高压电容器

高压电容器（共8篇）

高压电容器 篇1

0 引言

高压电容器是目前电力系统使用最多的配件之一, 随着我国电力电容器制造技术与设计水平的不断提高, 高压电容器的故障率也在不断降低。但由于影响电容器稳定运行的因素较多, 除电容器本身缺陷外, 电网过电压、电网谐波引起的过电流、电容器失压、断路器操作引起的过电压与运行温度都会严重影响电容器的正常运行, 甚至引发电容器爆炸起火等恶性事故的发生。本文通过对高压电容器损坏故障进行分析, 对高压电容器的保护措施提出了一些简单的意见与看法。

1 高压电容器损坏故障分析

1.1 电容器运行电压过高

高压电容器运行电压可以反映出变电所母线系统电压的状况, 并直接影响电容器的寿命和出力功能。高压电容器内部在运行中的有功功率损耗主要由介质损失和导体电阻损失两部分组成, 而其中的介质损失占高压电容器总有功功率损耗的98%以上。高压电容器介质损耗会直接影响电容器的运行温度, 可用下式表示:

式中Pr为高压电容器的有功功率损耗;Qc为高压电容器的无功功率;tgδ为高压电容器的介质损失角正切值;ω为电网角频率;C为高压电容器的电容率;U为高压电容器的运行电压。

由公式可知, 高压电容器有功功率损耗与无功功率同高压电容器运行电压的平方成正比;随着运行电压的增高, 高压电容器的有功功率损耗会迅速增加, 进而温度升高的速度也会增加, 游离增大, 导致电容器的绝缘寿命降低。另外, 因高压电容器连续运行的过电压一般定为额定电压的1.10倍, 当电容器长时间处于过电压下运行时, 会导致电容器产生过电流而损坏;所以, 高压电容器组建需要安设完善的过电压保护装置。

1.2 电网高次谐波引起的过电流

当电网中的谐波电流流入电容器, 就会叠加在高压电容器的基波电流上, 使其运行电流增大, 同时也会使高压电容器基波电压上的峰电压有效值增大。如果电容器容抗与系统感抗相匹配, 会对高次谐波产生放大作用而产生过电流和过电压, 引起电容器内部绝缘介质局部放电, 使电容器产生鼓肚、熔丝群爆等故障。

1.3 电容器所接母线失压

如果电容器在运行中突然失去电压, 可能会导致变电所电源侧瞬时跳闸或主变压器断开。若电容器在电源合闸或备用电源自动投入使用时未被移除, 可能会导致电容器带负荷产生过电压而损坏。另外, 当变电所失去电压恢复时不拆除电容器, 可能会产生谐振过电压, 使变压器或电容器损坏。因此, 电容器应设置失压保护装置, 保证电容器在所接母线失压后可靠动作, 又可在母线电压恢复正常后可靠接入。

1.4 断路器操作产生的过电压

电容器断路器多采用真空断路器, 当断路器合闸时, 断路器触头可能会发生弹跳现象而产生过电压。虽然由此产生的过电压峰值较低, 对电容器的影响也不大, 但由于电容器年投切次数在千次以上, 且断路器断开时可能引发击穿电容器的过电压, 因此, 必须采取有效的保护措施来限制断路器操作产生的过电压。

1.5 运行温度过高

由于温度升高10℃, 电容器容量下降速度就会加快一倍;如果电容器长期处于高电场与高温下运行, 会引起绝缘介质老化和介质损失增大, 进而导致电容器内部快速升温而发热, 是电容器寿命降低, 甚至导致电容器产生热击穿而损坏。按规程规定, 如果环境温度超过30℃, 电容器外壳温度超过50℃, 应开启通风装置降温, 当环境温度超过40℃时, 应立即停止电容器运行。因此, 为防止电容器因运行温度过高而损坏, 应设置温度监控装置随时监控制电容器的运行温度, 并采用强制通风装置改善电容器的散热条件, 使电容器产生的热量以对流和辐射的方式散发出来。

2 高压电容器组保护措施研究

2.1 高压电容器过电压保护

利用电容器与电抗器串联, 因容抗压降与感抗压降相位相反, 将测量电压互感器装于母线上。当电容器电压高于母线电压时,

式中Udz为动作电压;Kv为过电压系数;为感抗与容抗之比;Ue为电容器额定电压。

过电压是威胁电容器安全稳定运行的最大因素, 为防止电容器运行电压过高, 应合理配置电容器过电压保护装置。当电容器端电压高于1.10倍额定电压时, 该保护装置产生预动作信号, 当运行电压超过1.20倍额定电压5s~10s时, 产生动作信号跳闸以切断过电压继续对电容器产生损坏, 当电压恢复正常后投切以保证电容器继续进入电路工作。

2.2 高压电容器高次谐波保护措施

由于电网谐波可以产生损坏电容器的过电压与过电流, 为防止谐波损坏电容器, 应对电容器使用地区的电网谐波谐波进行测试并找出谐波源, 然后根据谐波源产生的原因采取相应的措施, 以降低谐波源的高次谐波分量。目前降低电网高次谐波最有效的办法是在电容器回路中串联适当参数的电抗器或阻尼式限流器。在电抗器参数选择时, 采用容抗与感抗相匹配的谐振点为原则, 以抑制5次及以上谐波。此外, 电抗器还能有效抑制电容器因合闸而产生的过电压, 减小断路器断开时所产生的过电压。

2.3 断路器操作过电压保护措施

断路器开关质量的好坏, 与氧化锌避雷器动作特性的好坏密切相关。为防止断路器开合产生过电压, 必须提高断路器触头的分闸速度、提高触头介质恢复强度。因此, 断路器的真空开关出头一定要选用铜铬合金触头。考虑到电容器投切操作频繁, 真空开关难免产生能够击穿电容器的操作过电压, 所以必须安装无间隙氧化锌避雷器来限制断路器产生的过电压。

3 结论

随着我国高压配电网无功补偿需求的增大, 作为电力系统中最常用的无功补偿设备电容器的使用率也大量增加。合理配置电容器保护装置, 保证电容器安全运行越显重要。在具体设计高压电容器保护装置时, 不仅要从高压电容器可能发生的故障出发, 还需充分考虑到单个电容器内熔丝与电容器组内熔丝保护特性、电容器使用温度限上与熔丝熔断时间、电容器耐爆时间之间的配合, 从而保证电容器保护装置能够有效保证电容器安全稳定运行。

参考文献

[1]SDJ-25-89, 并联电容器装置设计技术规程及条文说明[S].水利电力部.

