1、1,电力电容器试验方法,广西电网公司电科院陈志高2010年8月,2,1. 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 电容器的结构,3,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,4,1.2 电容器的电容,电容量由下式决定： （1）平板式： (1.1) 式中：A极板面积，m2 d极板间距，m r极板间介质的相对介电系数 （2）
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：,(1.2),5,图1.2 卷绕式电容元件,6,1.3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下可与常温下的绝缘油匹敌； 灭弧能力：约为空气的100倍； tan：在0.1 MPa 时510-6,7,1.3.2 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
3、变形，电容量稳定性差，容易老化，耐热性低（ 80），机械强度低。,8,（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。,9,1.3.3 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,10,表1.1 常用介质的相对介电系数,11,1.3.4 氧化膜电
4、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。,12,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。,13,1.4 交流电路中电容器的特性,1.4.1 电压
5、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,14,1.4.2 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),15,1.4.3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,16,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
6、阻性电压。串联谐振回路中的电压、电流关系为： (1.5) (1.6),17,1.4.4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1.5 L、C并联电路,18,并联谐振电路中电压和电流的关系为：,(1.7) (1.8),19,1.4.5 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
7、。 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。,20,2 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。,21,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，
8、从而降低线路上的电阻损耗。图2.1 无功补偿原理,22,2.2 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。,23,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,24,2.3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
9、，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。,25,3. 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。,26,80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
10、器得到广泛应用，到21世纪基本上取代了膜纸电容器。,27,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比较,28,3.2 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,29,图3.2 耦合电容器,30,串联后的总电容量为：,(3.1) 如果C1=
11、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。,31,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,32,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,33,图3.4 串联电容器结构,34,图3.5 并联电容器结构,35,（2）防护,a. 浸
12、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。,36,3.3 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。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。,37,4 电力电容器常见运行问题,4.1 并联电容器4.1.1常见问题 （1）投运时的涌流 产生原因：LC串联谐振，涌流
13、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。,38,图4.1 开关的重燃原因,39,（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。,40,4.1.2 保护措施,a. 串联电抗器限流； b. 采用无重燃开关（如FS6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
14、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。,41,图4.2 电容器的保护措施,42,图4.3 电容器组的双星形接法,43,图4.4 06年7.19玉林变电站35kV并联电容器C相爆炸,44,4.2 耦合电容器（均压电容器、分压电容器）,（1）制造工艺不良，元件受潮； （2）密封不良，渗油、进水； （3）结构不合理，运行中不能维持正压； （4）固定件、夹板有缺陷，受潮； （5）油质不佳，芳香烃成份少，不能有效吸收局部放电产生的氢气,45,5. 电容器试验项目,5.1 到
15、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）。 用户也可以根据需要与生产厂家签订合同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）。,46,5.2 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,47,5.3 预防性试验,（1）极对外壳绝缘电阻测量（集合
16、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）。,48,6. 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 用户进行密封性检查通常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），在容易产生渗油的地方用吸油材料（如白石粉、餐巾纸等）进行检查。,49,6
17、.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,50,1) 电导电流iR，与绝缘电阻有关；2）电容电流iC，与电容量有关；3）吸收电流i1，由绝缘介质的极化过程引起。,51,一般认为电容电流衰减很快，吸收电流的衰减时间较长，对绝缘电阻的测量影响较大，这种分析只是在电容量C比较小的情况下才成立。当电容量较大、而兆欧表又不能提供较大的充电电流时，电容电流反而会成为影响测量结果的主要因素。试品电容量越大，对兆欧表的短路输出电流要求越高。,52,表6.1 对兆欧表短路电流的要求（参考值）,53,6.3.2 测量方
18、法,1）测量部位：并联电容器只测量两极对外壳的绝缘电阻；分压电容器以及均压电容器测量极间绝缘电阻；耦合电容器测量极间及低压电极对地的绝缘电阻；2）测量接线：兆欧表的L端子接被试设备的高压端，E端子接设备的低压端或地，当需要屏蔽其它非被试设备时，兆欧表的屏蔽端G与其它非被试设备连接；,54,3）测量步骤：,a测量前应将电容器两极对地短接充分放电5分钟以上；b兆欧表建立电压后分别短接L、E端子和分开L、E端子，兆欧表应显示零或无穷大；c兆欧表的高压端子L与被试品的连接或分开均应在兆欧表建立电压的情况下进行；d测量吸收比时记录15秒和60秒时的绝缘电阻；测量极化指数时记录1分钟和10分钟的绝缘电阻值
19、；e测量后应将电容器两极对地短接放电5分钟以上。,55,6.4 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,56,电容量的计算：,(6.1)式中： I：电流， A U：电压，V ： = 2f，电源频率为50Hz时，=314如果取电压U=159.2 V，Cx的单位为F，侧有： Cx=20 I(F) (6.2),57,目前市场上有成套的电容、电感测量装置，其原理基于电压电流法，有些仪器为了避开50Hz的电源干扰，采用低于或高于50Hz的电源进行测量，仪器采用开口CT测量电流，因此在测量时不用打开电容器的连接线，仪器自动根据电压和电流值计算电容值或电感值。,58,
20、（2）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。（3）电容表法 适合测量单个电容器的电容量。,59,6.5 tan测量,6.5.1 tan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。 tan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)为介质损耗角。,60,a串联等值电路, P = I2RC，Q = I2XC tan= (6.4)图6.4 串联等值电路,61,b并联等值电路, P = U2/Rb；Q = U2/XC tan= (6.
