第十五章 电力电容器的试验状态诊断

1、 Page 2 第十五章第十五章 电力电容器的试验状态诊断电力电容器的试验状态诊断 第一节第一节 电力电容器的结构及其原理电力电容器的结构及其原理 电力电容器主要由三部分组成：电容器极板、介质材料和外壳。电容器极板是导 电良好的金属材料，电容器的外壳有金属外壳和绝缘外壳两种，绝缘外壳最常见的是 电瓷外壳。电力电容器极板之间的介质材料，同时起着储藏能量和绝缘的双重作用， 所以要求单位体积（或单位质量）所储藏的能量要大，并且要求损耗小、寿命长、工 艺性能好。常用的介质材料有三类：固体介质、液体介质、金属化纸和金属化薄膜。 电力电容器在电力系统中起功率补偿和过电压保护等作用，电力电容器按其用途 可分

2、为高压并联电容器、串联电容器、耦合电容器、脉冲电容器、直流电容器、断路 器均压并联电容器、滤波电容器、防护电容器和标准电容器等类型。另外，还有一些 以电力电波通信、高频保护、电气测量、抽取电能装置部件等。并联电容器和耦合电 容器直接接在高压输电线与地之间，长期承受工频电压，并且必须能承受高压线路上 发生的过电压作用。所谓密集型电容器，其实是通过很多电容元件串并联组合成的， 各元件一般都有熔丝保护，某一元容器为基础，发展而成的成套装置，如电容式电压 互感器、并联补偿装置、串联补偿装置、冲击电压和冲击电流发生装置。 Page 3 并联电容器又称移相电容器，是用途最广、生产量最大、最基本的一种电力电

3、容 器，它广泛用于提高电力设备或系统的功率因素；均压并联电容器主要用于断路器端 口的均压及增加断流容量；耦合电容器主要用于电力系统载件损坏并不会影响整个电 容器组的正常运行，如果把这些电容元件集合在一个油箱里，这种电容器称为密集型 电容器。容量小的10kV电容器往往采用这种，对于容量较大的，考虑到体积及运输， 各电容元件并不整合在一个油箱里。 全密封集合式并联电容器，主要用于工频50Hz或60Hz，额定电压6kV、10kV、及 35kV的交流电力系统中用来提高功率因数、改善电网质量、降低线路损耗，充分发挥 输变电设备效能。全密封集合式并联电容器主要由电容器单元组成的器身、波纹油箱、 绝缘冷却油

4、、出线套管、支持绝缘子、压力释放阀及温度控制器等部件构成。采用波 纹油箱增大散热面积、降低产品温升。内部绝缘冷却油与外部大气隔绝，避免油的老 化和潮气的侵入，油体积变化通过波纹箱壁的伸缩得到充分补偿。电容器单元采用内 熔丝保护，可以在毫秒级的时间内及时切除故障元件，使整台电容器能继续正常运行， 提高了产品运行的可靠性。由集合式并联电容器和高压真空或六氟化硫断路器、串联 电抗器、氧化锌避雷器及放电线圈等设备组成的高压并联电容器成套装置，具有装置 结构简单、体积小、容量大、占地省、安装使用方便的优点，产品为全户外式，从而 大幅度节省了基建费用，具有良好的经济和社会效益。 Page 4 其技术要求包

5、括以下方面： 1、产品使用的环境温度类别为-40/B。 2、周围不含腐蚀性气体或蒸汽，无导电尘埃，无剧烈机械震动。 3、电容器内部每个串联组、串联段间的电容之差不大于0.5%，三相单元中在任何两个线 路端子之间测得的最大电容与最小电容之比不超过1.02。 4、电容器的电容偏差不超过额定值的+5/-0%。 5、在额定电压下，温度20时电容器损耗角正切值，膜纸复合介质tg0.0008，全膜 介质tg0.0005。 6、电容器在额定电压、额定输出环境温度45时，外壳温升不大于15K。 7、电容器采用符合标准的绝缘冷却油，从油箱下部取出的油样耐压值不小于45kV， tg0.002。 8、其余符合IEC