[2]GB/T11024-2001, 标称电压1kV以上交流电力系统用并联电容器[S].

[3]马变珍.并联电容器的设计结构改进[J].电力电容器, 2007, 2.

高压电容器 篇2

大型高压容器的结构优化及发展趋势

随着科技的`快速发展,高压容器已普遍用于石油、化工、冶金、核站、宇航、医药和食品等领域.而且是这些领域的关键设备,它的应用范围越来越广,结构尺寸越来越大,结构型式和工作条件越来越复杂,操作压力和操作温度越来越高.从而对高压容器的设计要求越来越高.文章阐述了扁平绕带容器的特点,指出了大型高压容器的结构优化及其发展趋势.

作 者：陈誉欣  作者单位：广州南沙龙沙有限公司工程部,广东,广州,511455 刊 名：中国高新技术企业 英文刊名：CHINA HIGH TECHNOLOGY ENTERPRISES 年，卷(期)： “”(13) 分类号：U418 关键词：大型高压容器   扁平绕带   结构优化   只漏抑爆  

高压电容器 篇3

高压电容器在电力系统中被广泛应用, 是提高电网功率及电压质量补偿电网无功功率的主要形式, 故此, 高压电容器的正常运行极其重要。目前, 我国高压电容器的制造技术及设计水平还存在着一些问题, 由于高压电容器技术问题而出现设备故障导致的事故时有发生, 但近几年来电容器总体技术在电力部门及制造厂的共同努力下, 使得国产电力电容器的安全运行有了较大幅度的提高。据不完全统计显示, 有相当一部分电容器故障是在对电容器组进行分断操作的过程中发生的, 有的还因此引起了较为严重的二次事故。

1 高压电容器损坏故障原因分析

1.1 产品设计参数、工艺质量分析

高压电容器出现故障时应对产品的设计参数、工艺质量、材料等进行分析。首先确定产品在设计上是否存在问题, 可要求产品厂家技术人员确定该型号电容器的系统参数、电容器内元件参数的设计情况, 并结合企业标准的相关要求对以上参数进行对比, 若没有发现产品设计参数问题, 可根据产品的生产工艺分析产品质量是否存在问题。有些电容器在外观上没有任何质量问题, 这时需要解剖电容器元件查看内部是否存在很多明显的褶皱, 因为多数元件的击穿点发生在褶皱处。产生褶皱是由于在卷制过程中, 膜的张力与铝箔的张力不同, 容易发生褶皱, 该种情况很难完全杜绝。另外, 在产品结构、材料质量上也有可能存在一定的问题, 需要对电容器的材料进行分析来确定故障产生的原因。

1.2 运行电压过高

高压电容器运行电压可以反映出变电所母线系统电压的状况, 并直接影响电容器的寿命和功能。高压电容器内部在运行中的有功功率损耗主要由介质损失和导体电阻损失两部分组成。而其中的介质损失占高压电容器总有功功率损耗的98%以上。

高压电容器有功功率损耗与无功功率同高压电容器运行电压的平方成正比, 随着运行电压的增高, 高压电容器的有功功率损耗会迅速增加, 进而温度升高, 速度也会增加将会导致电容器的绝缘寿命降低。另外, 因高压电容器连续运行的过电压一般定为额定电压的1.10倍, 当电容器长时间处于过电压下运行时, 会造成电容器产生过电流而遭到损坏, 所以, 高压电容器需要安设完善的过电压保护装置。

1.3 电网高次谐波引起的过电流

当电网中的谐波电流流入电容器时, 就会叠加在高压电容器的基波电流上, 使其运行电流增大。同时也会使高压电容器基波电压上的峰电压有效值增大。如果电容器容抗与系统感抗相匹配, 会对高次谐波造成放大作用而产生过电流和过电压, 引起电容器内部绝缘介质局部放电, 使得电容器产生鼓肚、熔丝群爆等故障。

1.4 电容器所接母线失压

如果电容器在运行中突然失去电压, 可能会导致变电所电源侧瞬时跳闸或主变压器断开。若电容器在电源合闸或备用电源自动投入使用时未被移除, 可能会导致电容器带负荷产生过电压而损坏。另外, 当变电所失去电压恢复若不拆除电容器可能会产生谐振过电压, 将损坏变压器或电容器。因此, 电容器应设置失压保护装置, 保证电容器在所接母线失压后可靠动作, 又可在母线电压恢复正常后可靠接入。

1.5 断路器操作产生的过电压

断路器多采用真空断路器。当断路器合闸时, 断路器触头可能会发生弹跳现象而产生过电压。虽然由此产生的过电压峰值较低, 对电容器的影响也不大, 但由于电容器年投切次数在千次以上, 且断路器断开时可能引发击穿电容器的过电压, 因此, 必须采取有效的保护措施来限制断路器操作产生的过电压。

1.6 运行温度过高

由于温度升高10℃, 如果电容器长期处于高电场与高温下运行, 将会引起绝缘介质老化和介质损失增大, 进而导致电容器内部快速升温而发热, 使电容器寿命降低, 甚至导致电容器产生热击穿而损坏。按规程规定, 如果环境温度超过30℃, 电容器外壳温度超过50℃, 应开启通风装置降温;当环境温度超过40℃时, 应立即停止电容器运行。因此, 为防止电容器因运行温度过高而损坏, 应设置温度监控装置随时监控电容器的运行温度, 同时采用强制通风装置改善电容器的散热条件, 使电容器产生的热量以对流和辐射的方式散发出去。

2 高压电容器组保护对策

2.1 高压电容器过电压保护

高压电容器是否能安全稳定的运行, 与过电压有直接的关系, 电容器过电压过高会直接损坏电容器, 因此, 需要对电容器过电压进行保护, 设置合理有效的保护装置, 当运行电压超过额定电压120 V时, 该保护装置直接产生动作信号跳闸保护电容器, 避免其受到进一步的破坏, 直到电压恢复正常, 保证了电容器的继续工作。

