10kV緊湊型組合式電容器組選用分析

申能新能源（青海）有限公司/上海申能新能源投資有限公司 趙 維 風脈能源（武漢）股份有限公司 彭 峰

引言

變電站中并聯(lián)電容補償裝置的使用，可以向電網(wǎng)提供可階梯調(diào)節(jié)的容性無功，提高功率因數(shù)，減小無功的遠距離傳送，從而降低電網(wǎng)有功損耗，增加輸送容量，減少線路壓降，改善電壓水平，提高電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性。220kV 中間變電站低壓側(cè)為10kV 電壓等級時，并聯(lián)補償裝置分組往往會較多，土地使用面積也會較大。

某220kV 變電站經(jīng)過細致合理的無功補償容量計算及分組容量校驗，按每臺主變?nèi)萘颗渲?×8MVar 電容器成套裝置，完全滿足系統(tǒng)需求。電容補償裝置分組數(shù)目的減少，有效的降低了變電站的整體投資，減小了占地面積，使得變電站的整體布置更加緊湊合理。目前220kV 變電站低壓側(cè)應(yīng)用的電容器組按照通用設(shè)備選擇，為10kV 框架式并聯(lián)電容器成套裝置，屋外布置、配干式空芯電抗器，缺點是布置分散，占地面積較大，安裝較為復雜。

戶外干式空心電抗器絕緣是由玻璃絲、環(huán)氧樹脂膠和支柱絕緣子等構(gòu)成，匝間絕緣是關(guān)鍵問題，其主要優(yōu)點是：線性度好，具有很強的限制短路電流的能力而且噪音小，滿足變電站無油化建設(shè)的要求；主要缺點是：損耗大、體積大。在戶外布置時長期受紫外線直射，絕緣易老化開裂，造成匝間短路。表面的爬電、尤其是接地點處及其附近容易造成損壞。線圈過熱，過熱點及溫度無法計算準確。為了提高運行可靠性，最好采用分相布置“品”字形或“一”字形，這樣相間拉開了距離，有利于防止相間短路和縮小事故范圍。國網(wǎng)十八項反措（修訂版）要求：新安裝干式空芯電抗器時不應(yīng)采用疊裝結(jié)構(gòu)，避免電抗器單相事故發(fā)展為相間事故。但如采用分相布置，將進一步增大框架式并聯(lián)電容器成套裝置的占地面積，不利于變電站的總平布置。

針對上述問題，選用新型緊湊化10kV 組合式電容器組，并與傳統(tǒng)框架式電容器成套裝置[1]進行了對比。

1 集合式電容器介紹

1.1 兩種集合式電容器的特點對比

集合式電容器。采用油枕來提供油膨脹和收縮。特點：結(jié)構(gòu)簡單、制作簡便。有油位觀察器，可以觀測到內(nèi)部油的情況，與外界空氣連通來提供油膨脹和收縮的空間；內(nèi)部單臺電容器串采用小元件。特點：與單臺電容器的元件通用，采用內(nèi)熔絲，元件與內(nèi)熔絲之間采用導線焊接連接，兩層膜結(jié)構(gòu)；單臺電容器內(nèi)部為電容器油，箱體內(nèi)部為變壓器油。

集合式Ⅱ型電容器。采用專用油膨脹器。特點：全封閉，靠自身體積的改變提供油膨脹和收縮的空間，采用片式結(jié)構(gòu)，可通過增減片數(shù)來改變膨脹程度；采用大元件。特點：折邊由小元件的5mm 增加到5cm，單元容量很大，沒有內(nèi)熔絲，元件之間采用專用的線夾通過壓接連接，三層膜結(jié)構(gòu)；電容器元件直接浸在箱體的電容器油之中，電容器油中增加特殊的添加劑，延緩油老化速度。

1.2 集合式Ⅱ型電容器的優(yōu)點

性能穩(wěn)定可靠。集合式Ⅱ型電容器采用超大元件直接放入全密封箱殼內(nèi)構(gòu)成。元件采用3層膜結(jié)構(gòu)，壓緊系數(shù)k=1時的場強E≤40kV/mm。元件之間采用專用鈍化處理的壓接端子和編織線連接。這使得電容器組能承受更多的諧波和過電壓影響，不至于造成損壞。即使有個別元件發(fā)生擊穿，由于容量變化大，繼電保護能夠可靠動作；發(fā)熱量小，使用壽命長。采用無熔絲結(jié)構(gòu)降低損耗和發(fā)熱量。4cm寬折邊有利于元件與油熱交換。芯子與外殼之間設(shè)置充足的油隙，確保油在內(nèi)部充分循環(huán)散熱。正常運行的時候芯子溫度低于殼式電容器6～8攝氏度。

