低压并联电容器损坏的分析及改进

崔金鑫

（合肥供水集团有限公司，安徽 合肥 230011）

0 引 言

功率因数是交流电路中一个重要的技术指标，在数值上是有功功率P和视在功率S的比值，是衡量用电设备效率高低的一个系数。电动机是典型的感性负载，交流异步电动机在额定负载时的功率因数只有0.8左右，如果没有满载，功率因数还会更低。这些感性负载除了从电力系统中吸收有功功率以外，还消耗一定无功功率用以建立磁场。若这些无功功率全部由变压器二次侧提供，将导致变压器的有效输出功率下降，同时造成线路电流和线损增大，使功率因数无法达到0.90，供电公司也会对用电企业进行力调电费罚款[1]。因此，必须使用有效的无功补偿设备提高功率因数。某水厂低压系统配有两台额定容量为800 kVA的变压器，共有两段低压进线，每路进线配有一台电容补偿柜，每台电容柜含有6只电容器，其中无功功率为50 kvar的有5只，25 kvar的有1只，总计275 kvar。电容柜通过功率因数控制器取样电压和电流情况，实时检测系统功率因数，根据功率因数的情况自动投入若干只电容器，以满足无功补偿需要[2]。水厂低压系统两端进线柜中间设有联络柜，平时采用单变压器、单母线通过联络柜给低压设备供电的运行模式。自2017年水厂二期建设投产以来，水厂当班巡检人员多次发现低压配电系统功率因数较低，电容补偿柜电流表电流存在不平衡的现象，柜内电容器时有鼓包和漏液，存在很大的安全隐患，急需解决。基于此，对于低压配电系统电容器的损坏原因分析很有必要[1]。

1 低压配电系统电容器的损坏原因分析

结合现场情况和电容器自身的特性，电容器频繁损坏可能是以下几个方面的原因。一是低压系统电容补偿柜电缆接线存在虚接的现象，造成并联电容器投入运行时会使某一相瞬间断电，引起电流不平衡，长期运行造成电容器受到发热损坏。二是由于水厂一期时电容的损坏频次较低，二期负载增加后故障率高，单变压器单母线运行时电容容量无法满足需要，使电容器频繁投切，造成过负荷，寿命降低。三是现场环境温度过高、湿度大，会加快电容器的热老化和腐蚀，出现鼓包、漏液等故障。四是进线电源质量较差，系统中存在大量的谐波。如果并联电容器在有谐波的环境下工作，可能会产生更大的谐波电压和谐波电流，使电容器极间击穿或损毁。

2 改进措施

2.1 紧固所有接线螺栓、端子

细致检查低压配电柜以及所有电缆、熔断器、断路器、电容器、接线端子等。经检查，部分接线螺栓存在松动现象，电容柜的刀融隔离开关接线桩头有发热迹象，如图1所示。由于接线不牢，三相电流不平衡，因此对所有接线端子和电缆接线桩头螺栓全部紧固，同时更换了发热的熔断器式隔离开关，处理后电容器的三相电流的数值误差更小了，对电容器的正常工作也起到了较好的作用[2]。

图1 刀融隔离开关虚接发热

2.2 调整供电模式

实际工程中，因用户设备总的最大无功功率需量是比较难计算的，所以通常采用经验数据计算，即按照变压器容量的20%～40%来取。一般设计取中间值也就是0.3，所以800 kVA应该是800×0.3=240 kvar，总补偿容量为240 kvar，最大可以取到320 kvar。水厂当台电容柜电容容量是275 kvar，极端情况下当台电容柜已无法满足生产要求。水厂一期时低压主要感性负载是反冲泵房两台32 kW鼓风机和3台45 kW水泵，投入1～2只电容器即能满足功率因数要求。水厂二期投产时，新增了脱水车间离心机、沉淀池搅拌机以及排水泵等负载。