2.2 电容器高次谐波保护对策

高次谐波易产生对高压电器有损坏的过电压和过电流, 首先必须找出谐波对电容器产生损坏的原因, 为降低谐波源的高次谐波分量, 可事先对使用电容器地区的电网谐波作测试, 试图找出谐波源并对其采取必要的对策。

目前有效的对策有: (1) 在电容器同路中串联适当参数的电抗器或阻尼式限流器; (2) 在选择电抗器参数时, 采用容抗与感抗相匹配的谐振点为原则, 以抑制5次及以上谐波。此外, 电抗器还能有效抑制电容器因合闸而产生的过电压, 减小断路器断开时所产生的过电压。

2.3 断路器操作过电压保护对策

断路器产生过电压导致高压电容器损坏与断路器开关、触头分闸速度、介质的恢复强度等有很大关系, 为防止此现象的产生, 需要提高断路器触头的分闸速度及介质的强度。选择断路器开关一定要选择真空并带有铜铬合金触头的开关, 电容器的投切操作较频繁, 难免会产生电容器的操作过电压, 因此, 安装无间隙氧化锌避雷器可避免产生过电压。

3 结语

随着近年来我国高压配电网无功补偿需求的增大, 高压电容器使用率大幅度增加, 本文通过对高压电容器故障的分析可知, 产品设计参数工艺质量、运行电压过高、电网高次谐波引起的过电流、电容器所接母线失压、运行温度过高等多个因素都有可能造成高压电容器的故障。要保证电容器安全稳定运行, 不仅要合理配置电容器保护装置, 更要有具体的有针对性的保护措施, 比如:对电容器过电压保护、高次谐波保护、对断路器操作过电压保护等;另外, 还需要充分考虑到单个电容器内熔丝与电容器组内熔丝保护特性、电容器使用温度与熔丝熔断时间、电容器耐爆时间之间的配合, 从而保证电容器保护装置能够有效保证电容器安全稳定运行。

摘要：高压电容器是一种在电网中广泛应用、量大面广的设备, 其在电网中的安全运行对提高电网的功率因数、降低线路损耗、提高电源质量和稳定性均起着十分重要的作用。现主要阐述了高压电容器损坏故障产生的原因, 除了电容器自身缺陷外, 电网谐波引起的过电流、电容器失压等都会导致高压电容器的非正常运行。针对上述原因, 从3个方面分析探讨了高压电容器组保护对策。

关键词：高压电容器,故障缺陷分析,损坏,保护装置,保护对策

参考文献

[1]余江, 周红阳, 赵曼勇.高压电容器不平衡保护的相关问题[J].电力系统自动化, 2006 (13)

[2]李锋.高压电容器内熔丝动作引起的过电压及其对策[J].价值工程, 2011 (9)

[3]王振, 吕家圣, 蔡金锭.交流滤波器高压电容器保护及其跳闸原因分析[J].水电能源科学, 2010 (3)

[4]邱生, 张焰, 蒋伟毅.高压电容器和配用的断路器故障分析及应对措施[J].电世界, 2010 (11)

高压电容器 篇4

高压并联电容器装置主要用于对6、10、35kV等工频电力系统进行无功补偿, 以提高功率因数, 改善电压质量, 降低线路损耗, 减少用户电费支出。随着科技的进步, 静止无功补偿逐渐由手动转为自动, 并朝动态无功补偿方向发展, 这就需要补偿装置有可靠的控制系统。若控制系统存在缺陷或出现故障, 则会造成设备损坏, 甚至引发电力事故。

1 案例简介

某输油站变电所采用ABB RVT功率因数控制器控制真空接触器来实现串联电抗器的电容器组自动延时投切, 其设计容量为每套4组电容器共1 800 (300×2+600×2) kvar, 共有2套, 分别为所内6kV I、II段母线进行集中式无功补偿。该补偿装置设有自动和手动投切两种模式, 为实现自动投切而又避免瞬时电压波动引起误动, 以及动作频繁造成电容器损坏, 更重要的是防止电容器组不停投切导致供电系统振荡, 将RVT功率因数控制器闭合输出延时设定为30s, 断开输出延时设定为10s。此外, 为保证每组电容器运行安全, 该补偿装置装设了SEL751A综合保护装置, 作为每组电容器的常规电气保护, 其中过电压保护按1.1倍额定电压值整定, 延时3min跳闸。

投产后, 补偿装置选择自动投切模式, 按照控制器中的功率因数目标值和切换顺序自动选择投切电容器组。然而, 在运行中发现被选择的电容器组因SEL751A的过电压保护而频繁投切, 最终导致部分电容器损坏。由于在质保期内, 故厂家将所有单台电容器进行了无偿更换。为避免电容器组因过电压保护而频繁投切, 将过电压保护按1.18倍额定电压值整定, 延时2min跳闸。此后, 运行中发现仍有过电压动作计时信号报警, 动作跳闸频次有所减少, 但在某一时间段 (系统电压升高时) 被选择投入的电容器组仍有频繁投切现象。查看微机报文信息, 发现真空接触器跳合闸间隔极短, 例如某日3:35:49:086#4电容器开关跳闸, 当日3:35:50:071#4电容器开关合闸, 此电容器组投切间隔小于1s, 无法满足电容器组再次投入时的安全要求。GB50227—2008中规定“当电容器再次投入时, 电容器端子上的剩余电压不超过额定电压的0.1倍”且“放电线圈的放电时间应满足电容器组脱开电源后, 在5s内将电容器组的剩余电压降至50V及以下”, 由此可知自动投切的电容器组应该满足电容器组再次合闸前剩余电压小于0.1倍额定电压值, 电容器组在剩余电压为50V时合闸是安全的, 故电容器组的投切间隔一般不小于5s。因此, 该高压并联电容器装置存在控制缺陷, 需再次进行处理, 否则还会导致电容器损坏。

