1、本科毕业论文（20 届）基于无熔丝电容器的并联电容补偿装置设计所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 哈尔滨理工大学学士学位论文- I -基于无熔丝电容器的并联电容补偿装置设计摘要通过无功补偿，可以提高负载和系统的功率因数、减少设备的功率损耗、降低设备容量、挖掘发供电设备潜力，对国家可以节约能源，对企业节省用电支出，都具有重要意义。本文选取当前我国无功补偿应用最为广泛的并联电容补偿装置作为主要研究对象。文中分析了并联电容补偿装置的工作原理，即利用超前于电压的容性电流补偿负载中普遍存在的滞后于电压的感性电流；分析了装置的设计原理，包括其组成、电压
2、容量的确定方法以及配套部件、保护方式和布置方式的选择方法；对其核心部分电力电容器中无熔丝电容器的技术特征进行阐述，分析了无熔丝电容器的含义、原理、接线及其优点，并从电压等级和容量两方面对无熔丝电容器的适用范围进行了讨论；通过理论计算，设计一台无熔丝电容器 BAM21-334-1W，并参照相关国家标准选取装置相关配套部件，设计了一套基于无熔丝电容器的并联电容补偿装置 TBB66-4008/334-AQW。关键词 无功补偿 并联电容补偿装置 电力电容器 无熔丝电容器哈尔滨理工大学学士学位论文- II -Parallel capacitor compensator design based on f
3、useless capacitorAbstractReactive power compensation, improves load and system power factor, reduces the power loss of the equipment, reduces the equipment capacity and taps the potential of power equipment. The state can save energy and the enterprise can reduce electricity consumption spending, bo
4、th are of great significance. This paper selects the parallel capacitance compensation device which is the most widely used reactive power compensation as the main object of study.This paper analyzes the works of the parallel capacitor compensation equipment, namely to use the capacitive current ahe
5、ad of the voltage compensates the load ubiquitous inductive current lags the voltage. Analysis of the design principle of the device, including its composition, determines the voltage capacity and ancillary components, protective mode and the layout of the selection methodology. Discuss the core par
6、t fuseless capacitor in the power capacitors on its meaning, principle, wiring, and its advantages, and the scope of fuseless capacitor voltage rating and capacity. Design a fuseless capacitor BAM21-334-1W by theoretical calculation, and with reference to the relevant national standards, to select a
