低压无功补偿装置不宜频繁投切
日期：2008-11-11 23:44:25 来源：中国自动化网
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摘要：分析了以接触器为投切开关的低压电容无功补偿装置不宜频繁进行电容器投切的原因，阐明了投切时产生的过电压和冲击电流对自愈式电容器的各种危害，提出了合理的建议.
关键词： 自愈式；低电压并联电容器；无功补偿装置；投切；接触器；应用
Lowvoltage Reactive Power Compensation Installation
with Capacitor Not Frequently Switched
Abstract：Reasons for lowvoltage capacitor reactive power compensation installation not frequently switched are analyzed, with contactor as turnon and turnoff switching. Various endangers from overvoltage and impulse current for selfhealing shuntcapacitor produced during switching are howed. Rational suggestions are proposed.
Keywords： Selfhealing; Lowvoltage shunt capacitor; Reactive power compensation installation;Switch;Contactor; Application
在低压配电网络中，运行着大量的感性无功负荷需要进行补偿，否则，将使网络损耗增加，电压质量恶化。为了提高供用电质量，降低线损与节能，以及充分利用设备的容量，以自愈式低电压并联电容器为主要元件，接触器为投切开关的低压电容无功补偿装置得到广泛的应用。这些装置一般是将电容器分为若干组。根据控制物理量的变化，进行电容器的投切。但是，若无功负荷经常波动变化，而装置又需要将cosφ控制在较高水平时，电容器的投切，往往就比较频繁，从而可能给电容器造成危害，使其早期损坏。
1 电容器投入时，产生过电压与过电流
1.1 电容器在正弦电压下的投入
电容器投入时的等值回路如图1所示。
图1中r为回路中等值电阻
如图示，当电容器在正弦电压U(t)=Umsin(ωt+φ)下投入时，电路的微分方程
解方程(1)，可得电容器投入时，电容器上的电压Uc为：
A为常数，与电容器投入时的初始状态有关。
电容器投入时的电压Uc曲线如图2所示。
图中U′与U″分别为Uc的稳态分量与暂态分量。
1.2 电容器的初始电压为零，投入电网时的电压Uc
为了控制电容器投入时不致产生危险的过电压，一般要求电容器不能在已有充电电压的情况下投入电网，以免危及电容器与其他电气设备的安全。
所以电容器投入时的初始条件为
由式(3)和式(4)可知，电压Uc和电流i的稳态分量均为正弦交流，而暂态分量则为衰减的直流。
暂态分量的强弱与电容器投入电路的时间有关，当ψ+φ=0或π时投入，则暂态分量最大。
这时电压Uc的曲线如图3所示
从图3可看到Ucmax可接近稳态时电压Uc幅值的二倍。
由式(4)，可知电流i在ψ+φ=0时为：
当电容器刚投入，即t=0时，暂态分量之初值
所以，在稳态分量上迭加一个甚大的暂态分量i″（0)，将使投入时的电流远远超过稳态时的数值，而引起电流冲击。电流i的曲线如图4所示。
2 频繁的过电压对自愈式并联电容器的危害
2.1使电容器的绝缘介质老化过程加速
自愈式金属化并联电容器是用金属化聚丙烯薄膜进行绕卷而制成的，它的绝缘介质聚丙烯薄
膜与其它品种的电容器一样，会逐渐老化，其老化的速度与施加电压、使用温度等条件有关。一般认为，电压升高10%，寿命降低一半。具体可用下式表示：
式中：U0－额定电压
-额定电压下的使用寿命
U－实际施加电压
-过电压下的使用寿命
α-常数，一般取7－9
投入电容器所产生的过电压，虽然是瞬时的，而不是长期的，但过电压对绝缘介质的影响是能够累积的，在国标GB/T12747-1991中要求：每年的操作不超过5000次，但实际可能远不止此数。若有一个10分组的无功补偿装置，每3分钟操作一次，循环投切，一年共可操作17.5万次，平均每台电容器投切达1.75万次；为标准要求的3.5倍，而目前控制器的延时时间一般仅为10s-100s。
2.2 过电压使自愈性能提前失效
自愈式并联电容器最重要的性能是它的“自愈性能”。电容器在运行时，由于绝缘介质中存在杂质、气隙等弱点，在电场作用下被击穿形成导电通路，流过短路电流，电容器在击穿释放能量的瞬间，使其周围的金属层达到很高的温度而熔化乃至蒸发，又恢复了绝缘介质的绝缘，电容器仍可继续运行。
电容器的自愈，固然需要一定能量，但当释放的能量过大就会损伤薄膜。释放能量大，击穿点周围的薄膜温度就过高，这部分的介质就会逐步老化直至发生不能自愈的绝缘击穿。
自愈能量可用下式表示：
由式(8)可知，自愈能量W与外施电压U的4次方成正比。因此，当电容器投入而产生过电压时，若发生介质击穿而自愈，这时的自愈能量与在额定运行电压时的自愈能量相比，是十分大的。例如，当在过电压倍数为1.8或1.5时发生自愈，其自愈能量分别为额定运行电压时的10.5倍与5倍。所以，频繁的过电压将使电容器的自愈性能恶化。直至发生不能自愈的绝缘击穿。
2.3 使电容器的局部放电加剧，促进绝缘老化和电容量衰减
自愈式低电压并联电容器的局部放电性能是比较差的，作者曾进行过一些局部放电测试，某些试品的局部放电起始电压仅为250V，而且有的局部放电量达数千微微库，这一点与西容所的测试结论(3)是相符的。
在GB/12747-1991与IEC831(1998)中，虽然没有对自愈式电容器提出进行局部放电试验的要求，但产品的质量的确与其局部放电水平有很大关系。文献［3］指出，在进行耐久性试验被淘汰的一些试品中，局放性能相对好一些的试品，其经受耐久性试验的时间就长一些，也就是寿命相对长一些。国外产品也同样，例如，南朝鲜的产品质量反映较差，其局放性能相对也较差，这充分说明产品质量与其局放性能的关系。
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关键词： 自愈式；低电压并联电容器；无功补偿装置；投切；接触器；应用
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P_L_C_技_术_网——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
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with Capacitor Not Frequently Switched
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在低压配电网络中，运行着大量的感性无功负荷需要进行补偿，否则，将使网络损耗增加，电压质量恶化。为了提高供用电质量，降低线损与节能，以及充分利用设备的容量，以自愈式低电压并联电容器为主要元件，接触器为投切开关的低压电容无功补偿装置得到广泛的应用。这些装置一般是将电容器分为若干组。根据控制物理量的变化，进行电容器的投切。但是，若无功负荷经常波动变化，而装置又需要将cosφ控制在较高水平时，电容器的投切，往往就比较频繁，从而可能给电容器造成危害，使其早期损坏。
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1 电容器投入时，产生过电压与过电流
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1.1 电容器在正弦电压下的投入
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电容器投入时的等值回路如图1所示。