2 缺陷分析

SEL751A综合保护装置电压输入取自与电容器组并联的电压互感器测量线圈, 厂家提高过电压保护定值后, 有效避免了在系统电压升高幅度较小时电容器组因过电压保护而频繁投切, 如果系统电压继续升高, 那么保护装置定会因电容器组运行电压超过保护定值而动作跳闸。真空接触器跳闸后, 电容器组将通过电压互感器放电线圈及内置放电电阻进行放电, SEL751A过电压保护计时动作复归, 0.5s (SEL751A维持跳闸时间缺省值) 跳闸时间结束后跳闸输出接点打开 (图1中1SEL~4SEL为SEL751A跳闸输出接点) , 导致保护跳闸继电器失电 (图1中1KA1~4KA1为保护跳闸继电器) , 继而保护跳闸继电器常闭接点复归, 由于在自动补偿模式下RVT控制器输出延时大于跳闸时间0.5s, 因此电容器组因RVT维持原输出接点而再次自动合闸。真空接触器合闸后, 若系统电压仍然较高且超过保护定值, 则SEL751A过电压保护动作计时, 延时2min后动作跳闸。如此反复, 只要系统电压高于保护定值, 电容器组将频繁投切。此外, 由于SEL751A跳闸时间缺省值为0.5s, 以及RVT延时切换的设置, 导致自动补偿模式下已投入的电容器组过电压保护动作执行0.5s跳闸后自动合闸, 其时间间隔小于1s, 如此控制相当于为补偿装置设置了自动重合闸, 严重违反了GB50227—2008中“并联电容器的投切装置严禁设置自动重合闸”的规定。

上述情况, 只有补偿装置选择自动投切模式时才可能发生, 因为当选择手动投切模式时, 2KA得电, 其常闭接点打开, 将会断开自动分合闸回路, 在SEL751A过电压保护跳闸输出后, 真空接触器跳闸, 电容器组退出, 等待再次手动投入。补偿装置在实际运行中, 为实时准确合理地进行无功补偿, 常选择自动投切模式, 而电容器组的过电压保护又是不可缺少的, 这就无法避免电容器组因过电压保护而频繁投切。为满足电容器组再次投入时的安全要求, 就必须解决电容器组投切间隔小于1s的问题。

3 处理措施

首先, 考虑在不改变原有电气二次回路的前提下, 通过改进电容器控制策略解决控制缺陷。若想延长电容器组再次投入的时间, 最直接有效的办法是进行延时设置。RVT的闭合输出延时和断开输出延时用于控制延时切换, 不能解决上述再次投入延时问题;复位延时是过电压、低电压等保护动作断开输出后再次闭合输出的时间间隔, 但该控制器电压输入取自补偿装置上级母线电压互感器, 无法直接监测电容器组两端电压, 且保护动作将会使4组电容器全部退出, 就不能针对单组电容器进行保护。而SEL751A跳闸输出时间 (跳闸动作持续的最小时间TDURD) 的延长将直接延长再次投入的时间间隔, TDURD设置范围是0.0~400.0s, 缺省值为0.5s, 为符合GB50227—2008规定和避免电容器组切换投入 (RVT切换输出延时30s) , 此跳闸持续时间应大于5s而小于30s。另外, 为避免被选择的电容器组再次投入时合闸涌流对母线电源的不利影响, 将4组电容器的SEL751A跳闸输出时间依次改为11、16、21、26s。这样通过更改延时设置就巧妙地解决了上述电容器组投切间隔小于1s的控制缺陷。

其次, 电容器组因过电压保护而长时间频繁投切的问题需要值班人员根据微机报文信息做出准确判断, 及时发现异常情况并将补偿装置退出, 待系统电压恢复后再次投用。

4 结束语

并联电容器无功补偿是电力系统重要技术之一, 在使用过程中出现的长时间过电压和频繁投切会对并联电容器造成损坏, 只有配置合理有效的保护装置, 才能保证电容器安全可靠运行。

参考文献

高压电容器 篇5

理想电容器是没有有功损耗的，但实际的电容器由于电介质存在漏电流和极化损耗，因此用介质损耗来表征电容器的有功损耗。本文以334 kvar电容器为计算依据，利用电容器的介质损耗值及运行容量，计算电容器的介质损耗，并在电容器内部温升达到稳定值后，以电容器的外壳最热温度作为中间变量，建立电容器内部最热点温度的计算模型，从而计算出电容器内部的最热点温度。最后，根据计算结果，对加强电容器的热稳定试验、较高环境温度下的安全运行方面提出了相关建议。

1 电容器内部最热点温度的计算模型

1.1 温度对电容器寿命的影响

电容器稳定温升的高低与电介质特性、产品容量和散热面积等因素有关。高温对薄膜的机械强度影响不大，只是薄膜在浸渍剂中的溶解度和膨润度随温度上升而增加，但达到饱和后就不再增加。电容器的局部放电起始电压和长时间的耐受电压强度在70～80℃时达到最高，另一方面，温度过高会加剧电化学反应腐蚀绝缘。文献[9]表明：电容器寿命与温度大体表现为“八度规则”，即正常运行的最高温度为70℃，电容器内部最热点温度每升高8℃，则电容器的寿命就缩短为原寿命的一半。

1.2 电容器内部最热点温度的计算原理

型号为BFM11/姨3的电容器内部元件采用2层聚丙烯薄膜作为固体电介质，浸渍剂为二芳基乙烷(PXE)。电容器的介质损耗正切值tanδ≤0.03%，而且在80℃和20℃时，基本没有变化[10]。文献[11]对不同容量下的全膜电容器作了温升试验，包括额定容量、额定频率、散热面积、电容外壳与芯的最高温升、实测可得tanδ等试验数据。以上测试数据是在环境温度为20～27℃进行的，可知容量为334 kvar的全膜电容器，100%负载运行8 h后，内部最高温度点稳定，比环境温度约高23℃。

建立电容器内部最热点温度的计算模型时，假设电容器的发热由介质损耗引起，内部等效为一个热源。介质损耗产生的热量经电介质、极板传导至外壳钢箱板，再由电容器外壳以空气对流和辐射的传热形式散发到空气中。当热传递处于动态平衡后，电容器内部最热点达到最高温度，电容器外壳也达到稳定的最高温度。具体的电容器内部最热点温度计算模型，考虑室内电力电容器的环境空气温度、导热系数、室内通风等情况[12]，根据电容器的有功损耗及运行环境中的空气温度，首先求出电容器外壳的2/3高度处的温度，然后再由外壳温度计算电容器内部的最热点温度。下面介绍具体计算模型。

