一、電容器及其用途
1、電容器的概念
導(dǎo)體上可以保留一定量的電荷,即導(dǎo)體具有儲存電荷的能力。但單獨的導(dǎo)體儲存電荷的本領(lǐng)較小,為了提高導(dǎo)體儲存電荷的本領(lǐng),把導(dǎo)體做成一定的結(jié)構(gòu)。被絕緣物隔開的兩個導(dǎo)體的組合叫做電容器。組成電容器的兩個導(dǎo)體叫做極板,中間的絕緣物質(zhì)叫做電容器的介質(zhì)。
2、電容器的用途
電容器是電工和電子技術(shù)中常用的元件之一。在電力系統(tǒng)中,利用它可以改善系統(tǒng)的功率因數(shù);在電子技術(shù)中,利用它可以起到濾波、耦合、隔直、調(diào)諧、旁路、選頻等作用。在機械加工工藝中,利用電容器還可以進行電火花加工。
二、電容器的分類
1、按結(jié)構(gòu)分類
1)固定電容
其容量固定不可調(diào)節(jié)。
2)可變電容
其容量可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。常用的空氣可變電容器由兩組鋁片組成,不動的一組叫定片,可以轉(zhuǎn)動的一組叫動片。通過旋轉(zhuǎn)動片,改變動片與定片的相對面積,從而改變電容量大小。
3)微調(diào)電容
常見的陶瓷微調(diào)電容器是由兩片小型金屬彈片中間加有介質(zhì)構(gòu)成,其容量變化范圍不大,常用于調(diào)諧回路中微調(diào)頻率。
2、按介質(zhì)材料分類
1)云母電容器
云母電容器耐高壓、高溫,性能穩(wěn)定,體積小,漏電小,損耗小,但電容量小。
2)陶瓷電容器
陶瓷電容器耐高溫,體積小,性能穩(wěn)定,漏電小,電容量小。
3)金屬膜電容器
金屬膜電容器體積小,電容量較大,擊穿后有自愈能力。
4)鋁電解電容器
鋁電解電容器電容量大,有極性,漏電大,損耗大。
3、按有無極性分類
1)有極性電容
一般電解電容器有正負極之分,使用時正極接高電位,負極接低電位,不能接錯。有極性電容不能用于交流電路,否則容易被擊穿損壞。
2)無極性電容
沒有極性之分,可以用于交流電路。
三、電容器的串聯(lián)與并聯(lián)
成品電容器都有一定的規(guī)格。在實際使用時,常常會遇到電容量或額定工作電壓不符合電路要求,這時可將若干只電容器作適當(dāng)聯(lián)接,以滿足電路的需要。
1、電容器的串聯(lián)
若干個電容器依次相連,中間無分支的聯(lián)接方式叫電容器的串聯(lián)。電容器串聯(lián)相當(dāng)于把它的兩個極板的距離加大,因而具有以下特點。
1)如下圖所示,電容器C1與C2串聯(lián)后接到電壓為U的直流電源上,使與電源直接相接的兩極板充有等量異性電荷,其余兩極板在靜電感應(yīng)下也同樣帶上異性等量電荷。

因此,各電容器所帶電量相等,并等于串聯(lián)后等效電容器上所帶的電量,即:
Q=Q1=Q2=……=Qn
2)由基爾霍夫第二定律可知,總電壓U等于每個電容器兩端電壓之和。即:
U=U1+U2+……+Un
3)因為U=Q/C U1=Q1/C1=Q/C1 U2=Q2/C2=Q/C2
代入U=U1+U2得:Q/C=Q/C1+Q/C2
消去Q得:1/C=1/C1+1/C2
若有n個電容器串聯(lián)
則:1/C=1/C1+1/C2+……+1/Cn
上式說明,串聯(lián)電容器的等效電容量的倒數(shù)等于各串聯(lián)電容的倒數(shù)之和。這個關(guān)系相似于電阻并聯(lián)時的情況,若串聯(lián)的n個電容器的容量相同,且都為C,則等效電容為:C串=C/n
為了計算方便,兩個電容器串聯(lián)時的等效電容常用下式計算:
C=C1C2/(C1+C2)
