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电力电容器培训资料

电力电容器（培训）

一、电力电容器简介

电力电容器主要应用在电力系统，但在工业生产设备及高电压试验方面也有广泛地应用。

按使用电压的高低可分为高压电力电容器和低压电力电容器，以额定电压1000V为界。

高压电力电容器一般为油浸电容器，而低压电力电容器多为自愈式电容器（在金属化电容器问世前也生产油浸低压电容器），自愈式电容器也称金属化电容器。

1.名词解释

（1）电容：

电容器的电容是表征电容器储存电荷能力的参数。

电容值称为电容量，计量单位为法拉（F），常用派生单位为微法（μF）、微微法（μμF或pF）。

①对于平板电容

式中

—真空介电常数

；

—相对介电系数（也称相对电容率，相对于真空的相对介电常数）；

—电容极板间的距离（

）；

—电容器极板面积（

）。

通常所说的介电常数都是指相对介电常数。

②对于卷绕电容器

（极板两面起作用）

式中

—极板宽度（

）；

—极板长度（

）；

—极间介质厚度（

）。

（2）电容器的储能

电容器的储能是指电容器充电后在极板间储存的能量。

即

式中

—电容器的电容（

）；

—电容器极板间的电压（

））。

（3）电容器的容量

在交流电压作用下，电容器的容量（或无功功率）为

式中

—电容器的电容电流（

）；

—对电容器施加的电压（kV）；

—施加电压的频率（

）；

—电容器的电容（

）。

2.电力电容器的分类和用途

（1）并联电容器

并联电容器是并联补偿电容器的简称，与需补偿设备并联连接于50Hz或60Hz交流电力系统中，用于补偿感性无功功率，改善功率因数和电压质量，降低线路损耗，提高系统或变压器的输出功率。

并联电容器又由可分为：

（a）高压并联电容器，其额定电压在1.0kV以上，大多为油浸电容器；

（b）低压并联电容器，其额定电压在1.0kV及下，大多为自愈式电容器，以前曾生过油浸低压电容器。

现在已经不多见了；

（c）自愈式低压并联电容器，其额定电压在1.0kV及下；

（d）集合式并联电容器（也称密集型电容器），准确地说应该称作并联电容器组，额定电压在3.5～66kV；

（e）箱式电容器，其额定电压多在3.5～35kV，与集合式电容器的区别是：

集合式电容器是由电容器单元（单台电容器有时也叫电容器单元）串并联组成，放置于金属箱内。

箱式电容器是由元件串并联组成芯子，放置于金属箱内。

（2）串联电容器

串联连接于50Hz或60Hz交流电力系统线路中，用以补偿电力线路的感抗，减少线路电压降落，增大传输容量，提高线路电压的稳定性。

其额定电压多在2.0kV以下。

（3）交流滤波电容器

与电抗器、电阻器连接在一起组成交流滤波器，接于50Hz或60Hz交流电力系统中，用来对一种或多种谐波电流提供低阻抗通道，降低网络谐波水平，改善系统的功率因数。

其额定电压在15kV及以下。

（4）耦合电容器

在电力线路载波（PLC）系统中利用高电压输电线路作为通讯的载体，在接收端通过耦合电容器将输电线路中的高压电隔离取出高频载波信号，其额定电压多为110/√3～500/√3kV。

