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《電器工業》2014年第四期

一、目前的機遇和困擾

電力電容器行業目前來看，仍然要依靠電網的規模投資才能維持現有的平穩發展趨勢，其中為特高壓交直流輸電及其配套工程提供的電容器將占到很大的比重。令人可喜的是，按照國網和南網“十二五”的發展規劃，2020年前要構建大規模的“西電東送”、“北電南送”的能源配置格局。“十二五”期間，國家電網公司規劃建成“三縱三橫”的特高壓同步電網和13回特高壓直流輸電線路，總變電（換流）容量達到4.1億千伏安；南方電網公司將在已有的直流輸電線路基礎上，建設金沙江中游梨園、阿海電站送電廣西直流工程，各省形成堅強的500kV骨干網架。巨大的無功補償和交直流濾波需求量對行業來說，必將又是一次發展的機遇。當然，還應該清醒地認識到，現在行業雖然規模擴大了，但利潤沒有明顯增長，除了前面講到的人工和市場的原因，還有技術層面的原因：我國電力電容器的傳統技術與國外先進水平的差距。

1、鐵殼類電容器的體積比特性差距較大與國外先進水平的電容器相比，行業產品的體積比特性大約多出30%。研究數據表明，這30%的構成分別為：壓緊系數小占14%，介質額定場強偏低占10%，心子與箱殼間隙大占3%，元件留邊寬占2%，鋁箔厚度大占1%。占比重最大的壓緊系數問題。國內廠家設計產品的壓緊系數通常不太高，這和傳統的真空浸漬工藝有關：以往由于設備和工藝的原因，真空度無法達到理想狀態，心子適當放松有利于抽空和浸漬。通過技術改造升級，現在真空浸漬設備的能力完全可以達到要求，但固有觀念仍認為壓緊系數小一些比較安全。事實證明，國外單元產品壓緊系數更高，真空浸漬時間更短，但運行的故障更低。在合理設計的前提下，通過增加薄膜寬度、減小元件留邊寬度及使用更薄的鋁箔，也能有效降低心子高度，進一步增大器身在箱殼占據的空間，縮小與箱殼的間隙，就能夠降低箱殼高度、減少浸漬劑和包封紙的用量，從而達到降低材料成本的目的。介質額定場強是個特殊的話題，廠家希望在合理的范圍內盡可能高一些，這樣會顯著提高產品比特性，但用戶為了可靠運行又希望不要太高。如果像國網要求的限制在57MV/m，那廠家必須滿足；但在一些沒有限制的場合下，只要保證安全運行，可以適當提高。

2、CVT的需求一直呈下降趨勢近幾年來，由于土地資源的稀缺，氣體絕緣金屬封閉開關設備(GIS)大量替代空氣絕緣的敞開式開關設備(AIS)，電力系統對CVT的需求一直呈下降趨勢。另外，隨著各地智能變電站的興建，電子式電壓互感器也處于較快的增長趨勢，對傳統CVT產生一定影響。對CVT技術參數的要求也發生了顯著變化，隨著繼電保護微機化和測量儀器儀表數字化的實現，對二次繞組的輸出容量要求迅速降低，由過去單個繞組150VA，減少到現在的10VA甚至更低。面對這樣的問題，應該認真分析，提出應對措施。從市場需求的角度來看，CVT在未來的5~8年還有很大的發展空間，一方面替代產品還需要一個成熟期，另一方面已運行產品還需要維護更新。此外，與替代產品相比，CVT現有的優勢在于其低成本和高可靠性，在超高壓和特高壓電網建設中，以及對土地資源稀缺性不敏感的地區和企業用戶，還需要大量敞開式的CVT。從技術角度上，對500kV及以上電壓等級的骨干網用CVT，準確測量是關鍵，可靠運行是根本。因此需要在產品設計和加工質量上下功夫，進一步提高產品的測量精度，提高運行的可靠性。對220kV及以下電壓等級的CVT，建議通過技術手段降低現有產品成本。由于負荷的大幅減小，變壓器的輸出阻抗可以降低，最直接的方法是降低現有的中間電壓，繼而減小變壓器鐵芯尺寸和二次繞組的線徑。再者是對電抗器進行優化設計（理論上中間變壓器漏抗大到一定數量時，可以去掉電抗器），阻尼器考慮采用電阻，這樣電磁單元就可以做到小型化甚至是無油化。另外，有條件的企業還可以考慮發展電容分壓型電子式電壓互感器。發展適應智能電網的電力設備是大勢所趨，但電子式互感器運行中也出現了很多問題，2011年至2012年，湖南、云南、福建、黑龍江等地的智能電網變電站均出現電子式互感器爆炸的事件，主要原因是設備的主絕緣存在缺陷，而行業的優勢在于對一次設備主絕緣的設計研究有經驗，如果能夠進一步通過合作、引入或自行研發二次部分，開發電容分壓型電子式互感器將具有非常明顯的優勢。

