出品｜正尔科技
撰写｜潘鹏
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）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。
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。
4.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.电容器中常用的绝缘材料
电力电容器中使用的介质有气体、液体和固体之分，除了标准电容器使用气体介质以外，其它均只使用液体和固体介质。
按使用固体介质的种类不同电力电容器可分为：用电容器纸和绝缘油作为介质的全纸电容器（我国早期生产的电容器—第一代产品，现已不再生产）；用电容器纸、聚丙烯薄膜和绝缘油作为介质的复合介质电容器（第二代产品，现在生产量也已很少）；用聚丙烯薄膜和绝缘油作为介质的全膜电容器（目前生产的主要产品）。固体介质承担电容器两电极间的大部分电压，液体介质绝缘油主要作用是充满两极间和电容器内部的一切空隙以提高局部放电性能，同时也承担小部分电极间电压和散热作用。
电力电容器中应用的气体绝缘材料介质
1）气体作为电介质的最大优点是介质损耗特别小，最大缺点是绝缘强度低，目前仅用于标准电容器，就是利用介质损耗小的优点，又因绝缘强度低，所以都用压缩气体以提高绝缘强度。应用种类主要有纯净而干燥的空气、氮气、六氟化硫。
2）液体绝缘介质
液体介质在电容器中虽承受一定的电压，但其主要的作用填充固态绝缘材料（介质）间的全部空隙，防止因空隙中残留的气体而发生局部放电影响电容器的使用寿命。另一作用是有利于散热。
电容器中应用的液体介质
电容器油（英文缩写为MO）：最早的应用材料，现已被更优良的液体介质所代替；烷基苯（英文缩写为AB）：全称为十二烷基苯，亦已很少应用，也是因为被性能更好的介质所代替；二芳基乙烷（英文缩写为PXE和PEPE两种）：又称S油――源于日本的称呼，有苯基二甲苯基乙烷（PXE）和苯基乙苯基乙烷（PEPE），后者因其凝固点较低也称低温S油；异丙基联苯（英文缩写为IPB）；苄基甲苯（英文缩写为M/DBT）：是单苄基甲苯和双苄基甲苯的混合物，也称C101――源于法国的称呼；AS-40 ：为单苄基甲苯和二苯基乙烷的掺合物，由日本制造；氯化联苯（PCB）：由于毒性较大很难于降解以不被应用。
5.自愈式电容器的简单介绍
自愈式电容是一种在其介质发生击穿时能迅速自动恢复其性能的一种电容器，在这种电容器中其电极是采用蒸发在介质（聚丙烯薄膜等）上的金属层（铝、锌、铝锌、银锌合金等）。也称金属化电容器，介质的厚度在6～12μm,金属层的厚度在0.01～0.03μm，由于金属层很薄，在介质击穿时产生的热量使击穿点附近的金属挥发，该点又恢复了绝缘性能，这种现象称为自愈。值得注意的是，往往由于击穿时聚丙烯被熔化，与熔化电极的金属混合，绝缘性能有较大的不确定性，有时无法恢复绝缘性能，即所谓自愈失败。大多数自愈式电容器用于低电压（1000V及以下电力系统）系统，但也有用于高电压系统中。
自愈式电容的元件是将金属化后的薄膜介质卷绕在绝缘管上形成的，通常将卷绕好的元件装入铝筒或绝缘筒中，根据使用电压和容量的大小由一只或几只元件串并联组成一台电容器。在电容器的壳内填充液体绝缘物（蓖麻油、菜子油等），当填充物为固体绝缘物（桎石或石腊）时称为干式自愈式电容器。再用于高电压系统就称为干式高压自愈式电容器。电容器内部都有保护装置（如 压力保护、温度保护、熔丝保护等）和放电装置。
二 、电力电容器制造工艺要点
电力电容器的制造工艺过程可以通过参观现场了解，在此不作具体介绍。仅对工艺要点作一阐述。
电力电容器在所有高压电器中（比如：变压器、电机、电缆等等），工作电场强度（简称场强）是最高的，也是为数不多的工作在均匀场强中的电器（极间），因此对于制造环境和工艺过程也是最严格的。
在高电压绝缘结构中，都不可避免的要求尽量减少绝缘材料中（含组合材料间）的杂质（主要是灰尘）、水分和空气。在电力电容器制造过程中则要求更高。因此可以说，在电容器制造过程中对原材料和工作环境的要求是最高的。
