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德国赛通电气MKP-OM型干式自愈中压电容器先进技术

2022-03-21

1.引言
由于传统的全膜电容器故障率较高,以及其在故障发生时所产生的巨大危害,无功补偿装置似乎已成为整个电网中“危害”的一个环节,保护措施不可少。
但由于成本方面原因,100~6000kvar范围的中小容量补偿装置的保护却常常被简化,甚至被忽略!通常,一个100kvar补偿装置所需配置的保护装置与一个10000kvar补偿装置所需配置的保护装置基本相同。这就导致出现了如下不协调的情况:大容量补偿装置的保护成本可能仅占整个装置成本的5%,而小容量补偿装置的保护成本却可能占到80%!特别是对于分组自动投切的情况,由于每一路分组均需配置独立而完整的保护装置,保护成本更是阿数倍上升,严重地影响了中压自动补偿装置的推广应用。
针对这种情况,德国赛通电气(SYSTEM ELECTRIC GmbH)积百年电容器制造经验开发了MKP-OM型干式自愈中压电容器。旨在利用成熟的自愈技术大幅度提高电容器自身的安全性,从而大幅度降低补偿装置的保护成本来降低整个补偿装置的整体造价。
   
2.中压电容器保护技术的比较
电容器故障的首要原因是绝缘介质的击穿。
电力电容器一旦投入运行即满负荷运行,没有空载或低负荷的机会。而随着市场竞争的加剧,成本压力越来越大,绝缘介质击穿的几率明显增加,电容器的故障率不断上升。
2.1 全膜中压电容器的损坏过程
全膜中压电容器由大量的元件经串联和并联而成。全膜介质击穿的特点是在击穿点处形成短路,无法自行消失。整个过程不会使内部温度升高,也不会分解出气体,因而对全膜电容器而言,温度监控或压力监控都是无效的,只能通过检测其电流的变化来判断内部故障的情况。通常,全膜电容器采用外熔丝或内熔丝来进行保护。
无论是外熔丝或内熔丝保护,一旦某个元件的介质发生击穿都不可避免地导致电容器内工作状态发生不利的变化:其他的元件承受的电压将升高、流过的电流将增大。而元件电压的升高将加速其介质的老化,甚至危及绝缘强度,最终引发新的介质击穿,形成一个恶性循环。
就元件击穿后所造成地影响程度而言,内熔丝明显好于外熔丝。内熔丝能够早期检测到故障,及时隔离故障元件,并且剩下的元件还能够继续运行,具有一定的先进型,因此得到了广泛的认可。但内熔丝保护一旦动作即切除整个元件,隔离的范围还是偏大,导致出现不平衡与一定的容量衰减。外熔丝保护则迟钝得多,往往是电容器内部故障发展到中期或较严重的程度熔丝才能动作。
2.2 金属化薄膜中压电容器的自愈保护
德国赛通电气(SYSTEM ELECTRIC GmbH)金属化薄膜(MKP-OM型)中压电容器采用在高真空状态下用蒸镀的工艺在聚丙烯薄膜的两面蒸镀极薄的锌铝复合层。
 
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如图所示,当德国赛通电气(SYSTEM ELECTRIC GmbH)金属化薄膜(MKP-OM型)中压电容器内部发生介质击穿时,在击穿点产生的电弧使得其四周的金属层分解成为气体而蒸发掉,于是击穿点四周形成一个没有金属层的区域,恢复了绝缘,电容器继续运行,由此造成的容量减少几乎可以忽略不计。
由于整个自愈过程持续不足1毫秒,故障转瞬即逝,发生持续短路的概率几乎为零,熔丝毫无动作的机会,成为多余。同时由于容量衰减微乎其微,基于不平衡检出原理的保护也无必要。
自愈过程必然伴随着气体的产生。德国赛通电气(SYSTEM ELECTRIC GmbH)金属化薄膜(MKP-OM型)电容器壳内压力成为电容器故障水平的可靠信号,因此采取压力监测和过压力保护能够可靠地发现故障,形成有效的保护手段。
2.3 油浸与干式中压电容器  
全膜中压电容器一般以非环保的可燃的液态有机物作为浸渍剂,必须解决泄漏问题。一旦壳体出现破裂,对周边的环境有较大的影响,甚至有燃烧的危险。电容器报废后的处理成本也较高。        
德国赛通电气(SYSTEM ELECTRIC GmbH)金属化薄膜(MKP-OM型)干式技术的电容器一方面因为不再用可燃的液态有机物而避免了燃烧的危险和对环境的损害,同时干式技术也大大提高了电容器的性能,例如:温度系数减小、参数误差减小、过电压能力增强等。
 
