电容器进行放电。
（2） 故障处理
1） 当电容器喷油、爆炸或着火时，应立即断开电源，并用沙子或干式灭火器灭火。
2） 当保险丝未熔断时，电容器的断路器跳闸。电容器放电3分钟后，检查断路器、电流互感器、电力电缆和电容器的外部状况。如果没有发现异常，可能是外部故障或电压波动引起的，可以进行测试。否则，应对保护装置进行全面通电试验。
3） 电容器熔断器熔断后，应向值班调度员报告。获得批准后，应切断电源并对电容器进行放电。之后，应进行外部检查，如外壳外部是否有闪络痕迹、外壳是否变形、漏油、接地装置是否短路等。然后，应使用振动台测量两极之间和两极之间的绝缘电阻值。如果没有发现故障迹象，可以更换保险丝以继续工作。如果保险丝在输电后熔断，则应拆除故障电容器。
4） 要处理故障电容器，应首先断开电容器的断路器，并打开断路器两侧的隔离开关。由于电容器组通过放电电阻器放电后，一些残余电荷可能无法完全放电，因此仍应进行手动放电。放电时，先连接接地线的接地端子，然后用接地棒对电容器进行多次放电，直到没有放电火花或声音为止。但是，在接触有故障的电容器之前，还应佩戴绝缘手套。首先，用短路将故障电容器的两极短路，然后手动拆卸和更换。
（3） 电容器日常检查的主要项目
1） 监测工作电压、电流、温度
2） 外壳是否膨胀或漏油，附属设备是否齐全。
3） 里面有没有异响。
4） 保险丝是否熔断，放电装置是否完好。
5） 检查每个接触点是否有发热和小火花放电。
6） 套管是否清洁完好，有无裂纹或闪络现象。
7） 检查引线连接处是否有松动、脱离或断裂，并检查母线是否有烧伤或过热。
8） 室内通风和机壳接地是否良好。
9） 电容器组继电保护的运行状态。
