串聯電容器組

電容器組為多個電容器組成的一個工作組，有串聯和並聯兩種形式。串聯情況下，耐壓為兩者之和，容量為兩者的倒數和分之一；並聯情況下，耐壓為兩者中耐壓最低的那個值，容量為二者之和。簡單點説就是串聯耐壓升高，容量降低。並聯耐壓不變，容量升高。

電容器組具有容量大、單元數量多、電壓等級高等特點。採用並聯電抗器組可以進行線路的無功功率補償，而採用串聯電容器補償技術是提高輸變電網穩定極限以及經濟性的有效手段之一。

串聯電容器補償技術是提高輸變電網穩定極限以及經濟性的有效手段之一，在高壓長線上加裝串聯電容器以補償線路感抗，縮短交流傳輸的電氣距離，提高線路輸送容量，降低線路輸送損耗，更加合理地分配輸送功率。從而提高電力系統的穩定運行水平和經濟性、可靠性[1]。

無功功率補償最簡單經濟的辦法就是安裝並聯電容器組，目前，我國電力發電裝機總容量已達 13 億 kW 以上，容性無功裝機容量已達 6 億 kvar 以上，其中絕大部分是並聯電容器裝置，採用並聯電容器組能夠有效地減少線路損耗，提高供電質量，最終達到提高電力系統運行效率的作用[2]。

電容器組配套設置的串聯電抗器是為了限制合閘湧流和限制諧波兩個目的，是降低電容器組在合閘過程中產生的湧流倍數和湧流頻率對電容器組的影響；能限制操作過電壓，濾除指定的高次諧波，同時抑制其它次諧波放大，減少電網中電壓波形畸變。

電抗器特性

1、鐵芯電抗器

噪聲大、電抗器線性度差、能引起漏磁、局部過熱，易發生磁飽和，燒燬線圈。系統過壓、過流和諧波的影響，致使鐵芯過飽和電抗值急劇下降，抑制諧波的能力下降，抗短路電流能力低。乾式鐵芯式電抗器除上述缺點外，還不能在室外運行。

2、乾式空芯電抗器

乾式空心電抗器結構上不用任何鐵磁性材料，因此，線性度大大優於鐵芯電抗器，應該首選。但由於沒有鐵芯，繞組中通過單位電流所產生的磁通較小，所以體積較大。再有空心電抗器附近存在磁導體的話，將使電抗值升高，在正常情況下電抗器的磁通在空氣中形成迴路，但安裝場所屋頂、地面、牆壁、圍欄等如有鐵鋼等磁性材料存在，則會在其中引起發熱，因此空心電抗器在安裝時對周圍物體有一定距離要求，同時為避免相鄰兩組電抗器相互影響，同樣也需要保持一定距離。

3、半芯電抗器

半芯電抭器是介於鐵芯電抭器和空芯電抗器之間的一種新型電抭器， 在空芯電抗器繞組內加上不閉合磁路的鐵芯，使半芯電抗器具有鐵芯電抗器和空芯電抗器的優點。組成全新的半芯電抗器，半芯電抗器線圏直徑比空芯電抗器直徑小 20% 電抗器損耗低 25%，線性度接近於直線，阻抗不隨電流增加而減小，噪聲低於 50db。便於在櫃內安裝，是無功補償比較好的串聯電抗器[3]。

串聯電抗器的選型原則

用電企業都有自身的特點，對設備有不同的要求，乾式電抗器有噪音小、電抗器的線性度好、機械強度高、安裝簡單等特點；油浸電抗器損耗小、佔地面積小、線性度不好、噪音大。因此，採用什麼樣的電抗器應綜合考慮。串聯電抗器主要作用是抑制諧波、限制湧流和濾除諧波。電抗率是電抗器的主要參數，電抗器的大小直接影響它的作用[3]。