3.中压补偿装置保护技术的比较
以下对实践中常见的几种补偿装置保护技术进行比较:
方案一:简单的熔断器或限流保护 
对于小容量的无功补偿装置由于成本的压力往往因陋就简,用简单的中压熔断器或限流继电器进行保护。这类保护具有很好的短路保护性能,但却不能有效地保护电容器。一是其通常整定值较高,发现故障较晚;二是动作后影响较大。保护动作后切除整只电容器,甚至整套补偿装置,影响太大。如果切除的是单相电容器则势必造成严重的不平衡。
方案二:双星形不平衡保护
采用单相电容器和不平衡保护。该保护的优点是灵敏度很高,能够可靠地发现早期故障。其缺点是选择性很差,难以进行故障定位。一旦某个电容器内部元件出现故障即导致整个装置被切除,这是不希望的。其另一个缺点是保护成本较高,尤其是对于分组式自动补偿装置,势必要求每一分组都配备完善的不平衡保护。
方案三:单星形比相式保护
通过比较各相电流是否相等作为判据来进行保护。该保护具有很好地保护效果。缺点是电网的不平衡可能导致保护误动。其灵敏度亦不及不平衡保护。高成本的缺点仍然阻碍其在中小容量补偿装置中的使用。

4.中小容量补偿的解决方案—MKP-OM型干式自愈中压电容器
德国赛通电气(SYSTEM ELECTRIC GmbH)金属化薄膜MKP-OM型干式自愈中压电容器是成熟的低压自愈式电力电容器技术的进一步发展。凭借其可靠的自愈性能大幅度地提高电容器的可靠性。电容器内部故障状态则通过压力的形式表现出来,并通过压力开关监控内部压力。无需配置其他保护,大幅度地降低了保护成本,特别适用于中压6,000kvar以下的中小容量的补偿装置,尤其是分组自动补偿装置。
压力开关符合相关标准(VDE-EN61071及VDE-EN60110)。各只电容器的压力开关串联后出口给相应开关执行保护跳闸。典型接线方式如下图所示,开关采用负荷开关(固定补偿)或真空接触器(分组自动补偿),熔断器为整套补偿装置或分组提供短路保护。
与全膜中压电容器不同,德国赛通电气(SYSTEM ELECTRIC GmbH)生产的MKP-OM型中压电容器不采用可燃的液体填充剂,而是采用固体物质填充,即干式电容器。
通过特殊工艺,实现了元件与外壳之间的高度绝缘,该绝缘按照电容器的额定绝缘电压进行设计,并通过检测。这种绝缘对于电容器壳内的压力监控的安全作用也是至关重要的。
 
5.MKP-OM型中压电容器的技术特点:
  (1)固体介质填充,干式结构,符合环保要求。
  (2)内置压力保护继电器,提供常开保护出口。
  (3)自愈介质的高阻抗故障特点可防止短路电流的出现。所以无需特制的内部熔丝或外部限流熔断器。
  (4)由于介质的干式结构,电容器的温度系数明显低于全膜介质。
  (5)容量误差可达1%,可长期稳定运行。非常适用于失谐保护或调谐滤波场合。
  (6)耐瞬态过电压能力强。
  (7)既可用于室内,也可用于室外,可提供多种防护等级。
  (8)干式结构,不会污染环境。不含可燃物质,并且电容器报废后处理成本低。
  (9)可用于外壳接地或不接地场合。