3、高壓干式自愈式電容器沒有突破，低壓自愈式電容器仍存在電容損失過快的問題10多年前，高壓干式自愈式電容器剛推出時受到廣泛歡迎，市場一度急劇膨脹，各類生產高壓干式電容器的企業如雨后春筍般地涌現出來，但由于技術基本都采用低壓串聯，電容損失過快及保護問題沒有解決，產品運行后的質量問題凸顯出來，到2006年左右這類產品基本全部退出市場；低壓自愈產品相對好得多，除了個別特殊的使用環境外，在無功補償和濾波方面基本全部采用自愈式電容器，但電容損失過快的問題仍然很突出。這兩類產品與國外技術水平的具體的對比見表2。從表2可以看出，我們和國外先進水平的差距十分明顯，甚至超過鐵殼類電容器。國外最著名的產品當屬ABB公司的高壓干式電容器——DryHEDR，它采用塑料外殼的圓柱體結構，中間有通孔可用來通風冷卻，通過改變外殼高度和并聯數量來滿足高電壓和大容量的要求。DryHEDR分為直流和交流兩種產品，直流干式電容器用于SVClight，而交流干式電容器用于無功補償。產品的主要優點是：體積小、能量密度高、占地省；無滲漏，防火災；不使用浸漬劑、溶劑和油漆等化學品，在生產、運輸、使用以及廢棄物處理均對環境無害。面對差距，國內的企業需要直面現實，迎頭趕上，通過研究借鑒國外先進技術，嚴格控制材料和加工工藝，以提高低壓自愈式產品的運行壽命為基礎，努力降低電容損失率，爭取使產品使用壽命達到10年以上；開發機車電容器、直流支撐電容器、換流閥均壓電容器等中壓干式自愈圖3主負荷側直接補償接線方式式電容器，積累經驗，逐步向高壓產品過渡。

二、技術發展動態

1、南網±200MVA鏈式靜止補償器（STATCOM）投入運行近幾年，越來越多的產品和電力電子技術聯系起來，電力電子器件從過去輔助、從屬的地位已經逐漸向核心、支配地位發展，STATCOM就是很好的例子。STATCOM，即SVG（StaticVarGenerator），是并聯在變電站傳輸母線上的靜止同步補償裝置，能夠以毫秒級的速度調節輸出類似于電容器或電抗器的電流補償系統無功，在電網發生故障時緊急支撐電網電壓，加快電網故障后的電壓恢復，提高電網安全穩定性。2011年8月19日，全球首個±200MVA鏈式靜止補償器在南方電網公司500kV東莞變電站投運，今年，又在東莞500kV水鄉變電站、廣州500kV北郊變電站和廣州500kV木棉變電站落地運行。以往電容器基本上是無功補償的代名詞，包括后來出現的SVC、MSVC等，只是控制方式的改變，無功功率還是需要電容器來調節。STATCOM改變了大家的認識，它利用可關斷大功率電力電子器件調節橋式電路吸收或者發出滿足要求的無功電流，實現動態無功補償，根本不需要電容器。隨著大功率電力電子器件的日趨成熟和成本的不斷降低，傳統的電容器補償的方式將會受到更多的挑戰。

