电力电容器基础知识及常见运行问题

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）

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 =10 6 μF =10 9 nF =10 12 PF

1 μF =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， m 2

    d—极板间距， m

    εr —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：

 

 

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εr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<5×10ˉ6

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： ≥ 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。

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：

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：

1.4.3 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。

  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：

1.4.4 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。

并联谐振电路中电压和电流的关系为：

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：

  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。