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图1中r为回路中等值电阻
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如图示，当电容器在正弦电压U(t)=Umsin(ωt+φ)下投入时，电路的微分方程
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解方程(1)，可得电容器投入时，电容器上的电压Uc为：
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A为常数，与电容器投入时的初始状态有关。
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电容器投入时的电压Uc曲线如图2所示。
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图中U′与U″分别为Uc的稳态分量与暂态分量。
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1.2 电容器的初始电压为零，投入电网时的电压Uc
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为了控制电容器投入时不致产生危险的过电压，一般要求电容器不能在已有充电电压的情况下投入电网，以免危及电容器与其他电气设备的安全。
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所以电容器投入时的初始条件为
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由式(3)和式(4)可知，电压Uc和电流i的稳态分量均为正弦交流，而暂态分量则为衰减的直流。
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暂态分量的强弱与电容器投入电路的时间有关，当ψ+φ=0或π时投入，则暂态分量最大。
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这时电压Uc的曲线如图3所示
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从图3可看到Ucmax可接近稳态时电压Uc幅值的二倍。
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由式(4)，可知电流i在ψ+φ=0时为：
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当电容器刚投入，即t=0时，暂态分量之初值
所以，在稳态分量上迭加一个甚大的暂态分量i″（0)，将使投入时的电流远远超过稳态时的数值，而引起电流冲击。电流i的曲线如图4所示。WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网
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2 频繁的过电压对自愈式并联电容器的危害
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2.1使电容器的绝缘介质老化过程加速
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自愈式金属化并联电容器是用金属化聚丙烯薄膜进行绕卷而制成的，它的绝缘介质聚丙烯薄
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膜与其它品种的电容器一样，会逐渐老化，其老化的速度与施加电压、使用温度等条件有关。一般认为，电压升高10%，寿命降低一半。具体可用下式表示：
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式中：U0－额定电压
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-额定电压下的使用寿命P_L_C_技_术_网——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
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-过电压下的使用寿命WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
α-常数，一般取7－9
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投入电容器所产生的过电压，虽然是瞬时的，而不是长期的，但过电压对绝缘介质的影响是能够累积的，在国标GB/T12747-1991中要求：每年的操作不超过5000次，但实际可能远不止此数。若有一个10分组的无功补偿装置，每3分钟操作一次，循环投切，一年共可操作17.5万次，平均每台电容器投切达1.75万次；为标准要求的3.5倍，而目前控制器的延时时间一般仅为10s-100s。
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2.2 过电压使自愈性能提前失效
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自愈式并联电容器最重要的性能是它的“自愈性能”。电容器在运行时，由于绝缘介质中存在杂质、气隙等弱点，在电场作用下被击穿形成导电通路，流过短路电流，电容器在击穿释放能量的瞬间，使其周围的金属层达到很高的温度而熔化乃至蒸发，又恢复了绝缘介质的绝缘，电容器仍可继续运行。
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电容器的自愈，固然需要一定能量，但当释放的能量过大就会损伤薄膜。释放能量大，击穿点周围的薄膜温度就过高，这部分的介质就会逐步老化直至发生不能自愈的绝缘击穿。
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自愈能量可用下式表示：
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由式(8)可知，自愈能量W与外施电压U的4次方成正比。因此，当电容器投入而产生过电压时，若发生介质击穿而自愈，这时的自愈能量与在额定运行电压时的自愈能量相比，是十分大的。例如，当在过电压倍数为1.8或1.5时发生自愈，其自愈能量分别为额定运行电压时的10.5倍与5倍。所以，频繁的过电压将使电容器的自愈性能恶化。直至发生不能自愈的绝缘击穿。
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2.3 使电容器的局部放电加剧，促进绝缘老化和电容量衰减
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自愈式低电压并联电容器的局部放电性能是比较差的，作者曾进行过一些局部放电测试，某些试品的局部放电起始电压仅为250V，而且有的局部放电量达数千微微库，这一点与西容所的测试结论(3)是相符的。
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在GB/12747-1991与IEC831(1998)中，虽然没有对自愈式电容器提出进行局部放电试验的要求，但产品的质量的确与其局部放电水平有很大关系。文献［3］指出，在进行耐久性试验被淘汰的一些试品中，局放性能相对好一些的试品，其经受耐久性试验的时间就长一些，也就是寿命相对长一些。国外产品也同样，例如，南朝鲜的产品质量反映较差，其局放性能相对也较差，这充分说明产品质量与其局放性能的关系。
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