低壓并聯(lián)電容器損壞的分析及改進(jìn)

崔金鑫

（合肥供水集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230011）

0 引 言

功率因數(shù)是交流電路中一個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)，在數(shù)值上是有功功率P和視在功率S的比值，是衡量用電設(shè)備效率高低的一個(gè)系數(shù)。電動(dòng)機(jī)是典型的感性負(fù)載，交流異步電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載時(shí)的功率因數(shù)只有0.8左右，如果沒有滿載，功率因數(shù)還會(huì)更低。這些感性負(fù)載除了從電力系統(tǒng)中吸收有功功率以外，還消耗一定無功功率用以建立磁場。若這些無功功率全部由變壓器二次側(cè)提供，將導(dǎo)致變壓器的有效輸出功率下降，同時(shí)造成線路電流和線損增大，使功率因數(shù)無法達(dá)到0.90，供電公司也會(huì)對用電企業(yè)進(jìn)行力調(diào)電費(fèi)罰款[1]。因此，必須使用有效的無功補(bǔ)償設(shè)備提高功率因數(shù)。某水廠低壓系統(tǒng)配有兩臺(tái)額定容量為800 kVA的變壓器，共有兩段低壓進(jìn)線，每路進(jìn)線配有一臺(tái)電容補(bǔ)償柜，每臺(tái)電容柜含有6只電容器，其中無功功率為50 kvar的有5只，25 kvar的有1只，總計(jì)275 kvar。電容柜通過功率因數(shù)控制器取樣電壓和電流情況，實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)功率因數(shù)，根據(jù)功率因數(shù)的情況自動(dòng)投入若干只電容器，以滿足無功補(bǔ)償需要[2]。水廠低壓系統(tǒng)兩端進(jìn)線柜中間設(shè)有聯(lián)絡(luò)柜，平時(shí)采用單變壓器、單母線通過聯(lián)絡(luò)柜給低壓設(shè)備供電的運(yùn)行模式。自2017年水廠二期建設(shè)投產(chǎn)以來，水廠當(dāng)班巡檢人員多次發(fā)現(xiàn)低壓配電系統(tǒng)功率因數(shù)較低，電容補(bǔ)償柜電流表電流存在不平衡的現(xiàn)象，柜內(nèi)電容器時(shí)有鼓包和漏液，存在很大的安全隱患，急需解決。基于此，對于低壓配電系統(tǒng)電容器的損壞原因分析很有必要[1]。

1 低壓配電系統(tǒng)電容器的損壞原因分析

結(jié)合現(xiàn)場情況和電容器自身的特性，電容器頻繁損壞可能是以下幾個(gè)方面的原因。一是低壓系統(tǒng)電容補(bǔ)償柜電纜接線存在虛接的現(xiàn)象，造成并聯(lián)電容器投入運(yùn)行時(shí)會(huì)使某一相瞬間斷電，引起電流不平衡，長期運(yùn)行造成電容器受到發(fā)熱損壞。二是由于水廠一期時(shí)電容的損壞頻次較低，二期負(fù)載增加后故障率高，單變壓器單母線運(yùn)行時(shí)電容容量無法滿足需要，使電容器頻繁投切，造成過負(fù)荷，壽命降低。三是現(xiàn)場環(huán)境溫度過高、濕度大，會(huì)加快電容器的熱老化和腐蝕，出現(xiàn)鼓包、漏液等故障。四是進(jìn)線電源質(zhì)量較差，系統(tǒng)中存在大量的諧波。如果并聯(lián)電容器在有諧波的環(huán)境下工作，可能會(huì)產(chǎn)生更大的諧波電壓和諧波電流，使電容器極間擊穿或損毀。

2 改進(jìn)措施

2.1 緊固所有接線螺栓、端子

細(xì)致檢查低壓配電柜以及所有電纜、熔斷器、斷路器、電容器、接線端子等。經(jīng)檢查，部分接線螺栓存在松動(dòng)現(xiàn)象，電容柜的刀融隔離開關(guān)接線樁頭有發(fā)熱跡象，如圖1所示。由于接線不牢，三相電流不平衡，因此對所有接線端子和電纜接線樁頭螺栓全部緊固，同時(shí)更換了發(fā)熱的熔斷器式隔離開關(guān)，處理后電容器的三相電流的數(shù)值誤差更小了，對電容器的正常工作也起到了較好的作用[2]。

圖1 刀融隔離開關(guān)虛接發(fā)熱

2.2 調(diào)整供電模式

實(shí)際工程中，因用戶設(shè)備總的最大無功功率需量是比較難計(jì)算的，所以通常采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算，即按照變壓器容量的20%～40%來取。一般設(shè)計(jì)取中間值也就是0.3，所以800 kVA應(yīng)該是800×0.3=240 kvar，總補(bǔ)償容量為240 kvar，最大可以取到320 kvar。水廠當(dāng)臺(tái)電容柜電容容量是275 kvar，極端情況下當(dāng)臺(tái)電容柜已無法滿足生產(chǎn)要求。水廠一期時(shí)低壓主要感性負(fù)載是反沖泵房兩臺(tái)32 kW鼓風(fēng)機(jī)和3臺(tái)45 kW水泵，投入1～2只電容器即能滿足功率因數(shù)要求。水廠二期投產(chǎn)時(shí)，新增了脫水車間離心機(jī)、沉淀池?cái)嚢铏C(jī)以及排水泵等負(fù)載。