（5）直流滤波电容器

用于高压整流滤波装置及高压直流输电中。

滤除残余交流成份，减少直流中的纹波，提高直流输电的质量。

其额定电压多在12kV左右。

（6）电热电容器

在400～24000Hz范围内的感应加热电气系统中，用于提高功率因数或改善回路特性。

其额定电压在3.0kV及以下。

通常设有水冷却装置。

（7）断路器电容器（均压电容器）

并联连接在交流高压断路器的断口上，用以改善电压分布。

其额定电压在40～180kV。

（8）脉冲电容器

用于冲击电压、冲击电流发生器，冲击分压器、振荡回路和续接脉冲装置。

其额定电压在1～500kV。

（9）压缩气体标准电容器

与高压电桥相配合用于测量绝缘介质以及高压电气设备的电容和损耗角正切，也可作为分压电容器用。

为了减少介质损耗对测量造成误差，其本身的介质损耗要尽可能的小，因此其介质都为气体，主要有洁净而干燥的六氟化硫、氮气或空气,其额定电压多在10～1200kV。

在用于测量时其电容值在100pF左右，其标牌上都以实测值标示。

3.电力电容器装置

由单台电容器与其它有关器件配套组成的满足一定要求的设备。

（1）并联补偿电容器装置（TBB）

变电、输电和用电设备中大都是感性负荷，这就加大了输变电设备的视在功率，加大了系统中的电流。

在系统中并联接入电容器装置后，由于流过电容器的容性电流与系统中的感性电流相位相反，抵消一部分感性电流，因而减少了系统中的电流，减轻了输变电设备的负荷。

提高了输出能力，也就是提高了功率因数。

电容器作为无功补偿应用时，一般大多是成组成套装置。

电容器的无功补偿作用原理如图1.1所示

图1.1电容器无功补偿原理图

并补电容器装置的接线图入图1.2所示。

图1.2并联补偿电容器装置接线图

图中：

QS—断路器，其作用是关、合电容器组；

QF—隔离开关，其作用是：

在开断电容器组后打开，以防止断路器误合造成事故。

操作顺序是在断路器开断后打开，在断路器合闸前先关合；

K—接地开关，在断路器合闸前打开，在断路器开断后合上，以防止断路器误合造成人身或设备事故；

BL—避雷器，现多用金属氧化物避雷器，以前曾用碳化硅避雷器，现在几乎已被淘汰，其作用是过电压保护（雷电过电压和操作过电压）；

RD—熔断器，其作用是切除单台故障电容器，在设备安全允许切除台数之内时，让电容器装置继续运行；

FD—放电线圈，其作用是在装置退出运行时，将电容器中残存的电荷放掉，其具体要求是在规定的时间内（标准规定，5s），电容器两端的残存电压降到规定值（标准归规定，50V），以保证人员和装置在再次合闸的安全。

放电线圈的二次电压提供继电保护的信号；

L—串联电抗器，其作用是抑制合闸涌流和抑制电力系统的谐波放大。

当仅需抑制合闸涌流时选择电抗率为0.1％～1％的串联电抗器，当需抑制5次谐波放大时选用电抗率4.5％—6％的电抗器，当需抑制3次谐波放大时选用电抗率12％～13％的电抗器。

电抗率一般用K表示，其数值为电抗器的感抗与电容器的容抗的比值百分数表示,即K=XL/XC,XL=ωL,XC=1/ωC。

（2）并联电容器装置的继电保护

并联电容器装置都设有继电保护措施，电容器在长期运行中很难避免出故障，继电保护的目的是在电容器单元故障数量在一定的允许范围内，只通过熔断器切除故障电容器，让电容器装置继续运行，当故障电容器超限量时立即通过继电保护装置发出指令，切除整个装置，以防止事故扩大。

继电保护是对在电容器装置的保护，而对于电容器本身的保护中分为外熔断器保护（如前述）和内熔丝保护，外熔断器保护是针对整台电容器，而内熔丝保护是针对电容器内的元件。

因此在电容器设计时就分为有内熔丝和无内熔丝两种。

外熔断器保护是单台电容器，在使用时与单台电容器串接，继电保护是以单台故障电容器数量设限，内熔丝是保护电容器内部的元件，使用时与元件串接，继电保护是以故障元件数量设限。

继电保护方式

A）开口三角电压保护

开口三角电压保护接线如图1.3。

图1.3开口三角电压保护接线图

当某相电容器组中电容器单元（或元件）故障数达到限定数量时，由于三相阻抗不平衡，中性点偏移，每相电容器组两端的电压发生变化，反应在放电线圈两端的电压变化，由于放电线圈二次侧接成开口三角形，开口端原本电压为零，不平衡后就产生了一定数量值的开口电压，电容器单元（或元件）故障数越多，开口电压越大，与限定故障数对应的电压就是继电器的动作电压，也就是发出断路器打开指令的启动电压，断路器断开，电容器装置退出运行。