7、 device related components, has designed a parallel capacitor compensator TBB66-4008/334-AQW based on fuseless capacitor. Keywords reactive power compensation, parallel capacitor compensation device, power capacitor, fuseless capacitor哈尔滨理工大学学士学位论文- III -目录摘要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 课题背景 .11.1.1
8、 电力系统无功补偿 .11.1.2 无功补偿装置分类 .11.1.3 无熔丝电容器在补偿装置中的应用 .31.2 国内外发展现状 .31.2.1 并联电容补偿装置的发展 .31.2.2 无熔丝电容器的发展 .41.3 本文研究内容 .5第 2 章 并联电容补偿装置设计原理 .62.1 容性无功补偿原理 .62.2 并联电容补偿装置 .72.2.1 装置型号说明及组成 .72.2.2 补偿容量及电压的确定 .72.2.3 其他配套部件的选择 .82.3 继电保护 .102.4 装置布置方式 .132.5 本章小结 .14第 3 章 无熔丝电容器 .153.1 油浸式电力电容器结构 .153.2
9、无熔丝电容器技术特征 .163.2.1 无熔丝电容器的含义、原理及接线 .163.2.2 无熔丝电容器的优点 .173.2.3 无熔丝电容器适用范围 .173.3 本章小结 .18第 4 章 并补装置 TBB66-4008/334-AQW 设计 .194.1 前提条件 .194.2 装置型号确定 .194.3 电容器单元设计 .204.4 整定值计算 .244.5 装置各部分参数 .254.6 本章小结 .27哈尔滨理工大学学士学位论文- IV -结论 .28致谢 .29参考文献 .30附录 .31哈尔滨理工大学学士学位论文- 1 -第 1 章 绪论1.1 课题背景1.1.1 电力系统无功补偿
10、在交流电路中，由电源供给负载的电功率分为有功功率和无功功率两种。有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，是将电能转换为其他形式能量作出有效功用的效率。而无功功率是用于电路内电场与磁场的交换，为建立交变磁场和感应磁通并维持磁场的电功率 1。凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就要消耗无功功率。所以在电力系统中，负载不但要从电源取得有功功率，还要取得无功功率。如果电源所提供的无功功率不足，用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场，那么这些用电设备就不能维持在额定情况下工作，用电设备的端电压就会下降，从而影响用电设备的正常运行。而如果单方面提高电网的输电功率来满足用电设备所需的功率，就会
11、有大量的无功功率浪费掉。合理地配置无功功率补偿容量，改善电力网的无功潮流分布，提高电力系统及负载的功率因数，降低设备容量；稳定电网的电压，提高供电质量；平衡三相有功及无功负载，这是由于无功补偿装置可以补偿掉负序电流分量，同时通过合理的绕组接线使零序电流无法流通，就可使三相负荷平衡 2-3。特别是近些年随着工业的发展、异步电机和变压器的使用、大型可控硅装置的应用以及大功率冲击性负荷的存在，使得供电系统功率因数变低，电压波动变大。在这种情况下，无功补偿装置显得尤为重要。所以在电网中需要设置一些无功补偿装置来补偿无功功率，以保证用电设备对无功功率的需要。1.1.2 无功补偿装置分类无功补偿装置类型见
12、图 1-14-5。无功补偿装置按照接入系统的方式，分为并联补偿和串联补偿。并联补偿是指装置并联在系统负荷两侧，主要用于减少线路损耗、提高功率因数。并联补偿装置的发展主要历经了同步调相机、并联电容/抗补偿装置、静止无功补偿器（SVC）和静止无功发生器（SVG）四个阶段。同步调相机以损耗大、噪声大、造价高、效率低、运行成本高等原因现已很少使用，被随后出现的并联电容/抗补偿装置所取代。并联电容 /抗补偿装置是指开关投切固定电容/抗器，因其造价低、效率高、运行成本低，保护完善的情况下可靠性很高，成为现今无功补偿装置的主流。SVC 全称静哈尔滨理工大学学士学位论文- 2 -止型相控电抗器式动态无功补偿装
