并联电容器装置参数化与标准化研究

王凤婷 张文军 李虹丽 谢凌峰 王 英 李 娜

（西安西电电力电容器有限责任公司，陕西 西安 710082）

0 引言

近年来，随着电力系统的迅速发展，电压等级不断提高，输电能力也在不断增强。随着电压等级的提高和输电距离的增加，无功补偿技术及其配套的设备也有着很大进步，尤其是并联电容器装置，其更是得到空前的发展。从最初的10 kV、35 kV向高电压、大容量方向发展。目前，系统运行的并联电容器最高电压等级已达到1 000 kV［1-3］。

并联电容器作为最主要的无功补偿设备，可用于电力系统、高压试验、工业设备及其他现代科学技术装备中，在电力系统中的应用占比最高。目前，并联电容器装置被广泛应用于电力系统中，尤其是在10 kV、35 kV配电网络中。本研究以10 kV电压等级的并联电容器装置为例，对并联电容器装置的参数化与标准化进行研究，为今后电容器标准化的开展提供参考。

1 电容器装置

10 kV并联电容器一般是安装在35 kV的变电站中，配变二次出线侧，用于补偿无功功率，具有提升功率因数、降低线路损耗、改善电能质量等功能。

并联电容器在交流电力系统中与负荷并联，其类似于一个容性负荷，向系统发出容性无功功率。并联电容器装置可分为框架式电容器装置、集合式电容器装置和柜式（或箱式）电容器装置。目前，在网数量最多的是框架式电容器装置，其结构清晰、检修便捷、经济性好。相同电压等级、相同容量、不同结构形式的电容器装置主要元器件的电气参数相同，只是安装方式与使用环境不同。

在对并联电容器装置进行设计制造时，额定电压宜与安装处母线的实际运行电压计入因串联电抗器引起的稳态电压升高相适应，整体容量的选择应依据变压器的容量进行计算，一般按变压器装机容量的15%～30%来配置电容器装置的容量，其额定值与负荷的有功功率、补偿前后的功率因数均有关。

电容器装置由开关柜、串联电抗器、氧化锌避雷器、单元电容器及其组架、放电线圈、隔离接地刀闸组架等组成。当需要分组自动投切时，可增加控制屏、投切屏、保护屏。开关柜为电容器组的切合设备，一般情况下为用户自备。

2 单元电容器

电容器装置中最重要的部分是单元电容器，单元电容器的参数选取与电容器装置的参数有关。如装置型号为TBB10-1000/334-AKW，TBB表示并联电容器装置、10表示装置额定电压（kV），1 000表示装置总容量（kvar），334表示装置中单元电容器的容量（kvar），AKW表示装置的接线与保护方式及使用环境，单星形开口三角保护户外型。系统中主要为5次及以上谐波时，一般选取5%的电抗率，对应的单元电容器型号为BAM11/√3-334-1W，此处11/√3表示单元电容器的额定电压（kV），334表示单元电容器的额定容量（kvar）。单元电容器一般安装在型钢支架上，分为立放或卧放两种放置方式，通过连接线与其他配件进行连接，连接成系统需要的接线方式，从而实现无功补偿功能。

单元电容器内部由芯子、绝缘包封、绝缘油、外壳及出线套管组成。其中，芯子为单元电容器的最主要部件，由多个元件通过串并联的方式组成。芯子外部进行绝缘包绕，装入不锈钢外壳，用套管将引线引出，通过既定的工艺流程处理后会成为合格的单元电容器产品［1］。

3 电容器装置及单元电容器的选型

结合国家电网、南方电网近几年的输变电系统建设情况及近三年电容器装置的招标情况，就10 kV电容器装置而言，两网的标准化程度较高。国网针对不同的电力装备制定了《国家电网有限公司输变电工程通用设备》手册，对各类电气设备（如主变、断路器、互感器、开关、避雷器、电容器等）进行明确的规定。其中，对电容器装置一次、二次接口做了明确的规定，围栏尺寸、典型配置及元器件等参数也进行了规定。对电容器厂家而言，应严格按照各类规定来提供设备。

