10kV紧凑型组合式电容器组选用分析

申能新能源（青海）有限公司/上海申能新能源投资有限公司 赵 维 风脉能源（武汉）股份有限公司 彭 峰

引言

变电站中并联电容补偿装置的使用，可以向电网提供可阶梯调节的容性无功，提高功率因数，减小无功的远距离传送，从而降低电网有功损耗，增加输送容量，减少线路压降，改善电压水平，提高电网电压的稳定性。220kV 中间变电站低压侧为10kV 电压等级时，并联补偿装置分组往往会较多，土地使用面积也会较大。

某220kV 变电站经过细致合理的无功补偿容量计算及分组容量校验，按每台主变容量配置4×8MVar 电容器成套装置，完全满足系统需求。电容补偿装置分组数目的减少，有效的降低了变电站的整体投资，减小了占地面积，使得变电站的整体布置更加紧凑合理。目前220kV 变电站低压侧应用的电容器组按照通用设备选择，为10kV 框架式并联电容器成套装置，屋外布置、配干式空芯电抗器，缺点是布置分散，占地面积较大，安装较为复杂。

户外干式空心电抗器绝缘是由玻璃丝、环氧树脂胶和支柱绝缘子等构成，匝间绝缘是关键问题，其主要优点是：线性度好，具有很强的限制短路电流的能力而且噪音小，满足变电站无油化建设的要求；主要缺点是：损耗大、体积大。在户外布置时长期受紫外线直射，绝缘易老化开裂，造成匝间短路。表面的爬电、尤其是接地点处及其附近容易造成损坏。线圈过热，过热点及温度无法计算准确。为了提高运行可靠性，最好采用分相布置“品”字形或“一”字形，这样相间拉开了距离，有利于防止相间短路和缩小事故范围。国网十八项反措（修订版）要求：新安装干式空芯电抗器时不应采用叠装结构，避免电抗器单相事故发展为相间事故。但如采用分相布置，将进一步增大框架式并联电容器成套装置的占地面积，不利于变电站的总平布置。

针对上述问题，选用新型紧凑化10kV 组合式电容器组，并与传统框架式电容器成套装置[1]进行了对比。

1 集合式电容器介绍

1.1 两种集合式电容器的特点对比

集合式电容器。采用油枕来提供油膨胀和收缩。特点：结构简单、制作简便。有油位观察器，可以观测到内部油的情况，与外界空气连通来提供油膨胀和收缩的空间；内部单台电容器串采用小元件。特点：与单台电容器的元件通用，采用内熔丝，元件与内熔丝之间采用导线焊接连接，两层膜结构；单台电容器内部为电容器油，箱体内部为变压器油。

集合式Ⅱ型电容器。采用专用油膨胀器。特点：全封闭，靠自身体积的改变提供油膨胀和收缩的空间，采用片式结构，可通过增减片数来改变膨胀程度；采用大元件。特点：折边由小元件的5mm 增加到5cm，单元容量很大，没有内熔丝，元件之间采用专用的线夹通过压接连接，三层膜结构；电容器元件直接浸在箱体的电容器油之中，电容器油中增加特殊的添加剂，延缓油老化速度。

1.2 集合式Ⅱ型电容器的优点

性能稳定可靠。集合式Ⅱ型电容器采用超大元件直接放入全密封箱壳内构成。元件采用3层膜结构，压紧系数k=1时的场强E≤40kV/mm。元件之间采用专用钝化处理的压接端子和编织线连接。这使得电容器组能承受更多的谐波和过电压影响，不至于造成损坏。即使有个别元件发生击穿，由于容量变化大，继电保护能够可靠动作；发热量小，使用寿命长。采用无熔丝结构降低损耗和发热量。4cm宽折边有利于元件与油热交换。芯子与外壳之间设置充足的油隙，确保油在内部充分循环散热。正常运行的时候芯子温度低于壳式电容器6～8摄氏度。

安装简便，运行安全。采用大容量集合一体式结构，电容器除了进出线和差压接线以外，其他的接线都位于电容器内部，外壳不带电，现场仅需吊装，安装及其简便，运行维护量极小；节约占地面积；抗地震、抗覆冰、抗盐害、抗高强度光照、抗高海拔和大温差能力强。

更环保。集合式Ⅱ型电容器静音设计，超低噪音。甚至可以在大箱壳外部采用噪声屏蔽外壳来降低噪声的影响。另外集合式电容器无内部熔丝，做到低有功损耗与小发热量，并且元件完全采用压接式连接没有锡焊的铅烟。一般情况下集合式电容器组的损耗比框架式降低1/10000。如按一台10MVar 容量，一天运行8小时，那么每年将减排2920kg。集合式Ⅱ型电容器是一种与环境和谐相处、环保产品；更适用于智能化电网。集合式Ⅱ型电容器除了配备常规的电容器组继电保护以外，还具备压力保护。

2 紧凑型组合式电容器装置

2.1 紧凑型组合式电容器装置的简介

紧凑型组合式电容器装置由集合式Ⅱ型并联电容器、油浸式串联电抗器、放电线圈、氧化锌避雷器、保护器件及电缆进线箱等设备组合而成。电容器、电抗器和放电线圈为一体式全密封结构，三者均为油浸式。根据类型分别装设绝缘油的温度补偿装置、温度保护器件。