1.2.1 电容器外壳对环境空气散热的计算

外壳对环境的单位时间散热量Q可分为2部分：对流散热量Qd与辐射散热量Qf。

对流散热量Qd：计算条件为电容器布置于室内，虽然散热采用排气扇通风，但室内风速小于0.2 m/s，为自然对流散热。

其中，α为对流散热系数，W/(m2·℃);tW为电容器外壳最热温度(2/3高度处)，℃;t0为环境空气温度，℃;A为电容器有效散热面积，m2。

自然对流散热系数为

辐射散热量Qf为

其中，ε为外壳辐射系数，W/m2;式中其他符号同式(1)。

电容器的钢箱外壳绝大部分为灰白色漆，取ε=0.91～0.95。

1.2.2 电容器内部发热量传导至外壳的计算

电容器的单位时间发热量等于电容器的介质损耗[13]，传导散热主要经由电容器内部浸渍剂及电容器的钢板外壳，电容器为长方体结构，可推知电容器内部存在温度最热点。电容器的介质损耗可以由电容器的运行容量及介质损耗角正切值求得：

若电容器的外壳最热温度tW已由式(1)(3)确定，则可计算电容器内部最热点温度tN。由热传导公式[11]：

式中Q为电容器单位时间发热量;k为导热系数;

A为电容器的外壳有效散热面积;dt/dz为在厚度dz材料上温度变化值为dt。

从电容器内部最热温度点至外壳最热温度(2/3处)的温度分布曲线可以近似为线性，式(5)中有效散热面积A、导热材料厚度z均为固定值，因此，式(5)简化为

式中kN为电容器内部至外壳的传热系数;tN为电容器内部最热温度;tW为电容器外壳最热温度。

由文献[11]可计算得，电容器在外壳厚度相同及浸渍剂特性相近时，在不同的外壳温度下，kN变化很小，可取1.9～2.1之间的值，温度较低时取下限值。

2 不同运行容量下电容器的最热点温度计算

在20～120℃时，电容器的全膜介质损耗角正切值稳定在0.0002左右[14]。电容器在100%负载下，约在8 h达到稳定温度[10,11]。下面以型号BFM11/姨3-334-1 W的电容器为例进行计算，该电容器额定电压为11/姨3 kV、额定容量为334 kvar，内部电介质为2层聚丙烯薄膜及浸渍剂二芳基乙烷(PXE)组成[15]，介质损耗角正切tanδ=0.02%，电容器箱体外壳尺寸(宽×深×高)为：440 mm×180 mm×630 mm。除去电容器两套管(直径为90 mm)所占的面积，电容器散热有效面积为0.9269 m2。

实际运行中，电容器一般运行于额定容量QN或以上。根据电容器的标准，电容器的容量上限为1.35 QN。在电容器内部最热点温度的计算中，电容器的运行容量分别取1.0 QN、1.1 QN、1.2 QN及1.35 QN，运行环境温度在15～55℃范围内每间隔5℃的温度点进行计算。计算结果见表1。

注：Pjz为介质损耗;tW为外壳最热温度;tN为内部最热点温度。

3 实测数据与分析

在电容器实际运行中，由于电容器的内部温度不能直接测得，因此，可用红外测量仪测量电容器外壳温度，验证电容器对环境散热的温度计算模型的正确性，并可推测电容器内部最热点温度。以下测量数据是采用美国Flir公司的红外热像仪ThermaCAM-E45进行，其测量范围：-20～+250℃，测量精度可达±2℃或±2%。334 kvar电容器外壳的红外测量的典型图像如图1所示。

图1中的上图，室内环境温度为35.0℃，测得电容器顶部的温度为40.3℃，可知电容器外壳最热温度约为42℃。图1中的下图，室内环境温度为40.5℃，电容器外壳测得的最热温度为50.8℃。所测量得到的数据与表1中1.1 QN工作状况所对应的数据相符，考虑测量误差等影响因素，测量数据表明本文前述的外壳最热温度计算公式正确。

在广东环境温度较高时，电容器实际运行环境温度在0～55℃间变化。根据GB/T 11024.1-2001，若电容器的温度上限类别为B类，则电容器的环境运行温度最高为45℃、24 h平均最高35℃。有试验数据表明，用于电容器的聚丙烯薄膜击穿电压在80℃时比25℃时约下降10%，电容器内部的工作温度应控制在80℃以下[15]。设电容器运行容量为1.1 QN，当环境温度为45℃时，则电容器外壳温度为52.7℃、内部最热点温度为87.7℃，会加速电容器的电介质老化，大幅降低电介质的击穿场强耐受值。

4 结论

高压电容器 篇6

关键词：高压并联电容器,补偿装置,熔断器,继电保护

0引言

近年来, 随着用电量的日益增加, 供电系统 常常出现 供不应求的现象, 其中一个主要原因是供电系统发生故障率高, 容易造成电能浪费, 降低输配电效率, 电网系统中, 主要是高压电容器组发生故障较 多, 这就要求 对其进行 更全面的 保护。目前, 我国电网中多采用并联电容器组作为补偿装置。为了提高输配电系统的供电质量并降低无功损耗, 无功功率补偿是应用最为广泛的补偿方式。传统的电容器补偿装置保护措施不 够完善, 一般只有内部故障保护和过电流保护, 但是没有设置 多次电容器爆炸和电容器组起火方面的保护措施。多起电容 器爆炸和电容器组起火事故的发生, 证明必须要对电容器补偿装置进行二次保护, 以保证高压电容器能够稳定可靠的工作。随着科技的进步, 相关专业人员也越来越重视高压并联电容器补偿装置的二次保护。下文对此展开讨论。