為了滿足功率因數(shù)要求，需要投入5只甚至6只電容器才能滿足要求。由于水廠低壓設(shè)備需要經(jīng)常性的開、停機(jī)，會(huì)造成電容器的頻繁投切和沖擊，這也是電容器故障的一個(gè)原因。鑒于此，水廠對供電模式進(jìn)行改變。將低壓配電系統(tǒng)由單變壓器、單母線改為雙變壓器同時(shí)運(yùn)行方式。正常運(yùn)行時(shí)，兩路低壓進(jìn)線柜合閘，聯(lián)絡(luò)柜斷開。一方面，當(dāng)一段進(jìn)線電源出現(xiàn)故障時(shí)，采用手動(dòng)方式合上聯(lián)絡(luò)柜，確保失壓段配電柜恢復(fù)供電，供電的穩(wěn)定性也得到了提高。另一方面，較大負(fù)荷的感性負(fù)載均勻的分布在兩路進(jìn)線柜側(cè)，兩臺(tái)電容柜電容器可以較平均的投切，共計(jì)550 kvar的電容器容量很富裕，完全能夠滿足水廠的生產(chǎn)需求[2]。

2.3 改善電容器工作環(huán)境

隨著負(fù)載的增加，原有房間的溫度也相應(yīng)增加，尤其是夏季溫度達(dá)到了40 ℃左右。查閱相關(guān)資料得知，一般現(xiàn)場環(huán)境溫度每升高10 ℃，在用的電容器故障率要提高50%。目前從故障電容器故障的分析，電容器內(nèi)部可能積累了較多的熱量沒有及時(shí)散發(fā)出去，容易造成電容器損壞現(xiàn)象，同時(shí)濕度大也會(huì)造成電容器的腐蝕。因此在配電間安裝了排風(fēng)扇和空調(diào)，降低了配電間的溫度和濕度，使電容器運(yùn)行在一個(gè)通風(fēng)干燥的良好環(huán)境中。

2.4 線路檢測分析

由于電容器回路是一個(gè)LC電路，對于某些諧波容易產(chǎn)生諧振，易造成高次諧波，使電流增加和電壓升高。且諧波的這種電流對電容器非常有害，極容易使電容器擊穿引起相間短路，因此需要對線路進(jìn)行檢測分析[1]。選用美國FLUKE 430系列電能質(zhì)量分析儀對系統(tǒng)進(jìn)行了線路檢測，此設(shè)備可以在線連續(xù)長時(shí)間測量電壓、電流的諧波和波形變動(dòng)等，用于監(jiān)測電能質(zhì)量。系統(tǒng)監(jiān)控器畫面可同時(shí)監(jiān)控多個(gè)電能質(zhì)量參數(shù)。

2.4.1 檢測內(nèi)容

電壓電流：相位、電壓電流波形以及RMS值；功率電能：有功功率、無功功率、視在功率以及功率因數(shù)；諧波數(shù)據(jù)：電壓諧波畸變率；電流諧波畸變；基波；各次諧波。

2.4.2 檢測數(shù)據(jù)

（1）電壓電流相位：電容器電流電壓相位成直角，補(bǔ)償系統(tǒng)無功電流。電壓電流波形：電流波形不規(guī)整，存在諧波電流畸變問題。電壓諧波畸變：以AB相為例，1.5%的電壓諧波畸變率，電容器任意兩端的基波電壓433 V左右。電流諧波畸變：以B相為例，基波電流53.2 A，電流諧波畸變率THDI 8.2% 總諧波電流值 53.2×8.2%=4.4 A。H5諧波含量53.2×7.9%=4.2 A。

以上數(shù)據(jù)可以看出，單臺(tái)電容器運(yùn)行時(shí)，吸收了一定量諧波電流。電流波形存在畸變情況，同時(shí)存在一定量的諧波電壓[3]。

（2）圖2為系統(tǒng)主電源側(cè)在補(bǔ)償前后兩個(gè)階段下功率和功率因數(shù)的值。通過對比，可以看出，隨著電容補(bǔ)償?shù)耐度耄到y(tǒng)有功功率增加，無功功率降低，補(bǔ)償后功率因數(shù)由0.86，抬升至0.95，說明電容器起到了很好的補(bǔ)償作用，減輕了變壓器負(fù)擔(dān)，減少了系統(tǒng)損耗。圖3為電容器未投入回路數(shù)據(jù)。電壓諧波畸變率THDU為1.3%，電流諧波畸變率THDI為4.5%。

圖2 無電容和有電容投入時(shí)功率和電能變化

圖3 電容未投入時(shí)回路諧波數(shù)據(jù)

電壓電流相位：兩個(gè)階段下，系統(tǒng)電流滯后于電壓相位，相位夾角隨著補(bǔ)償功率因數(shù)提高后變小。電壓電流波形：兩個(gè)階段下，電壓電流波形都趨近于正弦波。電壓諧波畸變：諧波電壓畸變率為1.5%。電流諧波畸變：補(bǔ)償前基波電流224.3 A，THDI 4.5%。總諧波電流值224.3×4.5%=10.1 A。H3諧波含量224.3×3.6% =8.1 A，H5諧波含量224.3×0.9%=2.0 A。電容投入后基波電流200.5 A，THDI 5.4%。總諧波電流值200.5×5.4%=10.8A。H3諧波含量 200.5× 4.1 %=8.2 A，H5諧波含量200.5×1.4% =2.8 A。通過現(xiàn)場測試分析，從測試數(shù)據(jù)來分析，現(xiàn)場諧波存在3次，5次等諧波值，但目前對電容器的運(yùn)行影響有限[4,5]。

3 結(jié) 論

通過一系列的措施改進(jìn)后，近年來水廠低壓配電系統(tǒng)無功補(bǔ)償電容柜的電容器故障率大大降低。目前電容器都能夠正常工作，對低壓配電系統(tǒng)起到了很好的補(bǔ)償效果，提高了水廠的電能利用率。