高次諧波對電容器組的危害

由於容抗與電源頻率成反比，當高次諧波電壓作用於電容器組上時，因高頻率諧波使電容器容抗減小，所以通過電容器內的電流增大；換言之，此時，在基波電流的基礎上又增添了電流諧波分量，這樣波形勢必發生畸變， 結果使系統阻抗產生諧波過電壓疊加於原電壓上， 造成電壓波形畸變放大。 同時 ，通過電容器組的電流還與其電容量有關，容量愈大，容抗愈小，進而使電流更大，故在投入大容量電容器組時，上述畸變過電壓更為嚴重。諧波過電壓不僅會使系統電流、電壓的波形發生畸變，而且還會造

電容器過負荷：

1)電能質量變壞。

2)電氣設備損耗增加。

3) 電氣設備出力降低。

4)絕緣介質加速老化。

5) 影響控制、保護、檢測裝置的工作精度及工作可靠性。

特別是因高次諧波激發引起諧振的情況下，極易導致電容器過負荷、 發熱、振動及異常噪聲直至最終被燒燬， 同時還可能引起過流保護誤動作 、熔斷器熔絲熔斷、電容器組無法合閘等事故或障礙。尤其當電容器組距離諧波較近處，所造成的後果更為嚴重。為此，實施技術手段對諧波進行抑制非常重要，常用的方法比如採用串聯電抗器、加裝濾波裝置。我們通常採用諧波濾波裝置對 3 次諧波進行抑制，採用串聯電抗器對 5 次及以上諧波進行抑制[3]。

1.抑制高次諧波危害

電網在運行時不可能沒有諧波，很多電氣設備和用電設備在運行時都會產生諧波，只不過一般情況下對電網波形影響不大，不會危及正常的供電和用電，但某些情況則不同，如變壓器鐵心飽和 、電弧爐鍊鋼，大型整流設備，都會對電網帶來嚴重的諧波干擾，影響供電質量，因此必須加以治理 。

為了迴避諧波的影響，必須採取消除諧波影響的措施，其中一條重要的措施就是在電容器迴路中串聯一定數值的電抗器，即造成一個對 n 次諧波的濾波迴路。

實際運行中，各變電站普遍採有在迴路中串聯 12%電抗構成 3次諧波濾波器，12%電抗率的含義是指串聯電抗器的感抗值為該回路電容器容抗值的 12%，而用串聯 6%電抗構成 5 次諧波濾波器。不正好採用 11%和 4%，而是稍大一點，目的是使電容器迴路阻抗呈感性， 避免完全諧振時電容器過電流。

電容器櫃當變電站母線上具有兩組以上電容器組 ，且既有串聯大電抗的電容器組又有串聯小電抗的電容器組時，電容器組的投切順序是一個應該考慮的問題。投切順序不合理可能造成不良後果。由對諧波電流的分析可知：當電容器迴路呈電感性時 ，電容器迴路和系統阻抗並聯分流，可使流入系統的諧波電流減小。當電容器迴路呈電容性時，由於電容器的“補償”作用，電容器迴路在諧波電壓作用下，將產生的諧波電流流入系統，這時將使系統諧波電流擴大，並使母線電壓波形發生畸變。

2.降低電容器組的湧流倍數和湧流頻率

降低電容器組的湧流倍數和湧流頻率，以保護電容器和便於選擇配套設備。

斷路器加裝串聯電抗器後可以把合閘湧流抑制在 1+電抗率倒數的平方根倍以下。通常要求應將湧流限制在電容器額定電流的 20 倍以下，為了不發生諧波放大， 要求串聯電抗器的伏安特性儘量為線性。網絡諧波較小時 ，採用限制湧流的電抗器；電抗率在 0.1%－1%左右即可將湧流限制在額定電流的 10 倍以下，以減少電抗器的有功損耗，而且電抗器的體積小、佔地面積小、便於安裝在電容器櫃內。採用這種電抗器是即經濟，又節能。

3.提高短路阻抗，減小短路容量，降低短路電流

無功補償支路前置了串聯電抗器，當出現電容器故障時，例如電容器極板擊穿或對地擊穿，系統通過系統阻抗和串聯電抗器阻抗提供短路電流，由於串聯電抗器阻抗遠大於系統阻抗，所以有效降低了電容器短路故障時的短路容量，保證了配電斷路器斷開短路電流可能，提高了系統的安全、穩定性能。