21、5) 串联等值电路和并联等值电路可以互相转换，而且有：RbRC 图6.5 并联等值电路,62,6.5.2 多个元件电容器的tan,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,63,此时各元件的有功损耗和无功损耗各为：,(6.7) (6.8) (6.9),64,式中，X = 1n，将这些关系代入(6.6)式，整理,后可得： (6.10) (6.11),65,（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 = I2 RX (6.12) QX = I2 XCX =
22、 I2 /CX (6.13) tan= CX RX (6.14),66,将以上关系代入(6.6)，整理后可得：,(6.15) (6.16),67,（3）只有两个不同的元件并联或串联,并联时： (6.17) (6.18)串联时： (6.19) (6.20),68,（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tan为0.2%。 a第一种情况，某个元件的tan增大为5倍：,69,b第二种情况，其中一个元件的tan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
23、体的变化越不明显，说明总体tan对个别元件的缺陷不灵敏。,70,6.5.3 tan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,71,a正接法：适用于电容器无接地端的情况，测量准确度高，电桥测量电路处于低电位，比较安全； b反接法：适用于电容器一端接地的情况，测量结果受引线对地电容的影响，所以测出的电容值比正接法大，不能反映真实的电容值。电桥测量电路处于高电位，安全性差； c角接法：适用于电容器一端接地的情况，测量结果受升压器、引线的对地电容影响，准确性稍差，但由于电桥的测量电路位于低电压，安全性好 。,72,6.5.4 测量注意事项,（1）由于试验设备容量的原因
24、，目前不要求测量并联电容器的tan。（2）耦合电容器电容量相对也较大，试品本身容抗小，受与其串联的接触电阻、接地电阻影响比较大，应注意： a. 试验接线接触必须良好； b. 接地线应可靠接地，最好接在设备的接地端上； c. 如果采用地刀接地，应防止地刀接地不良造成的测量误差。,73,6.6 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。,74,（4）测量高压的电压表或分压
25、器应直接接在被试品的高压端上，并应读取试验电压的峰值，试验电压值以峰值 / 为准，大部分峰值电压表已按峰值 / 显示试验电压。,75,6.6.2 常规试验方法,图6.9 常规交流耐压试验接线,76,(6.22) (6.23) 各参数的单位为：Cx F；U V；IA；f Hz；： rad/s R1：限流电阻。由于电流较大，R1的阻值越大，压降越大，损耗也越大，可按R1XC选择R1的阻值，而且要有足够大的热容量，通常采用水电阻； R2：铜球保护电阻。为了保证铜球击穿后过流保护装置能够动作，应满足UT/R2动作电流。,77,注意事项：,1）电压表的高压端子必须直接接在被试品的高压端子上；2）升压速度
26、在试验电压的75%以下时不规定升压速度，但从75%试验电压升到100%试验电压则要求升压速度为每秒2%，即在12.5秒左右升到100%试验电压值，避免在接近规定试验电压附近停留太久的时间。3）试验前后要做好高压试验的安全措施。,78,6.6.3 串联谐振交流耐压试验,图6.10 串联谐振法交流耐压试验接线(调感式),79,串联谐振的特点：,IL = IC = I (6.24) XL=XC (6.25) UL=UC (6.26) (6.27) 回路阻抗： (6.28) 回路Q值： (6.29),80,在试验回路中，由于电容器也存在一定的损耗，相当于增大了损耗电阻R，所以试验回路总的等效品质因数Q
27、S会比电抗器的Q值要小一些： (6.30),81,一旦试品击穿，XC变为零，谐振条件被破坏，此时回路阻抗变为： (6.31)试品击穿后电流为： (6.32) 即：串联谐振耐压中一旦试品击穿，回路电流就会下降为Q份之一，不存在过电流的问题，所以试验比较安全。,82,串联谐振耐压的优点：,（1）减小升压器输出电压为试验电压的Q份之一，从而减小试验设备容量； （2）试品击穿后电流下降为原来的Q份之一，比较安全。 （3）不需要串接限流电阻。,83,6.6.4 并联谐振交流耐压试验,图6.11 并联谐振法 (调感式)交流耐压,84,并联谐振特点：,UC=UL = UT (6.33) IL=IC (6.3
