电力电容器试验方法 (2)

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1、电力电容器试验方法,1. 基本概念,1.1 电容器（Capacitor） 电容器由两块平行极板（铝箔）和极板间的绝缘材料所组成： 作用：存储和释放电荷的器件（充电和放电）,图1.1 电容器结构,电工符号：C 电路符号： 电容量的基本单位：法拉（F） 常用单位：微法（F）纳法（nF）皮法（ PF）1F =106F =109 nF =1012 PF 1 F =1000 nF 1 nF =1000 PF,1.2 电容器的电容,电容量由下式决定：（1）平板式： 式中：A极板面积，m2d极板间距，mr极板间介质的相对介电系数（2）卷绕式采用卷绕式时，电容值近似等于该电容展开成平面时的一倍。即：,图1.2

2、 卷绕式电容元件,1.3 常用电介质的分类,1.3.1 气体电介质(1) 气体电介质的相对介电常数r非常接近 1；(2) 电力电容器常用的气体电介质是六氟化硫（SF6）、氮气、空气等；SF6的特点：击穿强度：是空气的23倍。在0.3 MPa下与常温下的绝缘油相当；灭弧能力：约为空气的100倍；tan：在 0.1 MPa 时 510-6,1.3.2 固体电介质,电力电容器中常用的固体电介质有如下几种：（1）电容器纸优点：浸渍性好，成本低，效益高，可实现自动化生产。缺点：线膨胀系数大，易变形，电容量稳定性差，容易老化，耐热性低（ 80），机械强度低。,（2）塑料薄膜,优点：耐电强度和机械强度高，体

3、积电阻系数高，稳定性好。 缺点：难以浸渍，通过采取特殊的工艺，也可提高浸渍效果；或者做成干式电容器。 常用的塑料薄膜有：聚丙烯薄膜（简称PP膜）、聚脂薄膜等。,1.3.3 液体电介质,（1）天然液体电介质变压器油、电容器油、电缆油、蓖麻油等矿物油和 植物油。 （2）合成化合物 有异丙基联苯（IPB）、二芳基乙烷（PXE）、爱迪索 油、二异丙基萘（KIS400）、CPE等等，种类较 多。电击穿强度： 45 kV/ 2.5mm,表1.1 常用介质的相对介电系数,1.3.4 氧化膜电介质,以金属(常见的是铝或钽)的氧化膜作为电介质，以 电解质作为另一电极。即所谓的电解电容器，这类电 容器单个电容量可

4、做到上万微法。电解电容器的特点 是电极是有极性的，应用中正、负极不能接反。,近年来有一种名为双电层电解电容器（又称为法拉电容器或超级电容器）的新型元件逐渐受到关注。它的等效电容量足以达到法拉级（甚至可以达到数万法拉）。此类电容器完全可以作为电池使用，理论上可以经受无限次充放电循环，而且充电速度和能量转化率也远远高于普通化学电池，但单个超级电容耐压能力很弱，一般不会超过20V。通过串、并联组合可以提高工作电压，用于电能储存。,1.4 交流电路中电容器的特性,1.4.1 电压与电流的关系在交流电路中，电容器的电流在相位上超前于电 压90度，这个特性正好与电抗器相反。图1.3 电容器和电抗器上的电压

5、和电流相位,1.4.2 频率与阻抗的关系,电容器的阻抗与电源的频率成反比的关系，即：(1.3)这一特性也正好与电抗器相反，因为电抗器的阻 抗与电源频率成正比的关系：(1.4),1.4.3 电容器和电抗器串联,当电容器和电抗器串联时，回路中只有一个电流，此时电容器上的电压和电抗器上的电压方向相反，它们的合成电压是相减的关系。图1.4 L、C串联电路,当电容电压和电感电压大小相等时（即容抗等于感抗时），就称为串联谐振状态，此时电路中合成电抗电压为零，只剩下阻性电压。串联谐振回路中的电压、电流关系为：(1.5)(1.6),1.4.4 电容器和电抗器并联,电容器和电抗器并联时，电路中只有一个电压，此