B）电压差压保护

差压保护接线如图1.4。

电容器组每相由两个电压相等的串联段组成与其并联连接的放电线圈一次侧由两段电压相等的线圈串联，二次侧由两个电压相等的独立线圈并联开口接线，在开口处获取继电保护电压。

当电容器单元出线故障时，产生差压信号，故障电容器单元（或元件）达到保图1.4差压保护接线图

护设限数量时，继电保护启动，切除电容器装置。

C）中性点不平衡电流保护

中性点不平衡电流保护接线示意如图1.5。

图1.5中性点不平衡保护接线图

采用中性点不平衡电流保护时，电容器组要接成双星接线方式，即把电容器组分成容量相等的两个星形接线，这样每相上的电容器都分成两个支路，在一个支路电容器出现故障电容器（或元件）时，相应的中性点电位发生偏移，三相电流不平衡，另一星形三相电流未失平衡，在两个中性点之间装设电流互感器，取出不平衡电流作为继电保护值，达到预设值时，启动保护程序，切除电容器装置。

D）桥式差动电流保护

桥式差动电流保护的接线图1.6。

图1.6桥差保护原理图

当电容器组每相的串联段数为偶数并可分为两个支路时，在其中部桥接一台电流互感器获取保护动作信号。

在电容器装置正常运行时，四个桥臂的阻抗相等电流互感器中无电流。

如电容器单元（或元件）出现故障，故障臂阻抗变化，电流互感器中有电流流过，超过保护设限时，启动保护程序，切除电容器装置。

各种保护的具体计算方法在此不作介绍了。

但在计算时，注意电容器故障的计算前提：

故障电容器单元（或元件）都出现在同一并联段。

（2）高压交流滤波装置（TAL）

高压交流滤波装置是由高压交流滤波电容器与电抗器、电阻器连接在一起组成交流滤波装置，并联连接于50Hz或60Hz的高压交流电力系统中，用来对一种或多种谐波电流提供一个低阻抗通道，降低网络谐波水平，同时也改善系统的功率因数。

其简单原理图如图所示。

该图为单调谐滤波器示意图，

单调谐滤波器是调谐一个谐波频率（一般是低阶特征谐波）的串联RLC电路。

其阻抗由下式给出

在谐振频率下，这个阻抗减小到R，其谐振角频率为

式中ωn=2πf则f就是要滤除的谐波频率。

为了滤波效果更好，通常设计时电阻R取值较小，即Q值（Q=ωL/R或1/ωCR）较高,这有利于提高滤波效果。

下列各图为阻尼滤波器的示意图，它是滤除某一高次及以上次数的谐波，故也称为高通滤波器，高通滤波器有一阶的、二阶的、三阶的和C形的。

（a）一阶的（b）2阶的（c）三阶的（d）C型的

整套滤波装置一般有若干个低频单调谐滤波通道和一个高通滤波通道组成。

高通滤波通道是滤除单调谐滤波通道滤除频率以外的更高次谐波的通道。

有关滤波装置的详细情况比较复杂，在此不作更深入的介绍。

滤波装置在工频下其电容器的容抗都大于感抗，因此还能向工频电网系统提供无功补偿，（在这一点上其作用和并联电容器有同样的作用）。

下图是一个滤波装置设计实例。

图上方的数字为滤除谐波的次数

（3）电容式电压互感器（TYD）

电容式电压互感器由电容分压器和电磁单元组成，使电磁单元的二次电压实质上正比于一次电压，且相位差在连结方向正确时接近于零。

电容式电压互感器的用途：

主要用于测量、计量、保护和通讯。

电容式电压互感器的接线原理如图1.6。

图中：

C1—高压电容；C2—低压电容；L—补偿电抗器；XY—限压器；T—中间变压器；1a,1n—主二次第一线圈接线端子；2a,2n—主二次的第二线圈接线端子；da,dn—剩余图1.6电容式电压互感器接线原理图