对有关关键点作以下论述：
1.原材料
①作电极材料的铝箔
铝箔是在净化条件下生产的，并密封包装运输，我们要做的是防止在使用过程中的污染。
对于使用的其它金属材料，如电气连接用的铜绞线、铜片等也要洁净。
②作为介质用的聚丙烯薄膜
聚丙烯薄膜也是在净化条件下生产的，并密封包装运输，同样要求防止在使用过程中污染。
对于使用的其它绝缘材料，如电缆纸、电工纸板等也要洁净。
③作为介质使用的绝缘油
绝缘油在出厂时的含水、含气量都大于使用要求，有时还含有杂质和酸含量较高，在使用前都要进行净化处理（真空脱水、脱气，用白土去除杂质和降低酸值），去除或降低其含量，达标后方能使用。
2.关键工序
①元件卷制
要按工艺要求严格控制卷制间的洁净度，不达标就不能生产，否则因灰尘落入电容器的电极间会发生极间短路的严重后果。其道理很简单，电容器极间工作场强设计的本来就很高，在灰尘处使原本极间的均匀的电场发生了畸变，局部场强变得更高，存在极间击穿的隐患。这是电容器在使用过程中发生击穿损坏的主要原因。
除了生产环境的严格要求外，在卷制元件时要控制好铝箔和聚丙烯薄膜的张力配合，防止铝箔或聚丙烯薄膜出现褶皱现象，在褶皱处同样也会产生电场畸变，大大提高该处的场强。影响使用寿命甚至极间击穿损坏。
②真空浸渍
在完成电容器内部的一切装配工作后，仅留有一或二个注油、排气孔与外部相通，等待注油的电容器放入真空干燥浸渍罐内，留有的孔通过管道与真空泵和储油罐连接。
放入罐内的电容器首先是进行真空干燥处理，加温和抽真空都是为加快干燥速度，使电容器内部的水分和空气最大限度的排出，在高真空度环境下注入处理合乎要求的绝缘油，并一直保持至注油结束。整个过程应严格按工艺文件要求执行。
排出水分是为了提高电极间的绝缘性能和减少介电损耗。排出空气是为了提高局放性能。
这一工序的要点是真空度和注油速度，真空度不够，电容器内部就会残留气体，注油速度过快就会影响极间气体的排出，这是局部放电（简称局放）性能不达标的主要原因。局放性能差是电容器寿命短的注意原因。
真空浸渍的方式有：单抽单注式和单抽双注式。以前曾采用过浸泡室真空浸渍方式，现在已经基本淘汰。
三 、高压电力电容器的试验
试验种类
电力电容器的试验分为出厂试验（例行试验）、型式试验、验收试验和研究性试验和特殊性试验。
1）出厂试验
出厂试验的目的是检验产品是否符合设计图样，其电性能及密封性是否达到有关标准和技术条件的要求，因此，出厂试验应对每台产品进行。出厂试验的项目有：
a) 电容测量；
b) 电容器损耗角正切（tanδ）测量；
c) 端子间电压试验；
d) 端子与外壳间交流电压试验；
e) 内部放电器件试验；
f) 密封性试验；
g) 内部熔丝的放电试验。
2）型式试验
型式试验的目的是全面检验产品的设计是否合理，生产工艺是否良好，产品的性能是否能全面达到标准和技术条件的要求，并可为评价产品水平和可靠性提供依据，当新产品制出时，在试品上进行型式试验。型式试验的项目有：
型式试验
a) 热稳定性试验；
b) 高温下电容器损耗角正切（tanδ）测量；
c) 端子与外壳间交流电压试验（对地耐压试验）；
d) 端子与外壳间雷电冲击电压试验；
e) 短路放电试验；
f) 电容器配用的外部熔断器的试验；
g) 内部熔丝的隔离试验；
h）局部放电试验。
3）验收试验
验收试验的目的是检验产品在运输、储存或安装中是否受到损伤，主要性能指标是否达到要求，该试验是在用户收到产品后或投入运行前进行。试验项目可以采用出厂试验的项目或选择其中一部分。
4）研究性试验
研究性试验是为了开发新产品、特殊产品，采用新结构、新材料、新工艺时所进行的一些项目的试验。
5）耐久性试验（特殊试验）
耐久性试验是对元件（其介质设计和介质组合）以及组装成电容器单元的这些元件的制造工艺进行验证的试验。耐久性试验既费时又昂贵，但可以覆盖一定范围的电容器设计。
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