6、时电容器上的电流与电抗器上的电流方向相反，它们 的合成电流是相减的关系。当容性电流等于感性电流 时，称为并联谐振状态，此时电路中的合成电流只剩 下阻性电流。图1.5 L、C并联电路,并联谐振电路中电压和电流的关系为：,(1.7) (1.8),1.4.5 电路谐振的条件,电路谐振的条件是容抗与感抗相等，即XL=XC 或：L=1/C，整理后可得谐振条件为：(1.9)从上式可知，通过调整电感L或电容C或调整频率 f，都可以使试验回路达到谐振的状态。在谐振状态电路呈现纯电阻特性，电流的大小仅 与电压和电阻有关，相位差总是为零，即cos=1。,2 电力电容器在电力生产中的作用,2.1 并联电容器 (移相

7、电容器)用于电力负荷无功补偿。在用户负荷中存在大量的无功功率，如感应电动机、变压器中的励磁功率、输电线路电感消耗的无功功率等。无功电流在输电线路中传输时，就会在线路、配电变压器的导线电阻中产生损耗，造成不必要的浪费。表征系统有功功率和视在功率比例的参数为功率因数，功率因数越小，说明系统中的无功分量越大。,在线路传输有功功率时，有如下关系：(2.1)当线路电压U及传输的有功功率P不变时，提高功 率因数cos就可以降低线路电流I，从而降低线路上 的电阻损耗。图2.1 无功补偿原理,2.2 串联电容器,用于输电线路无功补偿。输电线路存在一定的分布电感，线路越长电感量越大，增加了线路的阻抗和电压降。在

8、输电线路中串联电容器后，电容上的压降与电感上的压降互相抵消，从而减小了线路电压降，加长了输电距离和输电能力，提高输电质量和系统的稳定性。,对线路不长，长度不超过100 km，电压等级为220 kV电力线路，线路将消耗感性无功功率；对线路较长，其长度为300 km左右时，对220 kV电力线路，线路基本上既不消耗感性无功功率也不消耗容性无功功率，呈电阻性；线路大于300 km时，线路为电容性的。,线路补偿原理见图2.2。在线路中增加补偿电容后，由于电容上的压降UC与线路电感压降UL相减，使电源电压从补偿前的US降为为补偿后的US，更加接近用户端电压UY，达到降低线路压降的目的。图2.2 线路串联

9、补偿原理,电压调整的基本原理现以下图为例，说明常用的各种调压措施所依据的基本原理：,略去电力线路的电容功率、变压器的励磁功率和网络的功率损耗。变压器参数已归算到高压侧。负荷节点b 的电压为：,2.3 耦合电容器,用于高频通讯。电容器对高频信号呈现较低的阻抗，所以能将混在工频电压中的通讯信号取出。 2.4 分压电容器用于高电压测量。 2.5 均压电容器用于改善断路器开断时各断口电压的均匀性。 2.6 滤波电容器用于滤除电源中的高次谐波。 2.7 脉冲电容器用于冲击电压试验中的脉冲发生装置。这种电容器在结构上要求要有比较小的电感。,3. 电力电容器的结构,3.1 电力电容器常用的固体电介质 （1）

10、纸介质； （2）膜纸复合介质； （3）纯膜介质。,80年代中后期，膜纸电容器生产技术逐步完善，到90年代初，电力电容器故障率达到最低，如1993年为0.21%，接近国际水平。到90年代中期，电力电容器（主要是并联电容器）逐步向全膜化发展，1997年后全膜电容器得到广泛应用，到21世纪基本上取代了膜纸电容器。,然而，一个不争的事实是，随着全膜电容器的应用，电力电容器的故障率逐步上升，到2002年故障率达到1.91%，见表2数据。有专家分析认为主要原因是全膜电容器的耐热性不及膜纸电容器，在采用全膜介质后，电容器的表面散热面积没有增加，而是变化不大甚至减小。 表2.1 膜纸电容器与全膜电容器年故障率