绕组接线端子；Z—阻尼器；δ—耦合电容

器低压端子（也称通讯端子）。

工作原理

线路电压由C1与C2分压，C2上的电压提供给中间变压器T，在其主二次接线端子间获取线路的实测值，用于测量和计量。

采用调节变压器的一次线圈匝数来调整比值误差，采用调节电抗器L的感抗值来调整相角误差。

剩余绕组间接有阻尼器Z用于阻尼铁磁谐振。

限压器XY的作用是保护补偿电抗器L上的谐振过电压。

在不用通讯功能时δ端子短接，当使用通讯功能时，在δ端子间接入结合滤波器，其小电感特性对工频测量无影响，而高频通讯载波信号（30～500kHZ）电压则几乎全部加在结合滤波器两端，这就几乎相互都不受影响的进行测量和通讯。

三台电容式电压互感器分别接入输变电线路的A、B、C母线上，将二次侧剩余绕组接成开口三角形，线路正常运行时，开口电压为零，当任一相母线发生对地短路时，开口电压为剩余绕组的额定电压值，启动保护措施，停电检修。

这就是电容式电压互感器的保护功能。

附录

电力电容器产品型号的编制方法（JB/T7114—××××）

（摘录）

1型号表示方法

1.单台电容器型号的表示方法

型号中的代号组成。

型号中的字母均为汉字拼音大写字母。

1.1.1系列代号

表1电容器系列代号

系列代号

字母含义

系列代号

字母含义

A

交流滤波电容器

M

脉冲电容器

B

并联电容器

O

耦合电容器

C

串联电容器

R

感应加热装置用电容器

D

直流滤波电容器

X

谐振电容器

E

交流电动机电容器

Y

标准电容器

F

防护电容器

Z

直流电容器

J

均压电容器

ZO

直流耦合电容器

1.1.2浸渍介质代号

表2浸渍介质代号

浸渍介质代号

字母含义

浸渍介质代号

字母含义

A

苄基甲苯

K

空气

B

异丙基联苯

L

六氟化硫

C

蓖麻油

S

石腊

D

氮气

W

烷基苯

F

二芳基乙烷

Z

菜子油

G

硅油

注：

当浸渍介质为几种混合介质的混合物时，只表示主要浸渍介质的代号

1.1.3极间主介质代号表

表3极间主介质代号

极间主介质代号

字母含义

D

氮气

F

膜纸复合

L

六氟化硫

M

全膜

MJ

金属化膜

1.1.4结构代号

集合式电容器的结构代号为H，充氮气的集合式电容器结构代号为HD，充六氟化硫气体的集合式电容器结构代号为HL。

1.15第一特征号

用以表示电容器的额定电压，单位为kV（E系列交流电动机电容器的单位为V）。

集合式电容器是用线电压（系统标称电压）表示。

1.16第二特征号

用以表示电容器的额定容量或额定电容，额定容量的单位为kvar，额定电容的单位为μF（Y系列标准电容器的单位为pF）。

1.17第三特征号

用以表示并联、串联、交流滤波电容器的相数或感应加热装置用电容器的额定频率。

单相以“1”表示，三相以“3”表示；感应加热装置用电容器的额定频率的单位为kHz。

1.1.8尾注号

用以表示电容器的主要结构特征和使用特征，用大写汉字拼音字母表示。

见表4

表4尾注号字母

尾注号字母

字母含义

尾注号字母

字母含义

F

中性点非有效接地系统使用

S

水冷式（自冷不用字母）

G

高原地区使用

TH

湿热带地区使用

H

污秽地区使用

W

户外使用（户内不用字母）

K

有防爆要求地区使用

注：

字母F、H仅耦合电容器术

1.2电容器装置型号的表示方法

型号中的代号组成

1.2.1装置代号

用以表示电容器装置，有大写拼音字母“T”表示

1.2.2装置系列代号

表5装置系列代号

系列代号

字母含义

系列代号

字母含义