依据装置容量对单元电容器进行选配，10 kV电容器装置的容量一般为150～10 000 kvar，单元电容器的容量为50～500 kvar。根据不同的电抗率，额定电压一般为11/√3 kV或12/√3 kV。通过不同的串并联方式对单元电容器进行电气连接，从而实现无功补偿，表1为国网、南网招标中一些常见的电容器装置及其单元电容器的型号。

表1 常见10 kV电容器装置及其单元电容器

4 单元电容器参数化与标准化研究

4.1 电容器标准化现状

对电容器装置制造厂商而言，单元电容器是其生产的主要产品，其他配件主要来自配件生产制造商。因此，单元电容器的经济性是影响各厂家盈利水平的最重要因素。

从目前对市场调研结果来看，在电容器标准化方面，电容器制造厂商依据国网公司、南网公司制定的标准进行生产，重点是外形尺寸（长宽相对固定，主要调整高度）、产品型号（主要以两网需求的容量为准）的标准化。部分厂商在原材料选取方面实现标准化，如统一铝箔厚度标准、所有薄膜选择双面粗化聚丙烯薄膜等，但受元件容量、场强、电压等因素的影响，造成原材料的规格多样，标准化程度仍然较低。

4.2 电容器标准化方向

按国家相关标准中的规定，元件电压不宜大于2.5 kV。但元件数量、元件容量的选取并无明确规定，各厂商会根据自身情况来选定参数并设计制造元件。一般额定电压相同的单元电容器，容量越大，元件数量就越多［4-5］。

相对产品型号的标准化，内部元件的标准化程度较低，一般是由生产厂商的设计、生产习惯来决定的。以BAM11/√3-50-1W、BAM11/√3-100-1W、BAM11/√3-200-1W这3种型号的单元电容器为例，对应的常用元件电气基本参数见表2（内部材料的选型不同可派生出不同的膜厚及层数、场强等，各厂商保密，不便列举）。

由表2可知，电容器的容量分别为50 kvar、100 kvar、200 kvar，其容量比为1∶2∶4，但其内部元件数却不成比例，要加工出3种不同容量的元件，对应的薄膜厚度、场强参数等要依据元件电气参数进行选型。

表2 三种单元电容器内部元件信息（标准化前）

在实际生产中，要储备3～5种不同的薄膜来满足3种容量的电容器生产需求，薄膜库存量大，不可混用。即便是生产完成后也不可混用、不可替代，无法实现批量加工。

目前，电容器元件大多采用的是自动卷制机进行加工。在生产不同元件时，要选择不同的心轴，并设置不同的圈数等信息，3种元件的绕制要更换材料，生产过程中存在大量浪费。

本研究采用近似比例法来配置元件基本参数。将上述3种型号的单元电容器容量成比例，并对其元件进行标准化，元件膜层数、厚度等信息固化，3种单元电容器使用完全相同的电容元件，元件数量与电容器容量成比例。采用近似比例法得到标准化与参数化元件，见表3。

表3 三种单元电容器内部元件信息（标准化后）

采用近似比例法，3种单元电容器内部有完全 相同的元件。虽然对100 kvar、200 kvar的电容器来说，元件数量有所增加，但标准化生产可有效减少浪费，从而弥补因元件数量的增加而带来的成本上浮。将该方法进行扩展，可知其他成比例的单元电容器中可使用相同的元件，如250 kvar、300 kvar、350、kvar、400 kvar、450 kvar、500 kvar等，将物理问题转化为数学问题。而统一元件的基础电气参数、原材料规格等信息，选取时只需确认比例即可。在多种不同的薄膜组合中，经过经济性和电气参数计算，从中选取适合批量生产的最优选基础性元件，大批量的生产能提高生产效率，减少原材料储备的规格与种类，在生产过程中不用换料，从而使生产效率大幅提高。

相同电压等级及串联数相同的元件，按照容量比例近似选取成比例的元件并联数，通过电气计算选取最合理的元件参数信息，将其参数进行固化，进而应用到所有电容器的不同容量中，不断求同存异，减少规格与种类，提高元件的标准化程度，将不同元件参数进行固化，从而形成参数化的元件库，实现元件的批量生产，减少不必要的重复劳动，如遇特殊容量，优先在标准的参数化元件中进行选型，以减少设计和生产的工作量。如在实际 的 生 产 中，BAM11/√3-334-1W与BAM11/√3-500-1W两种规格的单元电容器容量比为334∶500，可近似看作2∶3，将两种规格的元件进行统一，串并联数分别按照3串12并、3串18并来执行。同理，可衍生出3串14并的390 kvar、3串15并的417 kvar等。可使用尽可能覆盖常用单元电容器型号的标准化元件，减少元件的规格与种类，在生产设备充足的前提下，实现单个卷制机只卷一种元件的模式。