1高压并联电容器补偿装置二次保护的重要性

高压并联电容器补偿装置的主要组成部分有高压开关柜、并联电容器及其支架、串联电抗器、接地开关、单台电容器保护专用熔断器等。并联补偿装置的主要功能元件包括并联电 容器和与其串联的电抗器。在并联补偿装置中, 将电抗器串联到电容器中, 主要目的是当某些特定谐波通过时, 可以形成一 个高阻抗通路, 该高阻抗 通路可以 使电容器 避免谐波 带来的危害, 保证电容器始终在完全的工频电流条件下工作, 或者仅允许少部分谐波电流流入, 防止电容器超载, 避免事故 发生。传统的简单并联电容器无功补偿方式安全性差、效率低, 所以必须要设计针对不同形式负载条件的高压并联电容器补偿成套装置对其进行补偿, 并且随着用电量的增加和用电电压的提高必须要设计电容器补偿装置的二次保护, 保证整个电网系统可以安全可靠的运行。

2电容器组的保护

电容器组的保护方式有多种, 通常包括 继电保护、内 部熔丝保护和外部熔丝保护等。一旦电容器内部发生故障, 继电保护和外部熔丝保护共同作用, 防止电容器发生爆炸。进口电容器组和有内部熔丝的并联电容器多采用内部熔丝作为电容器的内部保护。下面介绍外部熔丝保护和继电保护的具体形式。

2.1外部熔丝保护

当单台电容器内部发生绝缘损坏时, 很容易产生极间的短路现象, 从而造成运行停止, 甚至发生失火事故。为了 避免短路现象的发生, 在每台电容器都要安装专用的熔断器。专用熔断器可以避免单台电容器损坏而导致极间短路等联锁反应的发生。常用的专用 熔断器有 限流式熔 断器和喷 逐式熔断 器。因为限流式熔断器成本较高, 所以目前我国输配电系统中多采用BRN-10/P型号的喷逐式 作为电容 器保护专 用熔断器。应根据熔断器的时间—电流特性曲线选择电 容器保护 专用熔断器, 合格的熔断器的时间—电流特性曲线应该在被保护电容器外壳爆裂概率曲线的左边, 熔断器的额定电压必须高于被保护电容器组的额定电压, 熔丝额定电流具体计算方法为:

式中, I为熔丝额定电流;Qc为被保护电容器的额定容量;Ue为被保护电容器额定电压。

2.2继电保护

目前我国使用的电容器组接线方式主要有三 角形和不 接地星形。在三角形接线电容器组中, 当电容器被击穿而造成短路时, 会产生很大的故障电流, 很可能造成电容器爆炸事故, 并且三角形接线方式的电容器还存在很多缺点, 比如, 三角形接线电容器没有可靠的保护方式, 并且其对单台保护熔断器有很高的性能要求。所以在20世纪80年代后, 三角形接线方式逐步被淘汰, 多采用星形接线方式, 因此本文主要介绍星形 接线方式, 不再介绍三角形接线方式。单星形接线方式优于双星形接线方式, 因为单星形接线电容器组是采用开口三角电压进行保护, 保护方式简单可靠并且投资少, 灵敏度高, 更容易布 置, 并且单星形接线电容器组没有双星形发生两臂对称故障时不能动作的不足, 所以目前 使用单星 形接线方 式的电容 器组较多。根据接线方式的不同, 继电保护分为以下3种形式:

2.2.1零序电流保护

零序电流保护主要应用于双星形接 线的电容 器组。双星形接线的不平衡电流保护整定计算公式为:

式中, Idz为每台电容器的额定电流 (A) ;I0为中性点 之间流经的电流 (A) , 当电容器 组装有专 用熔断器 保护时, , 当电容器组未安装专用的熔断器保护时, 必须要校验动作值, 否则可能会对正常状态下的不平衡电流产生影响, 即为正常状态下不平衡电流) 。

2.2.2零序电压保护

零序电压保护适用于电容器组单星 接线的形 式。零序电压保护的计算方式为:如果电容器组设有专用的单台熔断器保护, 则如果电容 器组没有 专用的熔 断器保护, 则其中, Udz为动作电 压 (V) ;K为发生故障而断开的电容器数;N为每相电容器串联段数;M为每相串联段并联电容器数;β为击穿1台电容器的百分数;Uex为电容器组额定相电压 (V) 。因为三相电容器是不平衡的, 并且电网本身的电压也具有不对称性质, 所以在正常工作时有不平衡零序电压存在, 应对其进行校核验证, 即Udz≥KKU0bp (KK为可靠系数, 通常取1.2~1.4) 。

2.2.3电压差动保护和桥式差电流保护

电压差动保护多用于多段串联的单星电容器组中;桥式差电保护适用于每相都接成4个桥的电容器组。

3高压并联电容器补偿装置的二次保护

高压并联电容器补偿成套装置的保护 包括:谐波保护、失压保护、过电压保护和过电流保护等。

3.1过电压保护

电容器组在运行过程中对作用在其上的电压是有限制的, 一般作用在电容器组上的电压不能超过1.2倍的额定电压, 如果电容器组长期在 高电压条 件下工作 可能会击 穿电容器 组。目前电容器组都装有母线过电压保护装置, 目的是防止当母线稳态电压突然升高时, 电容器组被击穿现象的发生。电容器组安装的过电压保护装置是带时限动作于信号。

母线过电压保护具体计算公式为:

式中, Udz为保护装置的动作电压;K为电容器组允许的电压与额定电压的比值;Uem为电容器额定电压;A为电容器组每相的感抗与容抗的比值, 通常可以根据不同的系统参照表对电容器组中的过电压保护参数进行整定。

例如, 在装置中安装有危机保护装置, 但是系统 中存在很严重的过电压现象, 就必须在微机保护装置中参照具体参数表设置过电压保护。该方法已经成熟应用于多项工程中, 且实际效果很好。

3.2失压保护

如果系统发生线路故障而导致电容器组失去电源, 而修复故障后又使电容器组的母线带电, 此时电容器的端子存在残余电压, 且该残余电压高于0.2倍的额定电压, 在此条件下, 电容器组将承受高于其允许的1.2倍额定电压, 从而造成电容器击穿破坏。所以应该增加失压保护装置, 且失压保护装置带时限动作于跳闸。

母线失压保护的具体计算公式为:

式中, K为当系统 工作正常 时出现的 最低电压 系数, 通常取0.3~0.5;Uhm为电容器组的母线电压 (V) ;n为电容器 装置的电压互感变化比。

4结语

本文所述保护方式已经成功应用于 输配电、钢铁、石 化等行业用电系统的系统补偿中, 并且高压并联电容器补偿成套装置的二次保护已经在实际运行中得到验证是安全可靠的, 装有本文讨论的保护系统的电容器组设备运行稳定可靠, 没有发生过电容器失火和电容器爆炸等重大危险事故。高压并联 电容器补偿装置的二次保护还有待进一步完善和改进。本文 所做研究可以为以后对于高压并联电容器补偿装置的二次保护的深入研究提供支持。

参考文献

高压容器设计及制作探析 篇7

1.1 高压容器应用

高压容器在军事工业的应用包括;炮筒、恒动力装置。化学和石油化工方面包括:合成氨、合成尿素、合成甲醇、油类加醇等合成反应的高压反器、高压缓冲与储存容器。电力工业包括:核反应堆、水压机的蓄力器。

1.2 高压容器的材料

1.2.1简体与封头具有特殊要求

(1) 强度与韧性。通常采用低合金钢来提高材料强度、减少壁厚。

(2) 制造工艺性能。可焊性、吸气性、抗热裂与冷裂倾向、抗晶体粗大率倾向等, 具有很好的可煅性。

(3) 除此之外, 还应具有耐腐蚀性、耐高温性能

2 目前存在的问题及解决方法

(1) 多层夹紧式高压容器的应用催生了许多新的课题的出现, 目前需要我们进一步研究。问题包括:多层钢板包扎紧度技术、生产率低、每层钢板纵向焊接错位、生产工序多等等。只有这些问题得到解决, 高压容器设计及制作技术才会更加趋于成熟。

(2) 为了解决生产工序多、生产效率低等问题, 通过在保证容器强度不受影响基础上, 通过适当降低对层板间间隙和层板允许松动面积的标准达到提高生产效率的效果。

由于第一层层板纵建、环缝对接时对内筒造成热影响, 可以采用第一层层板与内筒之间加盲层的方法来消除由于焊接对内筒的热影响。层板与锻件端部的连接处可以通过煅焊过渡层并预先热处理来解决焊后需要热处理的问题。这种方法安全可靠, 在深环焊缝多层包扎结构中已经被普遍采用。

(3) 为了承受较高的压力、温度、介质的腐蚀, 高压容器的操作条件比较苛刻, 对设计时的材料选择、结构合理性等的要求也相对较高。但目前国内常规设计的设计者充分依赖电算, 忽视必要的计算过程, 将带来一系列错误和安全隐患

(4) 高压容器螺栓设计尺寸误差。无螺纹的直径尺寸小于螺纹部分的根径尺寸是高压螺栓的机构特点。计算程序里给出的直径尺寸大于实际高压螺栓的无螺纹部分直径。因为这个原因, 造成了计算机书中的螺栓实际面积大于所需螺栓面积的假象。所以, 实际的螺栓面积不一定合格是经常产生的一种情况。为了解决这个问题, 设计人员应人为输入、更改程序中的原有尺寸, 不能完全依赖机器。

(5) 非标准法兰设计

在实际生活中经常会遇到设备直径或设计压力超过标准的法兰。在实际制作、安装时无法满足要求, 法兰容易产生微变形, 损坏法兰的密封性能。所以需要设计法兰的结构尺寸, 并注意以下问题:

(1) 参照国家标准确定的法兰尺寸, 保证扳手操作空间, 从而保证上紧螺栓。

(2) 考虑法兰腐蚀欲量, 法兰内径输入值应为实际内径2倍。

(3) 法兰小端厚度应与法兰连接的简体、封头厚2、3mm。

(6) 压力容器设计使用寿命

压力容器使用寿命是投入运行后定期检查、安全等级评定的重要依据, 影响压力容器寿命的原因很多, 一般需要考虑腐蚀裕量、疲劳、蠕变等综合因素, 与设备运行管理密切相关。这一问题虽然比较难解决, 但设计者必须本着为用户负责, 为人民的生命安全考虑, 必须竭力提高文件质量, 解决这一问题。

(7) 小直径压力容器B类焊缝无损检测比例及长度

小直径压力容器的制造过程中, 其B类焊缝的检查为了节省成本, 一些压力容器制造商不顾标准和图纸的要求, 改变焊缝的检测长度, 以《容规》没有这一规定为借口, 国家有关部门严格规定, 在《容规》与GB150发生冲突时按照较严格的标准执行。

3 机构设计及设计选型

3.1 整体锻造型

锻造容器质量好, 和与焊接性能较差的高强钢制作的超高压容器, 由于锻造条件的限制, 一般直径均小于12米。

3.2 单层式

单层厚壁高压容器的形式包括以下几种:

单层卷焊式:具有周期短、效率高的优点;

单层瓦片式:生产效率差、费工费时;

无缝钢管式:生产效率高、生产周期短;

但是, 以上三种形式都有其制约因素:

厚材料来源 (2) 大型机械条件 (3) 纵向和环向深厚焊缝中缺陷监测

3.3 多层式

(1) 层板包扎式, 具有如下特点:只需薄板, 原材料供应方便;

只需卷板机和包扎机;只需简体应力分布;叫单层安全等特点。但是同时具有生产效率低、层板效率利用率低、层板间间隙较难控制等缺点。

(2) 多层式, 包括热套式和绕板式两种。热套式的特点有生产效率高、层数少、焊缝质量容易保证。绕板式效率高、材料利用率高、机械化程度高。

3.4 绕带式

对原材料要求一般, 材料利用率高, 缠绕机简单, 制造方便, 成本低。

4 设计选型原则

设计选型时需要综合原材料来源, 必须将配套的焊条焊丝、制造厂所具备的设备条件和工夹具条件, 同时特殊材料的焊接能力、特处理条件等条件做充分全面的考虑之后, 才能够做到选型正确, 只有遵循这样的选型原则才能对选型有正确的把握。