13、置，静止是相对同步调相机中电机的旋转所说的。SVC 被国际大电网会议定义有自饱和电抗器（SR） 、机械投切电容器（MSC） 、机械投切电抗器（ MSR） 、晶闸管控制电抗器（ TCR） 、晶闸管投切电容器（TSC） 、晶闸管投切电抗器（TSR） 、自转向或电网转向转换器（SCC/LCC ）七个子类，而国内因市场宣传等原因，SVC 专指TCR、 TSC 还有磁控式电抗器（ MCR）三种。相对开关固定投切装置，SVC 具有响应速度快、优异的动态连续无功调节等优点，作为近年来新兴技术，逐渐为市场接受。SVG 是一种使用全控型高速电力电子器件作为开关控制电流的装置，在理论上 SVG 可以实现更优于 S
14、VC 的真正的动态补偿。但因技术复杂、价格昂贵以及生产水平的限制，SVG 现在尚处于理论研究阶段。串联补偿是指补偿装置串联在输电线路中，主要起减少线路压降、提高受端电压、增强系统稳定性以及提高输电能力等作用。由于设计上难度较大，而且实际系统运行对于串补的需要没有并补那么多，所以串联补偿使用并不十分广泛。上述无功补偿装置既有容性无功补偿也有感性无功补偿，实际系统由于大量存在着电机、变压器等阻感负载，对容性补偿的需求远大于感性补无功补偿装置同步调相机静止无功发生器（SVG）静止无功补偿器（SVC）串联补偿装置并联补偿装置串联电容器补偿装置并联电抗 补偿装置并联电容 补偿装置交流滤波装置并联电容器装
15、置图 1-1 无功补偿装置类型哈尔滨理工大学学士学位论文- 3 -偿。本文只讲并联电容补偿装置，所述无功补偿均指容性无功补偿，所用电容器均指用于系统无功补偿并补的高压电力电容器。1.1.3 无熔丝电容器在补偿装置中的应用电力电容器发出容性无功功率，吸收感性无功功率，是容性无功补偿的核心器件。在电容器运行过程中，难免会有个别元件发生击穿，从而产生过电流，对系统造成危害，所以需要对电容器采取一定的保护措施。目前，按照电力电容器内部故障的第一道保护措施来划分，可分为内熔丝电容器、外熔断器电容器以及无熔丝电容器三种。内熔丝电容器是在电容器的每个元件上串联熔丝，当某元件击穿时，大电流使得熔丝迅速熔断，将
16、击穿元件切除，使得整台电容器仍能在电网中正常运行。但是由于被隔离元件的相邻元件上需要承受较大的过电压，所以内熔丝保护方案一般不用于不接地星形电容器组。同时，由于将熔丝熔断需要有足够大的电流，所以内熔丝的应用对电容器内部并联元件的个数有要求，并联元件数一般不小于 10 个，因此内熔丝保护方式对补偿容量较小的系统并不适用。此外，对于大元件电容器通常不采用内熔丝保护方案。外熔断器电容器也称外熔丝电容器。外熔丝电容器是用一个外部熔丝（熔断器）来保护多个电容元件，外熔丝是单台电容器内部元件短路故障（包括引线对外壳的短路故障）的保护器件。但是从运行情况来看，外熔丝的质量和性能并不稳定。而且当电容器组的串联
17、段数等于或大于 3 时，外熔丝并不能可靠保护内部元件（包括极对壳故障） 。外熔丝保护方式对外部环境要求比较大，天气状况的不确定性使得采用外熔丝保护的装置每二到三年就要更换一次外熔断器。此外，对于小元件电容器通常不采用外熔丝保护方式 6。无熔丝电容器的保护方式相对较新，是在全膜介质应用到电容器中之后才出现的。全膜介质电容器在元件击穿后，两极可以良好的熔焊在一起，可视为短路，利用这一特点并且改变电容器内部元件连接方式即可代替内熔丝形成自保护。无熔丝电容器对于元件大小没有要求，没有内外熔丝在熔丝上的功率损耗，同时还具备结构紧凑、运行可靠等诸多优点，逐渐推广使用。1.2 国内外发展现状1.2.1 并联
18、电容补偿装置的发展国内1980年以前，成套装置技术还不够完善，1980年以后，国民经济发展速度加快，供用电部门对无功功率补偿的需求日渐迫切，国内电容器哈尔滨理工大学学士学位论文- 4 -行业开始向电力用户提供并联电容器成套装置。相关行业在这种形势的推动下，积极开展电容器及有关配套件的开发研制, 使得上述情况很快有了变化：电容器由于介质不断更新换代，单台大容量产品问世，目前国内最大可达1Mvar 左右；油浸铁芯乃至干式空心串联电抗器相继开发成功，最后又出现了干式铁芯产品；喷逐式熔断器广泛地投入使用；专用放电线圈和电容型大通流容量氧化锌避雷器的系列化生产；老炼处理后不重燃的真空开关投切电容器组顺利