安裝簡便，運行安全。采用大容量集合一體式結(jié)構(gòu)，電容器除了進出線和差壓接線以外，其他的接線都位于電容器內(nèi)部，外殼不帶電，現(xiàn)場僅需吊裝，安裝及其簡便，運行維護量極??；節(jié)約占地面積；抗地震、抗覆冰、抗鹽害、抗高強度光照、抗高海拔和大溫差能力強。

更環(huán)保。集合式Ⅱ型電容器靜音設(shè)計，超低噪音。甚至可以在大箱殼外部采用噪聲屏蔽外殼來降低噪聲的影響。另外集合式電容器無內(nèi)部熔絲，做到低有功損耗與小發(fā)熱量，并且元件完全采用壓接式連接沒有錫焊的鉛煙。一般情況下集合式電容器組的損耗比框架式降低1/10000。如按一臺10MVar 容量，一天運行8小時，那么每年將減排2920kg。集合式Ⅱ型電容器是一種與環(huán)境和諧相處、環(huán)保產(chǎn)品；更適用于智能化電網(wǎng)。集合式Ⅱ型電容器除了配備常規(guī)的電容器組繼電保護以外，還具備壓力保護。

2 緊湊型組合式電容器裝置

2.1 緊湊型組合式電容器裝置的簡介

緊湊型組合式電容器裝置由集合式Ⅱ型并聯(lián)電容器、油浸式串聯(lián)電抗器、放電線圈、氧化鋅避雷器、保護器件及電纜進線箱等設(shè)備組合而成。電容器、電抗器和放電線圈為一體式全密封結(jié)構(gòu)，三者均為油浸式。根據(jù)類型分別裝設(shè)絕緣油的溫度補償裝置、溫度保護器件。

圖1 10kV 緊湊型組合式結(jié)構(gòu)和原理圖

2.2 緊湊型組合式電容器裝置的特點

裝置實用、美觀，采用全密封焊接方式，三相一體結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小（為框架式電容器成套裝置的1/3左右），無需圍欄，安裝簡單，戶內(nèi)、戶外均可使用；裝置工作場強較低（＜45kV/mm），電氣絕緣的裕度大，設(shè)備可靠性高；現(xiàn)場維護量小，基本上為免維護狀態(tài)。電纜進線帶電部位不外露，安全可靠無需巡視，可取消電源側(cè)隔離開關(guān)；多方面完善保護，絕緣油成浸漬密封狀態(tài)與空氣完全隔離，無需內(nèi)部試驗及油樣試驗；裝置溫升低、噪音小，運行穩(wěn)定；裝置是靜止設(shè)備，現(xiàn)場定位后，接入電網(wǎng)，即可運行；設(shè)備全絕緣直接落地安裝，抗震性能好。

圖2 10kV 緊湊型組合式電容器

2.3 緊湊型組合式電容器裝置各元器件參數(shù)特點

2.3.1 電容器

采用全膜介質(zhì)、浸漬劑采用PEPE 絕緣油，全密封結(jié)構(gòu)；電容偏差。電容器0%～4%，電容器組任何兩線路端子之間、串聯(lián)段之間的最大與最小電容之比≤1.02；介質(zhì)損耗角正切值≤0.03%；電容器芯子最熱點溫度不高于70℃（D 類溫度）；電容器設(shè)計電氣場強不大于45kV/mm（壓緊系數(shù)K=1）（場強控制在較低水平，具有較高的耐過電壓過電流水平，保證裝置的使用壽命。）；電容器外殼耐爆能量≥30kW.s；電容器外殼采用優(yōu)質(zhì)鋼板，面漆淡灰色，外殼設(shè)接地端子。

設(shè)計理念。整體設(shè)計思路以近似于零故障思路進行；卷繞方式。采用三膜結(jié)構(gòu)，有效降低元件擊穿幾率；元件卷繞。采用日本進口的專用設(shè)備，制造大元件；元件接線方式。元件連接采用壓接方式，使用專用工具，避免焊接存在虛焊的可能；元件壓裝方式。元件集合采用專用集合鐵板方式固定，保證壓緊系數(shù)準確可控制，保證元件集合后無變形，經(jīng)長期運行后，容差的變化也不大；溫升、散熱良好。不使用帶外殼的小單元結(jié)構(gòu)，大元件直接組裝在大箱殼內(nèi)，內(nèi)部絕緣油可直接形成元件與箱體的大循環(huán)對流，有利于溫度均一和散熱。