为了满足功率因数要求，需要投入5只甚至6只电容器才能满足要求。由于水厂低压设备需要经常性的开、停机，会造成电容器的频繁投切和冲击，这也是电容器故障的一个原因。鉴于此，水厂对供电模式进行改变。将低压配电系统由单变压器、单母线改为双变压器同时运行方式。正常运行时，两路低压进线柜合闸，联络柜断开。一方面，当一段进线电源出现故障时，采用手动方式合上联络柜，确保失压段配电柜恢复供电，供电的稳定性也得到了提高。另一方面，较大负荷的感性负载均匀的分布在两路进线柜侧，两台电容柜电容器可以较平均的投切，共计550 kvar的电容器容量很富裕，完全能够满足水厂的生产需求[2]。

2.3 改善电容器工作环境

随着负载的增加，原有房间的温度也相应增加，尤其是夏季温度达到了40 ℃左右。查阅相关资料得知，一般现场环境温度每升高10 ℃，在用的电容器故障率要提高50%。目前从故障电容器故障的分析，电容器内部可能积累了较多的热量没有及时散发出去，容易造成电容器损坏现象，同时湿度大也会造成电容器的腐蚀。因此在配电间安装了排风扇和空调，降低了配电间的温度和湿度，使电容器运行在一个通风干燥的良好环境中。

2.4 线路检测分析

由于电容器回路是一个LC电路，对于某些谐波容易产生谐振，易造成高次谐波，使电流增加和电压升高。且谐波的这种电流对电容器非常有害，极容易使电容器击穿引起相间短路，因此需要对线路进行检测分析[1]。选用美国FLUKE 430系列电能质量分析仪对系统进行了线路检测，此设备可以在线连续长时间测量电压、电流的谐波和波形变动等，用于监测电能质量。系统监控器画面可同时监控多个电能质量参数。

2.4.1 检测内容

电压电流：相位、电压电流波形以及RMS值；功率电能：有功功率、无功功率、视在功率以及功率因数；谐波数据：电压谐波畸变率；电流谐波畸变；基波；各次谐波。

2.4.2 检测数据

（1）电压电流相位：电容器电流电压相位成直角，补偿系统无功电流。电压电流波形：电流波形不规整，存在谐波电流畸变问题。电压谐波畸变：以AB相为例，1.5%的电压谐波畸变率，电容器任意两端的基波电压433 V左右。电流谐波畸变：以B相为例，基波电流53.2 A，电流谐波畸变率THDI 8.2% 总谐波电流值 53.2×8.2%=4.4 A。H5谐波含量53.2×7.9%=4.2 A。

以上数据可以看出，单台电容器运行时，吸收了一定量谐波电流。电流波形存在畸变情况，同时存在一定量的谐波电压[3]。

（2）图2为系统主电源侧在补偿前后两个阶段下功率和功率因数的值。通过对比，可以看出，随着电容补偿的投入，系统有功功率增加，无功功率降低，补偿后功率因数由0.86，抬升至0.95，说明电容器起到了很好的补偿作用，减轻了变压器负担，减少了系统损耗。图3为电容器未投入回路数据。电压谐波畸变率THDU为1.3%，电流谐波畸变率THDI为4.5%。

图2 无电容和有电容投入时功率和电能变化

图3 电容未投入时回路谐波数据

电压电流相位：两个阶段下，系统电流滞后于电压相位，相位夹角随着补偿功率因数提高后变小。电压电流波形：两个阶段下，电压电流波形都趋近于正弦波。电压谐波畸变：谐波电压畸变率为1.5%。电流谐波畸变：补偿前基波电流224.3 A，THDI 4.5%。总谐波电流值224.3×4.5%=10.1 A。H3谐波含量224.3×3.6% =8.1 A，H5谐波含量224.3×0.9%=2.0 A。电容投入后基波电流200.5 A，THDI 5.4%。总谐波电流值200.5×5.4%=10.8A。H3谐波含量 200.5× 4.1 %=8.2 A，H5谐波含量200.5×1.4% =2.8 A。通过现场测试分析，从测试数据来分析，现场谐波存在3次，5次等谐波值，但目前对电容器的运行影响有限[4,5]。

3 结 论

通过一系列的措施改进后，近年来水厂低压配电系统无功补偿电容柜的电容器故障率大大降低。目前电容器都能够正常工作，对低压配电系统起到了很好的补偿效果，提高了水厂的电能利用率。