2、主負荷側直接無功補償傳統的無功補償方式中，高壓無功補償裝置一般都安裝在變壓器的第三繞組，第二繞組則作為主負荷側，無功功率需要變壓器繞組間的耦合作用實現傳遞。之前也有人提出過在主負荷側直接補償的想法，但因為制造成本和可靠性的問題沒有應用。近幾年，隨著直流輸電工程交流側無功補償和濾波裝置設計運行經驗的不斷積累，以及1000kV特高壓交流輸電工程變壓器第三繞組采用110kV無功補償裝置的要求，部分廠家重新提出主負荷側直接補償的概念并已成功運行，裝置接線方式見圖3。這種接線方式有如下特點：（1）整個裝置的絕緣水平為到110kV；（2）電容器兩端不加裝放電線圈，放電裝置采用電容器的內部放電電阻；（3）電容器采用單星形接線，采用雙橋差保護以提高裝置保護的靈敏度；（4）為防止操作過電壓對電抗器線圈造成損害，電抗器兩端并接過電壓保護器。采用主負荷側直接補償的優點是：（1）無功功率無需通過變壓器繞組交換，補償效果更好；（2）可以減小變壓器磁路尺寸，降低第三繞組的輸出容量甚至取消第三繞組，從而降低變壓器的制造成本；（3）充分體現無功補償的重要性，提高電網運行的經濟性。

3、智能化集成式無功補償裝置2012年10月起，為配合國網公司新一代智能變電站示范工程的建設需要，由西安高壓電器研究院牽頭組織，西容、桂容、無錫日新、合容等企業參與開展了智能化集成式無功補償裝置的研制工作。此次智能變電站設備改變過去供應商為主導的分專業設計模式，采用整站“一體化設計、一體化供貨和一體化調試”的運作模式，目的是實現“占地少、造價省、可靠性高”的目標。具體到無功補償裝置有如下特點：（1）以集合式或箱式電容器為裝置的核心；（2）將電容器、隔離接地開關、串聯電抗器、放電線圈、避雷器、智能組件、傳感器等部件集成設計；（3）采用普通箱式或標準集裝箱結構，整體運輸整體安裝；（4）與系統連接僅用“三纜”（電力電纜、操作線纜、光纜）；（5）電容器設備與智能組件間能通過傳感器和控制器進行信息交互；（6）裝置具有測量、控制、監視、保護等功能。

4、智能式低壓電容器近幾年我國東部經濟發達地區，逐步推廣智能式低壓電容器，其工作核心仍然是低壓自愈式電容器，但與傳統低壓電容器裝置不同的是，它利用智能控制單元、晶閘管復合開關電路、線路保護單元組成控制保護部分，并將這些智能部件組成一個整體安裝在電容器上部，代替傳統的無功補償控制器、熔斷器、機械開關、熱繼電器等。這種裝置具有明顯的優點：（1）裝置接線簡單，體積小，易于維護；（2）電容器元件裝有溫度傳感器，如果電容器工作溫度過高，智能控制單元可根據設定溫度自動切除電容器；（3）內部有智能單元和晶閘管復合開關電路，可以很方便地實現電容器的過零投入，避免合閘涌流危害；（4）易于實現數據的網絡通信。這種電容器裝置具備了結構緊湊、可靠性高及智能化的特點，很可能會成為今后低壓無功補償和交流濾波的發展方向。

5、使用植物油作為絕緣介質日本電容器株式會社（NICHICON）的草津工廠生產一種高壓自愈式電容器，用雙面金屬化紙作電極，中間夾一層聚丙烯薄膜作介質，浸漬劑為難燃的液體菜籽油（燃點280℃，比目前常用的電容器浸漬劑高一倍）。這種自愈式電容器壽命為15年，屬于難燃電容器，降低了火災事故的危險性，適用于城市建筑物內運行的無功補償裝置。無獨有偶，ABB變壓器也開始使用由高油酸葵花籽油或紅花籽油制成的天然酯基介電絕緣液BIOTEMPR代替原有的礦物油，其燃點高達347℃。另外很容易生物降解，不會產生環境問題。這種變壓器已經在巴西投入運行。

作者：賈華成明平怡單位：西安高壓電器研究院