11、比较,3.2 内部结构,（1）电容元件的连接a. 多元件串联：多元件串联的目的是能够承受较高的电压。例如耦合电容器的芯子是由多个元件串联组成。 图3.1 电容器串联,图3.2 耦合电容器,串联后的总电容量为：,(3.1)如果C1=C2=Cn=CD则：(3.2)即：串接的电容元件数越多，总的电容量越小，但 可以承受的电压越高。,b. 多元件并联：,多元件并联的目的是获得较大的电容量。例如，低压并联电容器内部元件全部并联。串补用的串联电容器内部为多元件并联，而且每一个并联元件都有熔丝，一旦某个元件击穿，对应的熔丝熔断，以保证电容器继续运行。图3.3 电容器并联,并联后的总电容量为：,C总=C1+C

12、2+Cn (3.3)如果C1=C2=Cn=CD 则： C总=nCD (3.4)即：并联的电容元件数越多，总的电容量越大,图3.4 串联电容器结构,图3.5 并联电容器结构,（2）防护,a. 浸渍防护通过浸渍处理，以填充固体介质中的空隙，从而 达到以下目的： 提高介质的介电系数和耐电强度； 改善局部放电特性； 改善散热条件。 b. 干式电容器 包括充气式、树脂或硅胶固封、塑料薄膜电容等等。,3.3 外部结构,电容器外壳材料：瓷、金属、树脂、塑料。 3.4 组装形式（1）单极电容器：此时金属外壳为另一个电极；（2）双极电容器：电容器的电极与外壳无关；（3）集合电容器：即将单相或三相电容器集中封装。

13、外壳结构有全密封焊死的，也有像电力变压器一样带油枕和呼吸器的。,4 电力电容器常见运行问题,4.1 常见问题（并联电容器）（1）投运时的涌流产生原因：LC串联谐振，涌流频率为几百至几千Hz，可达正常电流的数十倍，其维持时间一般在几十至几百ms；主要危害：造成CT击穿，开关触头电磨损。（2）退出时的过电压产生原因：开关重燃，产生的过电压倍数最大可达5倍以上。主要危害：造成电容器及相关设备过电压击穿。,图4.1 开关的重燃原因,（3）运行中的过电流及过电压,产生原因：电源中的高次谐波与电路的L、C参数产生谐振。主要危害：长时间的过电流和过电压。,4.2 保护措施,a. 串联电抗器限流；b. 采用无

14、重燃开关（如SF6开关），末经老练的真空开关刚投入使用时，重燃几率为26%，运行中断开电容电流30次后，基本上就不重燃了；c. 开关中增加辅助触头和并联电阻； d. 单元件熔断丝保护；e. 加装避雷器保护；f. 三相电容器组采用双星形接法，当其中某个电容器损坏时，利用中性点不平衡电流启动保护电路。,图4.2 电容器的保护措施,图4.3 电容器组的双星形接法,5. 电容器试验项目,5.1 到货后的验收试验（1）外观检查；（2）密封性检查；（3）电容量测量；（4）工频耐压试验（通常为出厂试验的75%）；（5）tan测量；（并联电容器、集合电容器不做）（6）绝缘油试验（集合电容器）。用户可以根据需要

15、与厂家协商增加型式试验或出厂试验中的某些项目（比如冲击试验、局部放电测量等）。,5.2 安装后的验收（交接）试验,（1）测量绝缘电阻；（2）测量耦合电容器、断路器电容器的tan及电容值；（3）500kV耦合电容器的局部放电试验（对绝缘有怀疑时）；（4）并联电容器交流耐压试验；（5）冲击合闸试验,5.3 预防性试验,（1）极对外壳绝缘电阻测量（集合电容器增加相间）；（2）电容量测量；（3）外观及渗漏油检查（4）红外测温；（5）测量tan（并联电容器及集合电容器不做）；（6）低压端对地绝缘电阻（耦合电容器）；（7）交流耐压和局部放电试验（耦合电容器，必要时）；（8）绝缘油试验（集合电容器）。,6. 电容器的试验方法,6.1 外观检查外观检查主要是观察电容器是否存在变形、锈蚀、渗油、过热变色、鼓胀等问题。 6.2 密封性检查用户一般只能采用加热的方法，在不通电的情况下将试品加热到最高允许温度加20的温度，并维持一段时间（2小时以上），仔细检查容易产生渗油的部位。,6.3 绝缘电阻测量,6.3.1 基本概念 在夹层绝缘体上施加直流电压后，会产生三种 电流，如图6.1所示。 图6.1 夹层绝缘体的等值电路,