串聯(lián)電容器的等效電容量比其中電容量最小的還小。同時各個電容器上分配的電壓與其電容量成反比,因為U1=Q/C1,且每個電容器上的電量相等。故電容量大的分配的電壓低,電容量小的電容器分配的電壓高。在具體使用中,必須慎重地考慮各個電容器的耐壓情況,否則會因為疏忽,使電容器分配的電壓超過額定電壓而被擊穿。
當(dāng)只有兩只電容器串聯(lián)時,計算每只電容器上分配的電壓可用下面簡單公式:
U1=C2/(C1+C2) U2=C1/(C1+C2)
式中U為電源電壓,U1與U2分別為串聯(lián)電容器上分配的電壓。
2、電容器的并聯(lián)
若干個電容器接在相同的兩點之間的聯(lián)接方式叫電容器的并聯(lián)。下圖為兩只電容器的并聯(lián)。
當(dāng)單只電容器的耐壓能滿足,而電容量不能滿足時,可以把幾只電容器并聯(lián)起來使用。并聯(lián)時有如下特點:
1)由于兩個電容器所受電壓都等于電源電壓U,因此它們極板上充有電荷為:
Q1=C1U,Q2=C2U,從電源得到的總電荷量Q應(yīng)為:
Q=Q1+Q2
2)電容器并聯(lián)后等效電容量C等于各個電容器的容量之和,即:
C=Q/U=(Q1+Q2)/U
=(C1U+C2U)/U
=(C1+C2)U/U=C1+C2
這一關(guān)系與電阻串聯(lián)的情況相似,若并聯(lián)的n個電容器的容量相同,且都為C,則等效電容為:C并=nC。
3)每個電容器兩端的電壓相同,并等于外加電源電壓,即:
U=U1=U2=……=Un
從以上分析可知,電容器并聯(lián)時總電容量增大了,并聯(lián)電容器的數(shù)目越多,其等效電容越大。應(yīng)當(dāng)注意,并聯(lián)時各個電容器直接與外加電壓相接,因此每只電容器的耐壓都必須大于外加電壓值。
四、電容器的選用
在選用電容器時,不僅要滿足性能要求,還應(yīng)考慮其體積、重量及價格等因素,不僅要考慮電路的要求,還應(yīng)考慮電容器所處的工作環(huán)境。
1、首先應(yīng)滿足電性能要求,主要考慮電容量和耐壓值。
2、選用電容器時要考慮電路要求和工作環(huán)境,如用在諧振回路中,可選用云母、陶瓷電容等;用于濾波時,可選用電解電容器;用來改善功率因數(shù)時,可選用油質(zhì)電容器等。總之,要視不同使用場合,不同電路要求,選用不同種類的電容器。
3、選用電容器時還應(yīng)考慮電容器的裝配形式、體積及成本等。
五、電容器的巡視檢查
1、電容器投入運行前的檢查
1)上下端引線應(yīng)緊固無斷線。
2)瓷瓶應(yīng)清潔無損,無裂紋、無放電痕跡。
3)雷電動作記錄器應(yīng)完好,并指示零位。
4)接地應(yīng)完好。
5)繼電保護應(yīng)完好。
2、電容器正常運行中的檢查
1)有人值班的每班檢查一次,無人值班的每周檢查一次。
2)夏季在溫度最高時進行檢查,其他季節(jié)在系統(tǒng)電壓最高時進行檢查。
3)瓷套管應(yīng)清潔無損,無裂紋、無放電痕跡。
4)外殼無膨脹和滲漏油現(xiàn)象。
5)無異常聲響和火花放電。
6)接地裝置應(yīng)良好。
7)記錄有關(guān)電壓表、電流表、溫度表的讀數(shù),對檢查發(fā)現(xiàn)的缺陷進行記錄。
3、電容器停電檢查
1)定期停電檢查應(yīng)每季度進行一次。
2)檢查各接點螺絲應(yīng)無松動。
3)放電回路應(yīng)完好。
4)外殼的保護接地線應(yīng)完好。
5)繼電保護及熔斷器等保護裝置應(yīng)完整可靠。
6)檢查并清掃外殼、絕緣子和支架等處的灰塵。
4、電容器的特殊巡視檢查
在出現(xiàn)斷路器跳閘、熔體熔斷等情況后,應(yīng)立即進行特殊巡視檢查,要有針對性地查找原因,必要時對電容器進行試驗,在查出原因之前,不得再次合閘運行。注意檢查前除自動放電外,還應(yīng)進行人工充分放電,否則不得觸及電容器。