4.減少電容器組的投切湧流，降低湧流暫態過程的幅值，有利於接觸器滅弧

接觸器投切電容器的過程中都會產生湧流，串聯電抗器可以有效抑制操作

接觸器電流的暫態過程， 有利於接觸器觸頭的斷開，避免弧光重燃，引起操作過電壓。降低過電壓的幅值，保護電容器，避免過電壓擊穿或絕緣老化。

5.減小操作電容器組引起的過電壓幅值，避免電網過電壓保護

接觸器投切電容器的過程中都會產生操作過電壓， 串聯電抗器可以有效抑制接觸器觸頭重擊穿現象出現，降低操作過電壓的幅值，保護電容器，避免過電壓擊穿或加速絕緣老化。[3]

串聯電容器組可以：提高線路輸電能力、改善系統穩定性、降低系統損耗、改善線路電壓分佈、優化平行線路間的潮流分配。

串聯電容器組的造價一般僅為架設新的輸電線路的10%左右，串聯電容器組的投資回報期僅為短短得幾年。

串聯電容器組用來補償輸電線路的電感，以提高線路的輸電能力和穩定性。串聯電容器還可以調整並聯線路的負荷分配。

目前串聯電容器組的方案有：

1） 單保護間隙方案

2） MOV方案

3） 晶閘管控制的串聯電容器（TCSC）

電容器組必須能夠承受由於短路、風力、冰、雪和地震造成的外力，這些機械力是通過精確的元件分析計算出來的。

考慮到強烈地震的情況，斜拉絕緣子串設計中一定要考慮特殊的彈簧阻尼器。串聯電容器組的自然頻率接近地震頻率時，必須使用諾基亞設計的適當的彈簧阻尼元件以減小電容器組的自然頻率。

串聯電容器組的保護和控制方案設計成一個綜合的系統，包括測量變送器、信號傳輸系統及地面安裝的人機接口和相應輔助設備的完整保護和控制系統。保護和控制的設計原則是保護電容器組，並確保系統電容器組運行要求的高可靠性和高可用性。

信號傳輸系統是保護和控制系統的有機組成部分，它連接位於絕緣平台的測量變送器和信號傳送器到位於控制室的保護和控制櫃信號接受器上，它經由一個光纖信號柱和光纜組成，把信號從絕緣平台傳送到控制室。在絕緣平台上，電流信號轉換成紅外線信號，通過光纖柱和光纜送到控制室，這些光信號轉換成適於控制和保護系統的數字信號。控制櫃和人機接口的典型佈置。

保護和控制功能完全由VME總線上的基於嵌入式控制器的計算機軟件功能由軟件實現。軟件包括保護繼電器、可編程控制器、系統監視器和用户接口模塊。

通常的保護功能有電容器的不平衡保護、電容器的過負荷保護、持續過電壓保護、平台故障保護、持續火花間隙保護、MOV單程能量積累保護、MOV能量積累保護、MOV能量上升速度保護、MOV過電流保護、MOV故障保護和次諧波保護。

對於串聯電容器的遠方操作，保護和控制系統提供的遠方終端模塊是基於IEC60870-5-101規約。

整個控制和保護系統有兩套，以確保所有保護功能的冗餘配置。

設計中特別注意到最大限度地減少設備的維護，使串聯電容器裝置無人值守運行。另一個目的是簡化維護和故障排除工作。

電容器單元是全膜結構充以環境安全可以生物降解的浸漬液。採用大容量電容器是因為經濟的原因，並減少絕緣平台的尺寸。

由於技術和經濟上的優勢，電容器元件帶內熔絲。

阻尼迴路包括並聯了阻尼電阻的空氣芯乾式電抗器，有一個火花間隙和電阻串聯，只有在電容器組放電時才把電阻串入迴路，這樣在電容器組旁路時減少損耗。

火花間隙是一個快速去遊離的非自熄的火花間隙，如果是MOV保護繼電器動作，火花間隙由保護和控制系統經光纖信號柱通過光信號觸發，輔助觸頭裏的等離子電弧立刻觸發火花間隙的主觸頭 ^[1]  。