5 密封结构

高压密封的结构形式:伍德密封、双锥密封、卡扎里密封、平垫密封、c型密封、空心金属o型密封、高压管道密封等形式

6 设计步骤

6.1 确定容器类别

根据工作压力的大小、介质的危害性和容器破坏时的危害性

6.2 确定压力设计

设计压力一般取最高工作压力 (1.4MPa) 的1.05至1.10倍, 具体取值取决于介质的危害性和容器所附带的安全装置。介质无害可取下限。

6.3 确定设计温度

不仅要考虑用户提供的工作温度, 还要考虑容器环境温度。

6.4 确定几何容积

按结构设计完成后的实际容积填写

6.5 确定腐蚀裕量

应先选定受压元件的材质, 再确定腐蚀裕量。《容规》规定了一些常见介质的腐蚀裕量。

6.6 确定焊缝系数

7 结语

设计和制作高压容器要考虑工艺性和经济性为了设计出更加安全、合理、可靠的产品, 高压容器设计必须符合国家标准, 正确对待将要输入的数据, 判断结构是否合理, 掌握熟练的技术规范, 从而设计出符合实际需要的产品。

参考文献

[1]夏锋社, 朱哲, 淡勇.高压容器筒体结构的最优化设计[J].西安石油大学学报 (自然科学版) , 2010, (01) [1]夏锋社, 朱哲, 淡勇.高压容器筒体结构的最优化设计[J].西安石油大学学报 (自然科学版) , 2010, (01)

电容型高压验电器安全探讨 篇8

高压验电器主要由检测指示器、绝缘构件、护手等三个部分组成。按验电器的显示方式, 可分为声类、光类、数字类、回转类、组合式类等。[1]由于验电器使用环境的复杂性和重要性, 一般均采用声光组合的形式;按照验电方式及主要元件构成及其工作原理, 又可分为电容型验电器、电阻型验电器和感应型验电器。由于电容型验电器原理结构简单, 操作安全可靠, 因而在电力行业得到了广泛应用。

2 验电器的结构原理

某验电器的电路结构 (如图1) , 只有在正弦交流电压的正半周, 三极管T1导通, 在负半周则三极管截止, 靠后面的逻辑回路保证在验电工作期间持续发光发声。

通过分析上述的验电器电路原理图, 可以将整个验电器看成由R1、R2、C0、C′0构成的一个等效RC回路, 或者一个高压信号继电器 (如图2) , 验电器也同样具有继电器的可靠性、选择性、快速性、灵敏性要求。验电器的绝缘杆可以等效为高压隔离电容C0, 人体可等效为电容C′0, 由于C0很小, 阻抗很大, 因此限制了通过人体C′0上的泄漏电流, 保证了验电人员的安全。

3 验电器检测中的问题

1) 某新验电器, 测试起动电压值接近40%, 动作不灵敏。分析原因可知该批次验电器的绝缘杆发错, 造成验电器灵敏度偏低。

2) 某新型验电器, 在做起动电压值测试时, 验电器动作延时达到2～3s左右, 不能动作快速。原因是厂方为了提高验电器抗干扰能力, 在检测指示器的逻辑回路中增大了延时回路的电容器容量。更换合适的电容器后正常。

3) 在金属表面较大的带电设备上验电时, 如110～220kV开关的三角箱部、CT及PT的头部、PH及PR型刀闸的底座导体部位测量时无声响指示, 无光亮指示, 响应时间延长 (约3～4s) ;而在110～220kV设备的表面较小的部位和35kV及以下电压等级的设备上验电时反应正常[2]。

取一块面积为300×200mm2的不锈钢板, 加undefinedkV额定电压, 比较不同的220kV验电器的动作情况。该试验表明, 若验电器设计制作不合理, 在有电部位验电也能得出设备不带电的结论, 即验电器验电时存在死区, 有很大的安全隐患。

4 干扰产生原因与抗干扰措施

在利用高压验电器对设备进行验电时, 验电器和验电操作人员都暴露在高压强电场下, 由于验电器是以测量高压泄漏电流值的原理来工作的设备, 而构成检测指示器部分的主要元件是电场敏感器件, 必然会受到高压电场的干扰。

在高压电场中的设备上产生的电场感应, 可以看成是分布电容间的耦合, 如图3。

图中A为干扰源, B点为受感应设备, C1为A、B之间的分布电容;C2为受感应设备的对地电容。其中Ua和Ub之间的关系为Ub=C1×Ua/ (C1+C2) 。

为了减弱B上面的电场感应, 可选择使用的方法有:

1) 增大A和B之间的距离, 减小C1。

2) 减小B和地之间的距离, 增大C2。

3) 在AB之间放置一块金属薄板或使用金属屏蔽罩将B罩住, C1将趋向0数值。由于方法1和方法2对验电器的结构或功能影响较大, 而且受到环境条件的限制, 因此方法3是最理想的选项。

从图4可以看出, 插入接地的屏蔽板后, 就形成两个分布电容C3和C4, C2和C4处在并联的位置。在B点设备上的感应电压Ub′应当是A点电压被A、B之间的剩余电容C′1与并联电容C2和C4的分压, 即Ub′=C′1×Ua/ (C′1+C2+C4) 。由于加入屏蔽后的C′1远小于未做屏蔽的C1, 所以此时在B点的感应电压就会减小很多。

为了进一步验证以上结论, 通过对多种验电器的线路板、元器件、制作工艺及抗干扰性能进行了相互比较, 可以得出以下结论:抗干扰能力较强的验电器, 线路板制作工艺较高, 采用贴片元件, 并有大面积的印刷板接地, 有效地抑制了干扰, 可靠性很高;而采用普通三极管和直插式CMOS元件的验电器, 元器件较大, 印刷板接地面积小, 通常抗干扰能力和可靠性较差。另外检测指示器的模拟电路和数字逻辑电路部分没有隔离, 验电器动作逻辑容易受到强电场干扰, 是造成验电器工作存在死区的主要原因。

5 结束语

综上所述, 对验电器的使用、制造和检测采取措施做进一步的规范:

1) 正确维护和使用验电器, 应尽量在带电体的边缘部位验电, 保证接触带电体的时间在1秒以上。

2) 提高验电器特别是检测指示器的制作质量, 做到强电与弱电有效隔离, 减少高压电场的干扰。

3) 在周期检定和新产品验收试验时, 应改进检测工艺, 提高检测水平, 如精确测试验电器的响应时间, 检测验电器的抗干扰性能。对新购置的批量产品和性能不稳定的产品, 更要从多方面考核其综合性能。

参考文献

[1]DL740-2000, 电容型验电器[S].