六、補償電容器的運行維護
1、補償電容器的運行標準
1)電壓
補償電容器在正常電壓下運行是發(fā)揮其無功補償作用的重要條件。電容器組允許在1.1倍額定電壓下長期運行。運行中,由于倒閘操作、電壓調(diào)整、負荷變化等因素可能會引起過電壓。根據(jù)過電壓的數(shù)值,電容器組允許相對較短時間的過電壓。
2)電流
電容器運行中過電流的原因:
(1) 電容值有正偏差;
(2)母線電壓高于電容器額定電壓;
(3)電網(wǎng)有諧波電壓;
(4)電網(wǎng)輕負荷運行引起高電壓;
(5)電網(wǎng)頻率高于額定頻率;
(6)發(fā)生故障或操作引起暫態(tài)過電壓。
電容器組允許在1.3倍額定電流下長期運行,在允許超過額定電流的30%中,10%是由允許的工頻過電壓所引起,20%是由高次諧波電壓所引起。
3)溫度
電容器沒有銅損,也沒有鐵損,僅有介質(zhì)損耗,因此電容器的發(fā)熱量由介質(zhì)損耗決定,即由電容量、頻率和電壓決定,更與其絕緣介質(zhì)的絕緣性能有直接關(guān)系。
補償電容器溫度過高時,會影響它的使用壽命,甚至引起介質(zhì)擊穿,造成電容器損壞。對環(huán)境溫度的要求,一般電容器-40℃~40℃,自愈式電容器為-45℃~50℃。
2、電容器的操作過電壓和諧波影響
1)防止切斷電容器組時引起操作過電壓
切斷電容器組時會出現(xiàn)電感、電容回路的振蕩,從而產(chǎn)生操作過電壓。如果此時斷路器發(fā)生電弧重燃,將會引起強烈的電磁振蕩,出現(xiàn)更高的過電壓。此過電壓的幅值,與被切電容器和母線側(cè)電容的大小及電弧重燃時觸頭間的電位差有關(guān)。
2)重視電容器組投入時浪涌電流的危害
電容器組與電源接通的瞬間,會出現(xiàn)電容器組的過電壓和過電流現(xiàn)象。若電容器組接入電網(wǎng)的合閘瞬間,電壓正巧為最大值時,便可產(chǎn)生浪涌電流(高頻、高幅值過渡電流),它會對開關(guān)滅弧室產(chǎn)生很大的機械應(yīng)力,危害電氣設(shè)備。
3)電網(wǎng)諧波對電容器運行的影響
運行中的電容器與電網(wǎng)中高次諧波發(fā)生諧振時,會產(chǎn)生很大的諧振電流。諧振電流會使電容器過負荷、過熱、振動,并發(fā)出異常聲音。
3、電容器組開關(guān)操作應(yīng)注意事項
1)變電所全所停電后,必須將電容器組的開關(guān)斷開;恢復(fù)送電時,應(yīng)將出線開關(guān)合上,帶一定的負荷后,再合電容器組的開關(guān)。
2)電容器的開關(guān)跳閘后,不允許強行試送,應(yīng)根據(jù)具體情況進行判斷,證明電容器確無故障后方可送電。
3)電容器組每次停電后重新合閘,必須斷開電容器開關(guān),放電3min后才能進行。
4、電容器組運行中的注意事項
1)環(huán)境溫度不得超過40℃,24小時內(nèi)的平均溫度不得超過30℃,超過時應(yīng)人工冷卻或退出運行。
2)避免電容器在最高電壓和最高溫度同時出現(xiàn)的情況下運行,以保障電容器使用壽命。
3)允許在不超過1.3倍的額定電流下工作,但應(yīng)設(shè)法消除線路中長期出現(xiàn)的過電壓和高次諧波。
4)注意清掃套管表面、電容器外殼、相關(guān)電器及鐵架上的積灰或其他臟污。一般每季度必須清掃一次。
5)工頻過電壓發(fā)生的次數(shù)不能太多,在電容器整個使用壽命中,高于1.15倍額定電壓的次數(shù),通常不應(yīng)超過200次。
6)在輕負荷下投入空載變壓器或并聯(lián)電抗器時,容易發(fā)生鐵磁諧振而產(chǎn)生過電流,為消除這種現(xiàn)象,在投入變壓器或并聯(lián)電抗器前,應(yīng)先切除電容器。
