11电力电容器试验方法

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（μF）纳法（nF）皮法（PF）1F=106μF=109nF=1012PF1μF=1000nF1nF=1000PF1.2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，mεr—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：)F(10d18AC9r)F(10d36AC9r图1.2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2～3倍。在0.3MPa下与常温下的绝缘油相当；灭弧能力：约为空气的100倍；tanδ：在0.1MPa时5×10-61.3.2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（KIS－400）、CPE等等，种类较多。电击穿强度：≥45kV/2.5mm表1.1常用介质的相对介电系数介质材料名称相对介电系数εr说明真空及气体≈1ε0=8.86×10-14电容器纸6.5柔软有机薄膜2～3.5柔软胶木及环氧树脂2.5～3.8硬绝缘油2～2.3浸渍性好瓷6～6.5硬、脆云母4～7.5脆玻璃5.5～10脆水81不稳定钛酸钡3000～8000脆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。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)C1fC21XCLfL2XL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1.4L、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)RUUCRRUI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1.5L、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)RIIBRUI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：ωL=1/ωC，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cosφ=1。LC21f2电力电容器在电力生产中的作用2.1并联电容器(移相电容器)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cosφ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cosUI3P2.2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。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：1212()/iGGNPRQXVVkVkVkkV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）纸介质；（2）膜纸复合介质；（3）纯膜介质。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。nCCD总Cn12C11C11C总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+C2+……+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2～6%，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6.4电容量测量（1）电压电流法试验接线见图6.2。图6.2电压电流法测量电容量电容量的计算：(6.1)式中：I：电流，AU：电压，Vω：ω=2πf，电源频率为50Hz时，ω=314如果取电压U=159.2V，Cx的单位为μF，侧有：Cx=20I(μF)(6.2))F(UICx（2）双电压表法（3）电桥法在采用电桥测量时，试验前应估算试验中的电容电流值，以便确定试验电源的容量和选择仪器的量程。（4）电容表法适合测量单个电容器的电容量。6.5tanδ测量6.5.1tanδ的概念电容器中介质损耗的组成：（1）泄漏电流引起的损耗；（2）介质极化损耗；（3）局部放电引起的损耗。tanδ是电容器的有功损耗P与电容器消耗的无功功率Q图6.3介质损耗角的比值：(6.3)δ为介质损耗角。QPtan电容器的无功损耗电容器的有功损耗a．串联等值电路∵P=I2RC，Q=I2XC∴tanδ=(6.4)图6.4串联等值电路CXCCC2C2RCXRXIRIQPb．并联等值电路∵P=U2/Rb；Q=U2/XC∴tanδ=(6.5)串联等值电路和并联等值电路可以互相转换，而且有：Rb＞＞RC图6.5并联等值电路bXbCC2b2RC1RXX/UR/UQP6.5.2多个元件电容器的tanδ多元件的电容器总的介质损耗为：(6.6)（1）多个不相同的元件并联为了便于分析，电容元件也采用并联等值电路。图6.6多元件并联nQ2Q1QPPPtann21总此时各元件的有功损耗和无功损耗各为：(6.7)(6.8)(6.9)XXR2UP2XCX2XUCXUQXXXRC1tan式中，X=1～n，将这些关系代入(6.6)式，整理后可得：(6.10)(6.11)n21nn2211CCCtanCtanCtanCtan总总CtanCtanCtanCnn2211n21CCCC总（2）多个不相同的元件串联为了便于分析，电容元件也采用串联等值电路图6.7多元件串联PX=I2RX(6.12)QX=I2XCX=I2/ωCX(6.13)tanδ=ωCXRX(6.14)将以上关系代入(6.6)，整理后可得：(6.15)(6.16)n21nn2211C1C1C1CtanCtanCtantan总总CCtanCtanCtannn2211n21C1C1C11C总（4）多个相同元件串联或并联(6.21)即正常情况下总体介质损耗因数与单元件的介质损耗因数相等。现假定元件总数为50个，正常单个元件的tanδ为0.2%。a．第一种情况，某个元件的tanδ增大为5倍：元件元件元件总tannQnPQQQPPPtann21n21%216.0tan5054nQP5P1ntan元件元件元件元件总b．第二种情况，其中一个元件的tanδ为零：计算结果说明总体介质损耗因数总是小于元件中的最大值而大于元件中的最小值，元件数越多，总体的变化越不明显，说明总体tanδ对个别元件的缺陷不灵敏。%196.0tan5049nQP1ntan元件元件元件总6.5.3tanδ测量一般用交流电桥测量，电桥的几种接线方式如下。图6.8电桥的三种接法6.6交流耐压试验6.6.1概述（1）交接时只对并联电容器进行。试验电压加在电极引线与外壳之间，主要检查外包油纸绝缘、油面下降、瓷套污染等缺陷。（2）对耦合电容器必要时进行交流耐压试验。（按出厂试验值的75%考虑）（3）为了减小试验设备容量，通常都采用串联或并联谐振法进行。（4）测量高压的电压表或分压器应直接接在被试品的高压端上6.6.2常规试