5 单元电容器标准化对成套装置定值的影响

依据不同容量与各电网保护习惯，10 kV电容器装置的保护方式有开口三角保护、差动电压保护、双星不平衡电流保护。其中，开口三角保护用于容量不大于5 000 kvar的电容器装置；装置容量为6 000～10 000 kvar时，根据用户要求选择差动电压保护或双星不平衡电流保护［6-8］。目前，在国网和南网运行的设备中，开口三角保护的电容器装置所占比例较大，本研究以此为例进行计算，验证单元电容器内部元件标准化对保护定值的影响［9-11］。

以5%电抗率开口的三角保护为例，10 kV电容器装置每一相的单元电容器全部为并联关系，串联段数量为1，其定值计算见式（1）（2）。

式中：p为每串联段并联电容器数；s为电容器组的串联段数；m为单台串联元件组中的并联元件数；n为单台电容器内部串联元件数；α为串联电抗器的额定电抗率，%；f为故障元件组中退出运行的元件数；k为过电压倍数，按照相关标准取1.30；KLM为保护装置灵敏度，按照相关标准取1.30；Uφ为相电压，kV；W为放电线圈变比；d为故障元件组中退出运行的元件数比率，即f/m。以5%电抗率开口三角保护为例，Uφ为放电线圈变比为

将10 kV系统中的单元电容器并联，故s=1。又有α=5%、k=1.3、KLM=1.3，式（1）（2）可简化为式（3）（4）。

按照标准中关于电容器元件电压的相关规定，10 kV系统开口三角保护中的单元电容器元件宜选用3串结构，则n=3。

公式（3）（4）可继续简化为公式（5）到（7）。

由式（7）可知，在10 kV开口三角保护的电容器装置中，熔丝熔断比例仅与每串联段并联电容器台数p有关（此处忽略f取整问题）。参数p在确定电容器装置型号时已确定，不受单元电容器内部元件数量的影响。因此，研究元件标准化与参数化对允许熔断的熔丝比例不会对d带来不利影响。

由公式（3）可知，电容器装置保护定值Uz仅与每串联段并联电容器台数p、允许熔断的熔丝比例d这2个参数有关。而熔丝熔断比例d与并联台数p有关，将式（7）代入式（3），可得10 kV系统开口三角保护的简化公式，仅与每串联段并联电容器台数p有关，可通过编辑计算器来实现快速计算，以此来简化计算过程与周期，提高工作效率。

由上述公式可知，10 kV开口三角保护电容器装置的保护定值Uz可简化成仅与装置单元电容器并联数有关的公式，本研究的内容对定值计算不会产生不利影响，主要影响熔丝的熔断数量。由公式（6）可知，p值确定时，在同一产品中出现故障元件概率相同的前提下，并联元件数m越大、故障元件组中退出运行的元件数f越大，设备安全性就越好。

电容器标准化与参数化的研究对电容器保护无不利影响，且适当增多电容器内部元件数量可提高运行的安全性，表明参数化与标准化的推广是有利的。因篇幅有限，本研究不再对差压保护装置进行赘述。

6 结语

本研究以10 kV开口三角保护接线方式的电容器装置为例，对并联电容器装置参数化与标准化进行研究，指出单元电容器标准化的思路为元件标准化。元件标准化可通过近似比例法来完成，将近似成比例的不同容量的电容元件进行统一，客观列举目前常用产品的内部元件信息，并对比元件统一前后的基本信息。本研究通过定性研究来阐述元件标准化后对保护定值计算不会带来不利影响，表明元件标准化对电容器的二次保护不会造成影响，可简化部分工作流程，且适当增加元件数量后会使设备安全性得到提高，为电容器设备制造厂商产品的标准化提供思路与方向。