28、4) 回路阻抗： ZQXL (6.35) 回路电流： (6.36),85,并联谐振耐压试验特点：,（1）试验电流为试品电流的Q份之一，从而减小试验设备容量； （2）试品击穿时试验电流可能会增加，过流保护应可靠； （3）需要串接限流电阻。,86,6.6.5 谐振耐压的调谐方式,1）电路参数的计算 前面已介绍通过调节电路的电感、电容或频率都可以使电路达到谐振状态。试验标准规定工频耐压时的频率范围为45Hz65Hz，在选择电路参数时应满足这一要求。当频率为50Hz、电容的单位为F、电感的单位为H时，可按下式估算电感或电容： （6.37）,87,对于调感或调容装置，可通过微调电感量或电容量使电路达到谐
29、振状态。如果采用调频装置，确定电感或电容后，再按下式计算实际的谐振频率： 如果频率落在45Hz65Hz范围内，电感L或电容C就不用再调整，如果频率超过65Hz，应增加电感量或电容量；如果频率低于45Hz，应减小电感量或电容量。,88,2）调谐方法,调谐时应在约10%额定试验电压下进行。串联谐振法在调谐过程中主要是监视回路的电流和试品上的电压，当回路电流或被试品上的电压达到最大时，说明回路已经达到谐振状态；并联谐振法在调谐时主要是监视电源的电流，当电源电流下降到最小时，说明回路已经达到谐振状态。回路达到谐振状态后，再按正常的升压速度升压试验。,89,7 电容器试验中常见异常问题及原因,7.1 绝
30、缘电阻下降 （1）受潮； （2）外部污染； （3）介质材料变质。7.2 电容量减小 （1）渗油或漏油；（因为油的介电系数比空气大） （2）电容层断开或某些元件开路。7.3 电容量增加 （1）串联元件中局部元件击穿； （2）受潮进水（水的介电系数很大，r=81）。,90,7.4 tg增加,（1）受潮及外部污染造成绝缘电阻低； （2）某些元件不完全击穿而形成一个电阻； （3）元件的连接线由于脱焊或虚焊形成接触电阻； （4）存在局部放电； （5）介质老化。7.5 tg在高电压下减小 （1）介质中有杂质； （2）没有完全击穿的元件在高电压下完全击穿； （3）开焊或虚焊的连接线在高电压下完全接通。,91
31、,8 电力电容器的运行维护,8.1 温度异常 在运行情况下可用红外热像仪检测，为了防止阳光照射的影响，应在晚间或阴天下检查。可以有效地检查出内部受潮、短路、介质损耗增大、缺油等缺陷以及引线接触不良的问题。电容器的运行温度不应超过产品的规定（通常不应超过55）,92,图8.1 10kV并联电容器内部缺陷,93,图8.2 220 kV耦合电容器内部缺陷（上节tg为0.2%，下节为0.64%）,94,图8.3 110kV耦合电容器电容量减小发热,95,8.2运行中有噪声,如果运行中电容器内部有响声，说明内部已经有严重的放电，应及时退出运行。如果是外部噪声，有可能是导线连接部位松动。8.3 密封不良
32、如果发现有渗、漏油的现象，有可能是以下原因造成，应及时检查处理。 （1）紧固螺栓松动； （2）密封胶老化； （3）外套破裂。,96,8.4 外壳鼓胀,如果发现铁壳电容器鼓胀，可能是以下原因造成： （1）内部击穿； （2）内部存在开焊或严重放电； （3）存在谐波谐振过电流 外壳鼓胀的电容器应及时退出运行，不能再用。,97,8.5 以下紧急情况电容器应立即退出运行,（1）电容器爆炸； （2）套管发生严重闪络； （3）电容器喷油； （4）电容器起火； （5）接头过热熔化。,98,9 电容器试验中存在的技术问题,（1）对于开焊、虚焊的问题，测量绝缘电阻不能反映问题，因为裂缝在高电压下会击穿放电，电容器仍然呈现正常的充放电现象，而使用输出电压很低的电容表，更能发现电容量的变化； （2）对于由多个元件串联的电容器，即使大部分元件绝缘电阻已经降为零，只要有一个电容元件的绝缘电阻合格，测量出来的绝缘电阻仍然是合格的，但电容量和介质损耗可能会明显增加； （3）有些电容元件击穿后，极板间仍有一定的绝缘电阻，这时如果用低电压测量电容量，由于击穿点保持绝缘状态，所测量的电容量还是正常的，只有提高试验电压才能使故障点重新击穿。 （4）多元件电容器，总体tg很难发现个别元件的缺陷；,