图1 10kV 紧凑型组合式结构和原理图

2.2 紧凑型组合式电容器装置的特点

装置实用、美观，采用全密封焊接方式，三相一体结构紧凑，占地面积小（为框架式电容器成套装置的1/3左右），无需围栏，安装简单，户内、户外均可使用；装置工作场强较低（＜45kV/mm），电气绝缘的裕度大，设备可靠性高；现场维护量小，基本上为免维护状态。电缆进线带电部位不外露，安全可靠无需巡视，可取消电源侧隔离开关；多方面完善保护，绝缘油成浸渍密封状态与空气完全隔离，无需内部试验及油样试验；装置温升低、噪音小，运行稳定；装置是静止设备，现场定位后，接入电网，即可运行；设备全绝缘直接落地安装，抗震性能好。

图2 10kV 紧凑型组合式电容器

2.3 紧凑型组合式电容器装置各元器件参数特点

2.3.1 电容器

采用全膜介质、浸渍剂采用PEPE 绝缘油，全密封结构；电容偏差。电容器0%～4%，电容器组任何两线路端子之间、串联段之间的最大与最小电容之比≤1.02；介质损耗角正切值≤0.03%；电容器芯子最热点温度不高于70℃（D 类温度）；电容器设计电气场强不大于45kV/mm（压紧系数K=1）（场强控制在较低水平，具有较高的耐过电压过电流水平，保证装置的使用寿命。）；电容器外壳耐爆能量≥30kW.s；电容器外壳采用优质钢板，面漆淡灰色，外壳设接地端子。

设计理念。整体设计思路以近似于零故障思路进行；卷绕方式。采用三膜结构，有效降低元件击穿几率；元件卷绕。采用日本进口的专用设备，制造大元件；元件接线方式。元件连接采用压接方式，使用专用工具，避免焊接存在虚焊的可能；元件压装方式。元件集合采用专用集合铁板方式固定，保证压紧系数准确可控制，保证元件集合后无变形，经长期运行后，容差的变化也不大；温升、散热良好。不使用带外壳的小单元结构，大元件直接组装在大箱壳内，内部绝缘油可直接形成元件与箱体的大循环对流，有利于温度均一和散热。

2.3.2 放电线圈、避雷器

放电线圈。型式：油浸式，附二次线圈、全密封带不锈钢金属膨胀器；额定频率：50Hz；额定电压：与电容器的额定电压相同；最高工作电压：1.1倍电容器额定电压；放电容量：按电容器容量配置。

避雷器。额定频率50Hz；额定电压51kV；持续运行电压40.8kV；标称放电电流等级10kA；2ms方波电流800A～2000A。

2.3.3 串联电抗器

额定频率50Hz；相数为三相；额定电抗率（K）根据系统需要，取4.5～6%或12% ；额定电流。应等于与其串联组合电容器或电容器组的额定电流；额定端电压。应等于与其串联组合的一相电容器额定电压的K 倍；额定容量。应等于与其串联组合的电容器或电容器组额定容量的K 倍；独有的屏蔽技术优化磁场结构；采用日本新日铁公司的硅钢片，具有一定的磁导向，噪音和温升低；线圈恒张力卷绕保证线圈的均匀性，线圈恒压力干燥保证线圈的一致性；采用真空浸渍整体固化技术，损耗和噪音减至最低；专有线圈换位技术，保证线圈质量并防止涡流损耗。

图3 10kV 紧凑型组合式电容器装置典型布置图及原理图

3 框架式电容器成套装置与紧凑型组合式电容器装置经济对比分析

3.1 占地面积比较

无功补偿按每台主变（3×8+2×6）MVar 配置，最终3×（3×8+2×6）MVar，本期2×（3×8+2×6）MVar。由于10kV 电容器组布置于110kV 户外GIS平台下，其采用紧凑型组合式电容器装置，结合110kV 户外GIS 的布置优化，采用“一”型布置。

表1 占地面积比较

3.2 经济比较

10kV 框架式电容器成套装置价格较低，近期8MVar 配干式空芯电抗器的每组价格约28.5万元（含安装费），6MVar 配干式空芯电抗器的每组价格约21.7万元（含安装费）；一组8MVar 紧凑型组合式电容器装置的价格约为42.91万元（含安装费），一组6MVar 紧凑型组合式电容器装置的价格约为32.21万元（含安装费）。

但紧凑型组合式电容器装置可承诺40年免维护，40年内出故障免费更换，框架式电容器成套装置中电容器的使用寿命约20年，干式空芯电抗器、避雷器、放电线圈、开关配套件一般使用寿命约15年，超过一年的保持期后更换无器件要支付费用。因而在全寿命周期内，紧凑型组合式电容器装置不到常规框架式电容器成套装置的20%，紧凑型组合式电容器装置更优。

4 结语

采用10kV 紧凑型组合式电容器装置，该装置由集合式Ⅱ型并联电容器、油浸式串联电抗器、放电线圈、氧化锌避雷器、保护器件及电缆进线箱等设备组合而成，由于集成度较高，装置的占地面积可大大缩小，约为同容量框架式电容器成套装置占地面积的33.5%，可大幅降低主变低压侧布置尺寸，便于变电站总平面布置的优化。

10kV 紧凑型组合式电容器装置改进了制造工艺，大大降低了设备的故障率，可承诺40年免维护，假设不计节约的土建费用，初期投资约为常规框架式电容器成套装置的1.5倍，但计及运行维护费用，从全寿命周期综合投资比较，不到常规框架式电容器成套装置的20%，而且由于运行维护方便、故障率低，可提高供电安全性和可靠性，取得较好的社会效益和经济效益。