19、过关；三角形接线被星形接线淘汰。这一系列的技术进步，加之用户运用管理水平的提高，使得该类装置的事故率大幅下降，大多数厂家产品的年损率降至1%以下，接近或达到国外先进水平。与国内相比，国外成套装置的起步较早，发展到现在与国内相比主要有以下几点优势：（1）在国外，电容器几乎全部以成套形式供应，现场安装、调试简便，准备工作少，产品商业化程度很高。（2）国外电容器制造商大多是信誉卓著，技术领先的大公司。因此其成套装置的水平很高，所有主、辅设备均可生产。（3）国外厂家的制造水平较高，无论从外观、排列方式、防腐蚀处理等方面，还是载流接头、夹持部分等细节，都表现出不少可取之处。（4）一般说来, 国外厂商很注
20、意“系统设计”这一过程。由于其供货的成套性较强，甚至连电网规划都是厂家参与，使得其产品与系统工况贴近，比较注意实际使用效果。（5）国外在设计制造产品时，十分注重“成本”概念，因此其产品场强比国内高30%50% ，成套中单个电器的性能不一定是用最好的，但经过综合配置后其整体性能是不错的，国内产品相比则显“保守” ，价格缺乏竞争力 7。1.2.2 无熔丝电容器的发展国内早在上世纪七十年代之前，内熔丝和外熔丝尚未研制和应用到电容器当中，那时的电容器全都是无熔丝电容器。但那时所谓的无熔丝只是结构上不存在熔丝，而并非指一种保护方式。采用全纸介质或膜纸复合介质而又没有一些基本的保护措施，当有元件击穿后对系
21、统影响比较大。后来研制出了内熔丝串联在每一个元件上，当元件击穿时会有较大的电流，很快将熔丝熔断，将损坏元件切出电路，从而达到保护的目的。与此同时也有不添加内熔丝而在单台电容器外整体加装外部熔断器，当某台电容器性能不能满足系统要求时将其整体切出电路。当全膜介质出现后，新式的无熔丝电容器首先在国外出现。2005 年，美国 GE 公司为南网广西百色串补站提供了国内第一套无熔丝电容器组的串补装置。随后在 2007 年和2009 年，GE 公司又为南网百色串补站二期和贺州串补站提供了无熔丝电容器组的串补装置 8。以上工程投运后，电容器组整体运行良好。从此，哈尔滨理工大学学士学位论文- 5 -国内开始认识
22、这种新的保护方式。但国内对无熔丝电容器的了解仍然很少，随着超高压和特高压的发展，外熔丝电容器逐渐推出使用，内熔丝电容器占据了主流市场。无熔丝电容器同内、外熔丝电容器一样，提供了一种新的电容器设计方式，目前无熔丝电容器技术在我国尚未广泛应用，需要通过应用实践加以认识，不断完善和提高，充分发挥其技术上和经济上的优越性。早在全膜介质电容器出现之前，国外也采用内外熔丝的保护方式对电容器进行保护。美国从上世纪八十年代开始采用全膜介质电容器后，发现介质击穿后两极板能良好地熔焊在一起，在此基础上研究和开发出了无熔丝电容器。1988年美国首先在138kV电容器组的一相上试验性地安装了50.4Mvar的无熔丝电
23、容器，单元容量为300kvar。1989年10月，世界上第一套无熔丝电容器组(额定电压115kV，中性点不接地运行)在美国佐治亚州投入商业运行，以其结构紧凑、外形美观、运行可靠为人们所称赞，随后开始大量推广应用。由于各公司所擅长的不同，现在国外在熔丝保护上基本形成了内熔丝、外熔丝和无熔丝电容器并存的局面。ABB公司以先进的内熔丝技术著称，所以极力推广内熔丝电容器，只要适用，均采用内熔丝方式。对于不适用内熔丝方式的情况，ABB公司也少量生产外熔丝和无熔丝电容器。COOPER公司多生产外熔丝和无熔丝电容器，如果客户要求的话偶尔也采用内熔丝的方式。GE公司以内熔丝电容器结构复杂、生产效率低、成本高等原因明确说明不生产内熔丝电容器，只生产外熔丝和无熔丝电容器 9。1.3 本文研究内容1. 并联电容补偿装置设计原理，包括组成、电压容量的确定，还有配套部件以及保护方式、布置方式的选择方法。2. 无熔丝电容器的技术特征，无熔丝电容器BAM21-334-1W设计。3. 基于无熔丝电容器的并联电容补偿装置TBB66-4008/334-AQW设计。