7)電容器線路上的所有接觸點,必須定期仔細檢查有無松動,以免造成電容器損壞,甚至整個補償設(shè)備發(fā)生故障。
8)至少每月應(yīng)對保護電容器的熔絲進行一次檢查,目的是檢查電容器的使用情況,確保電容器的正常運行。
9)發(fā)現(xiàn)電容器外殼漏油時,應(yīng)采用錫鉛焊料補焊,對嚴重漏油的要進行調(diào)換。
10)電容器室應(yīng)經(jīng)常巡視檢查,并及時做好運行記錄。
5、電容器運行故障的類型與規(guī)律
1)故障類型
(1)初期性故障
剛送電或送電不久便發(fā)生損壞,多數(shù)是電容器制造工藝不良或存在嚴重缺陷。
(2)偶發(fā)性故障
指電容器運行中,因通風(fēng)不良、外力破壞、操作過電壓或雷擊等原因造成的損壞。
(3)磨耗性故障
因絕緣老化、內(nèi)部游離等原因,造成電容器絕緣降低而引起損壞。
2)故障規(guī)律
(1)高壓電容器多于低壓電容器;
(2)炎熱的夏季多于其它季節(jié);
(3)安裝在戶外的多于安裝在室內(nèi)的;
(4)過負荷、過電壓運行多于正常運行或輕負荷、低電壓運行;
(5)頻繁操作多于偶爾操作。
6、電容器必須退出運行的情況
1)電容器組母線電壓超過電容器額定電壓1.1倍,或通過電容器組的電流超過額定電流1.3倍;
2)電容器周圍環(huán)境溫度超出允許范圍(一般為40~50℃)或電容器外殼最熱點溫度超出允許范圍(一般多60~80℃);
3)電容器外殼有明顯的異形膨脹或爆裂;
4)電容器噴油、起火或爆炸;
5)電容器接點嚴重過熱或熔化;
6)電容器瓷套管發(fā)生嚴重放電或閃絡(luò);
7)電容器內(nèi)部或放電裝置有嚴重的異常聲響。
7、電容器的異常運行與處理
1)外殼鼓肚
原因一般是電容器制造過程中,未除盡內(nèi)部氣體,以至運行中當(dāng)電壓升高時發(fā)生內(nèi)部放電,同時引起絕緣材料分解并產(chǎn)生氣體,使密封的電容器油箱內(nèi)部壓力增大而造成鼓肚。
電容器鼓肚說明內(nèi)部已有元件被擊穿。出現(xiàn)鼓肚的電容器,應(yīng)立即停止使用,否則可能引起電容器爆炸,若采用降低電壓的方法繼續(xù)使用,則內(nèi)部擊穿處仍然會不斷產(chǎn)生電弧,從而使體積更加膨脹而導(dǎo)致電容器爆炸。
2)內(nèi)部出現(xiàn)咕咕聲
原因是內(nèi)部絕緣介質(zhì)由于電離而產(chǎn)生間隙,局部發(fā)生放電,是絕緣崩潰的先兆,應(yīng)立即停止運行,并進行檢查修理。
3)溫升過高
原因是環(huán)境溫度高、通風(fēng)不良或電源電壓超過額定值,而引起過載發(fā)熱。
8、處理電容器故障前必須放電
電容器組停電后,雖然已經(jīng)經(jīng)過放電電阻自行放電,但兩極間仍會有部分殘余電荷,故處理前必須首先設(shè)法將電荷放盡,否則容易引發(fā)觸電事故。
1)首先拉開電容器組的斷路器及其上、下隔離開關(guān),采用熔斷器保護的,先取下熔絲管。
2)人工放電時,將接地線的接地端與接地網(wǎng)固定好,用接地棒多次對電容器進行放電,直至無火花和無放電聲為止,之后要將接地線固定好。
3)電容器有內(nèi)部斷線、熔絲熔斷或引線接觸不良時,其兩極間還可能會存有殘余電荷。應(yīng)帶好絕緣手套,用短接線短接故障電容器兩極,把電放盡。
4)采用串聯(lián)接線的電容器,還應(yīng)進行單獨放電。
七、電容器與電容量
1、電容
我們常說的“電容”有兩個含義:一個是指某類電子元器件“電容器”,一個是指電學(xué)物理量之一“電容量”。