2.3.2 放電線圈、避雷器

放電線圈。型式：油浸式，附二次線圈、全密封帶不銹鋼金屬膨脹器；額定頻率：50Hz；額定電壓：與電容器的額定電壓相同；最高工作電壓：1.1倍電容器額定電壓；放電容量：按電容器容量配置。

避雷器。額定頻率50Hz；額定電壓51kV；持續(xù)運行電壓40.8kV；標稱放電電流等級10kA；2ms方波電流800A～2000A。

2.3.3 串聯(lián)電抗器

額定頻率50Hz；相數(shù)為三相；額定電抗率（K）根據(jù)系統(tǒng)需要，取4.5～6%或12% ；額定電流。應(yīng)等于與其串聯(lián)組合電容器或電容器組的額定電流；額定端電壓。應(yīng)等于與其串聯(lián)組合的一相電容器額定電壓的K 倍；額定容量。應(yīng)等于與其串聯(lián)組合的電容器或電容器組額定容量的K 倍；獨有的屏蔽技術(shù)優(yōu)化磁場結(jié)構(gòu)；采用日本新日鐵公司的硅鋼片，具有一定的磁導向，噪音和溫升低；線圈恒張力卷繞保證線圈的均勻性，線圈恒壓力干燥保證線圈的一致性；采用真空浸漬整體固化技術(shù)，損耗和噪音減至最低；專有線圈換位技術(shù)，保證線圈質(zhì)量并防止渦流損耗。

圖3 10kV 緊湊型組合式電容器裝置典型布置圖及原理圖

3 框架式電容器成套裝置與緊湊型組合式電容器裝置經(jīng)濟對比分析

3.1 占地面積比較

無功補償按每臺主變（3×8+2×6）MVar 配置，最終3×（3×8+2×6）MVar，本期2×（3×8+2×6）MVar。由于10kV 電容器組布置于110kV 戶外GIS平臺下，其采用緊湊型組合式電容器裝置，結(jié)合110kV 戶外GIS 的布置優(yōu)化，采用“一”型布置。

表1 占地面積比較

3.2 經(jīng)濟比較

10kV 框架式電容器成套裝置價格較低，近期8MVar 配干式空芯電抗器的每組價格約28.5萬元（含安裝費），6MVar 配干式空芯電抗器的每組價格約21.7萬元（含安裝費）；一組8MVar 緊湊型組合式電容器裝置的價格約為42.91萬元（含安裝費），一組6MVar 緊湊型組合式電容器裝置的價格約為32.21萬元（含安裝費）。

但緊湊型組合式電容器裝置可承諾40年免維護，40年內(nèi)出故障免費更換，框架式電容器成套裝置中電容器的使用壽命約20年，干式空芯電抗器、避雷器、放電線圈、開關(guān)配套件一般使用壽命約15年，超過一年的保持期后更換無器件要支付費用。因而在全壽命周期內(nèi)，緊湊型組合式電容器裝置不到常規(guī)框架式電容器成套裝置的20%，緊湊型組合式電容器裝置更優(yōu)。

4 結(jié)語

采用10kV 緊湊型組合式電容器裝置，該裝置由集合式Ⅱ型并聯(lián)電容器、油浸式串聯(lián)電抗器、放電線圈、氧化鋅避雷器、保護器件及電纜進線箱等設(shè)備組合而成，由于集成度較高，裝置的占地面積可大大縮小，約為同容量框架式電容器成套裝置占地面積的33.5%，可大幅降低主變低壓側(cè)布置尺寸，便于變電站總平面布置的優(yōu)化。

10kV 緊湊型組合式電容器裝置改進了制造工藝，大大降低了設(shè)備的故障率，可承諾40年免維護，假設(shè)不計節(jié)約的土建費用，初期投資約為常規(guī)框架式電容器成套裝置的1.5倍，但計及運行維護費用，從全壽命周期綜合投資比較，不到常規(guī)框架式電容器成套裝置的20%，而且由于運行維護方便、故障率低，可提高供電安全性和可靠性，取得較好的社會效益和經(jīng)濟效益。