AL

交流滤波电容器装置

JB

截波装置

BB

并联补偿电容器装置

RF

交流电容分压器

CB

串联补偿电容器装置

YD

电容式电压互感器

CL

冲击电流发生器

ZF

阻容分压器

CY

冲击电压发生器

ZY

直流电压发生器

DL

直流滤波电容器装置

DB

静止型动态无功补偿装置

1.2.3第一特征号

用以表示装置的额定电压，单位为Kv。

大多装置用系统标称电压（线压）表示，但电容式电压互器用系统标称电压除以√3（相压）表示。

1.2.4第二特征号

用以表示装置的容量、额定电容或额定电流，额定电流的单位为kvar，（DB系列的单位为Mvar

）,额定电容的的单位为μF，额定电流的单位为kA或mA.

1.2.5第三特征代号

用以表示串联、交流滤波电容器装置的相数，单相用“1”表示，三相用“3”表示。

1.2.6尾注号

对于高压并联、串联、高压交流滤波电容器装置尾注号用以表示主接线方式和电容器组的继电保护方式，字母含义间表。

表6装置尾注好号的一个字母

字母

含义

A

单星型（Y接线）

B

双星形（Y—Y接线）

C

三星型（YYY接线）

表7装置尾注号的第二个字母

字母

含义

C

电压差动保护

L

中性点不平衡电流保护

K

开口三角电压保护

Q

桥差不平衡电流保护

Y

中性点不平衡电压保护

表8电容式电压互感器尾注号字母

字母

含义

F

中性点非有效接地系统

G

高原地区使用

H

污秽地区使用

TH

湿热带地区使用

注：

各表中代号为黑体字母者均为本企业常用产品型号的代号字母。

1.3型号举例

1.3.1单台电容器（电容器单元）

并联电容器（油浸）

BFF11/√3—200—1BFM11—334—1WBAM12—446—1W

交流滤波电容器

AFF8.65—312.6—1WAFM7.32—301.3—1WAAM12.6—405.2—1W

集合式电容器

BFMH10—3600—3WBFFH35—7200—3W

1.3.2电容器装置

并联电容器装置

TBB10—4800—AKTBB35—6000—BL

滤波电容器装置

TAL10—2000—1AQ

电容式电压互感器

TYD220/√3—0.005HTYD110/√3—0.002—1TH

提醒：

在单台电容器的型号中其电压值为额定电压，在成套装置中的电压值采用系统电压标称值。

4.电容器单元设计.设计举例:

1.设计依据

产品使用条件和技术要求是设计时的依据。

使用条件主要为：

产品为户内式还是户外式；安装地点的海拔高度；周围空气的最高温度和最低温度；相对湿度；污秽和盐雾情况等。

技术要求主要为：

产品的额定电压；标称电容值及实测电容器值对标称值的误差；有无内放电电阻；有无内熔丝；有关电容器的国家标准和行业标准及用户提出的特殊要求。

2.电容器的结构

各种电容器的结构根据其种类不同差别很大，在此不作一一介绍，可参看实物。

但其核心部分芯子都大同小异。

1）单台电容器的构成:

主要包括:

箱盖、油箱、心子、铭牌等。

2）单台电容器产品的基本设计过程:

产品的设计核心部分为元件。

假设所设计的产品为全膜介质并联电容器,型号为:

BAM11/√3-200-1W,进而定出该产品的额定值和基本结构见下表:

额定电压

（kV）

额定频率

（Hz）

额定容量

（kvar）

相数

元件结构

环境

介质

引出端子

11/√3

50

200

1

引箔或凸箔结构

户外

浸苄基甲苯,采用全膜介质

2个端子

①元件的串联数;

元件的额定电压通常不高于2kV,故元件的串联组数为:

Un—电容器的额定电压（V）；

取下一位整数，则元件的串联组数n取4。

②电容器的总电容值：

ωN—为额定角频率；ωN=2πf=314

PN—为电容器的额定容量（kvar）；

③电容器的内部并联数的确定：

根据经验此电容器的内部并联数m取10。

④内部元件电容量的计算：

⑤元件参数计算：

元件采用全膜聚丙烯薄膜浸苄基甲苯绝缘油，铝箔凸出折边结构。

元件结构参数见下表：

固体介质

液体介质

薄膜尺寸

铝箔尺寸

极板有限宽度

心轴直径

铝箔折边宽度

铝箔凸出宽度

极板结构

三层10μm聚丙烯薄膜

苄基甲苯（M/DBT）

335X0.01

335X0.006

315

85

5

5

见CAD元件图纸

为了使电容器易于浸渍和在浸渍后仍能保持一定的油隙,元件的压紧系数初定为K=0.85,元件的额定电压为:

元件的平均工作场强为:

当K=0.85时,

极间介质的电容率（介电常数）:

εi——浸渍剂的电容率；

　　εf——聚丙烯薄膜的电容率；

K——压紧系数（K=0.85）。

元件圈数：

式中：

D0——心轴直径（cm）；

DAL——铝箔极板厚度（μM）；

bAL——铝箔极板有限宽度（cm）；

CeN——元件额定电容（μF）。

元件厚度：

当K=0.85时,

卷绕元件的平均直径:

卷绕元件的有效长度:

元件的计算电容：

元件的额定电容与计算电容的差率:

元件宽度:

元件长度:

心子计算:

元件总厚度:

组间绝缘:

采用0.13mm电缆纸5层.

组间绝缘厚:

主包封件的设计:

元件长度:

绝缘水平

系统标称电压

（方均根值）

设备最高电压Um（方均根值）

额定雷电冲击耐受电压（峰值）

额定操作冲击耐受电压（峰值）

额定短时工频耐受电压（湿试与干试）（方均根值）

3

3.5

40

———

25/18

6

6.9

60

———

30/23

10

11.5

75

———

42/30

15

17.5

105

———

55/40

20

23.0

125

———

65/50

35

40.5

185

———

95/80

66

72.5

325

———

140

350

———

160

110

126

450

———

200/185

220

252

850

———

360

950

———

395

330

363

1050

850

460

1175

950

510

500

550

1425

1050

630

1550

1175

680

1675

———

740

根据上表内容10kV级系统对地绝缘42kV，主包封件采用0.08电缆纸22层.

主包封件厚度:

夹板厚度:

心子高度H:

心子宽度B为:

心子长度L为:

选用外壳尺寸:

电容器箱壳用2.0mm普通钢板制造。

单相电容器中内放电电阻的计算：

式中：

R——内放电电阻MΩ；

UR——容许剩余电压（kV）；

T——从√2UN放电到UR的时间（s）

C——电容器的电容（μF）。

5.电力电容器的绝缘材料

绝缘材料是起绝缘作用材料的总称，在电容器中两极板之间的绝缘材料通常称为介质。

1）电容器介质的主要电气性能

（1）介电系数

介电系数是处理各种电场问题的基本参数之一。

在绝缘技术中，不论是设计合理的绝缘结构，或是计算介质储能能力，都需要掌握绝缘材料的介电系数。

另一方面介电系数的大小决定于介质的极化，而介质极化又决定于物质的分子结构和分子运动形式，所以通过对介质介电系数的研究来研究绝缘材料的分子结构，反之亦然。

真空介电系数ε0：

（法/米）。

相对介电系数εr：

就是充满介质电容器的电容量与同一电极系统的真空电容器的电容量之比。

我们常用的介电系数通常都是指绝缘材料的相对介电系数。

介质的介电系数ε：

介质的介电系数是相对介电系数和真空介电系数的乘积。

即

ε＝εrε0

在作为电容器的介质时，总希望介电系数越大越好，因为介电系数越