值得注意的是雖然電容器和電容量都可以簡稱電容,也都可以用C表示,但電容器是儲存電荷的容器,而電容量則是衡量電容器在一定電壓作用下,儲存電荷能力大小的物理量,二者不可混淆。同時還應(yīng)認識到不只是電容器才具有電容,電力輸電線之間、輸電線與大地之間、晶體管各引腳之間以及元件與元件之間都存在著一定的電容,通常我們把這些電容稱為分布電容。盡管分布電容的容量較小,一般情況下可以忽略不計,但在某些要求比較嚴格的場合,就要考慮分布電容對電路及設(shè)備的影響。
2、電容量
1)如果把電容器的兩個極板分別接到直流電源兩端,這時兩極板間便有電壓U,同時在電場力的作用下驅(qū)使自由電子運動,使兩個極板分別帶上數(shù)量相等、性質(zhì)相反的電荷。與電源正極相連的極板帶正電荷,與電源負極相連的極板帶負電荷。
2)對某一電容器來說,其中任一極板所儲存的電量與兩極板間電壓的比值是一個常數(shù),因此,采用這一比值來表示電容器儲存電荷的本領(lǐng)。電容器任一極板上所儲存的電量Q與兩極板間的電壓U的比值叫做電容器的電容量。用字母C表示,C=Q/U。電容量表示在單位電壓作用下,電容器每極板所儲存的電量。如果兩極板間電壓為1V,每極板所儲存電量為1C,則其電容量為1F。要注意的是C=Q/U,C是導(dǎo)體自身的固有性質(zhì),C只與導(dǎo)體的幾何性質(zhì)(形狀、大?。┖椭車娊橘|(zhì)有關(guān),而與導(dǎo)體上是否帶電及所處的電勢無關(guān)。
3)平行板電容器的電容量與極板的面積成正比,與極板間的距離成反比,并與填充在極板間的電介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān),與外加電壓和電量無關(guān),并且當(dāng)介電系數(shù)不變時,平行板電容器的電容是一個常數(shù)。
C=εs/d,s為極板有效面積㎡;d為兩極板間距m;ε為電介質(zhì)介電系數(shù)。
常見電容器一般在幾十pF到幾千μF之間。
八、電容器與電抗器
1、電容器與電抗器的由來
因為電抗包括感抗和容抗,所以比較科學(xué)的歸類應(yīng)該是電抗器包括感抗器(電感器)和容抗器(電容器)。但由于過去先有了電感器,并且被稱為電抗器,所以現(xiàn)在人們所說的電容器就是容抗器,而電抗器專指電感器。不管準確與否,已經(jīng)成為一種習(xí)慣,有點先入為主的意思。
2、電容器與電抗器的區(qū)別
1)構(gòu)造不同
電抗器即電感器,電感器的結(jié)構(gòu)與變壓器的結(jié)構(gòu)相似,但只有一個激磁線圈;
電容器是兩個相互靠近的導(dǎo)體,中間夾一層不導(dǎo)電的絕緣介質(zhì)。
2)作用不同
串聯(lián)電抗器主要用來限制短路電流,維持母線電壓;
并聯(lián)電抗器用于超高壓遠距離輸電補償線路的電容電流,防止輕負荷線路端電壓升高,維持輸電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定;改善沿線電壓分布和輕載線路中的無功分布并降低線損,減少潛供電流,加速潛供電弧的熄滅,提高線路自動重合閘的成功率;
適當(dāng)選配電抗器與變頻器配套使用,可以有效地防止因操作進線開關(guān)而產(chǎn)生的過電壓和浪涌電流對它的沖擊,同時也可以減少變頻器產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)的污染,并可提高變頻器的功率因數(shù)。
電容器是容性負載,主要用于補償無功和儲能。
3)特性不同
電感有“阻交、通直”的作用,即在交流電路中用感抗的特性來“通低頻直流、阻高頻交流”。電容有“通交、隔直”的作用,即在交流電路中用容抗的頻率特性來“通高頻交流、阻低頻直流”。
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