6、60871-1:1999高电压并联电容器标准（当现行标准修订时，则执行颁 布的最新版本标准）。 Page 5 第二节第二节 电力电容器的绝缘试验电力电容器的绝缘试验 一、绝缘电阻测量试验 1、绝缘电阻试验 电力电容器绝缘电阻的测量，包括对两极板间绝缘电阻测量，两极对外壳的绝缘 电阻测量，低压端对地绝缘电阻测量和套管对地绝缘电阻测量。 测量两极对外壳的绝缘电阻目的是检查电力电容器元件是否整体受潮，电力电容 器套管是否有损坏、有裂纹等。现在试验标准不要求对电力电容器进行两极的直流电 压试验，因为直流电压加于多元件串联而成的电力电容器上时，每个元件上承受的电 压主要决定于各元件的直流电阻，当其中有元

7、件损耗（如击穿短路或严重受潮）时， 电压将主要分布在其余绝缘良好的电容元件上，这样如施加直流电压很高，就可能造 成绝缘良好的元件被击穿，最后导致整台电力电容器的击穿损坏。由于电力电容器极 间电容量较大，充电时间长，而兆欧表的容量相对较小，测量过程中兆欧表指针上升 很慢，如用手摇式兆欧表测量，其转速难以稳定，读数困难，所以不测量两极间的绝 缘电阻，只测量电力电容器两极对外壳的绝缘电阻，属一般性的检查试验，除在交接 和定期试验外，在进行交流耐压试验前后均需测试。测量电力电容器两极对外壳的绝 缘电阻时，应将两极短接，然后使用2500V兆欧表进行测量，绝缘良好的电力电容器在 室温下一般大于2000M。

8、当绝缘电阻值与过去测量结果比较有明显下降时，表明其内 部可能受潮或瓷套管有缺陷，应引起注意，加强监视。 Page 6 测量结果采用比较法进行分析、判断。绝缘电阻的判断标准是：耦合电容器极间 绝缘电阻一般不小于5000 M。小套管对地绝缘电阻不小于1000 M，并联电容器极 对壳绝缘电阻不小于2000 M。 二、介质损耗角正切测量 测量介质损耗角正切的目的是检查其他电容器绝缘介质的变化情况，据此可以判 断内部接线是否正确、绝缘是否受潮或存在某些局部缺陷等。测量电容值和通常可用 平衡电桥法（QS1、QS3西林电桥）或不平衡电桥法（M型介质试验器）进行测量，也可 以采用瓦特表法和电压电流表法等。对于

9、耦合电容器和断路器电容器必须要通过介质 损耗角正切测量。 规程和电气装置安装工程电气设备交接试验标准（GB50150-91）（以下 简称）交接标准中给出了介质损耗角正切值的规定值，但必须着重与该设备历年 的值相比较，并和处于同样运行条件下的同类设备相比较，突然明显增大，即使值未 超过标准，也应该引起注意，并查明原因。 Page 7 表15-1 两种电容器绝缘比较 在现场进行测量时，仪器会受到现场磁场干扰，严重时会产生较大的误差，甚至无 法测量。测量中可以通过转换检流计的极性开关，分别调节电桥达到平衡，然后求取两 次的平均值，消除磁场的干扰；消除电场的干扰可以采取提高试验电压、尽量采用正接 线法

10、接线、在被测试品上加屏蔽罩以及选取电源相位、改变电源相位等方法使所加电压 与干扰电压同相或反相来消除干扰。 Page 8 在测量时应注意下列因素的影响： （1）温度的影响。温度对测量影响较大，随着温度的升高而增高，且与绝缘结构和 绝缘状况有关，应尽量选择在相近的温度条件下测量。 （2）频率的影响。随着频率的增加将出现一个峰值，这是由于内部极化损耗引起的。 （3）电压的影响。在正常良好的绝缘情况下，一般不随电压变化（或略有变化）， 而当绝缘油明显缺陷时，随电压的变化则很明显，这时需要认真分析原因。 三、交流耐压试验 规程规定，在必要时对耦合电容器进行交流耐压试验，这主要是受试验设备 的限制，但为

11、保证耦合电容器安全运行，不少地方在交接时增加了交流耐压试验项目， 收到一定的效果。 进行两极对外壳的交流耐压试验，能比较有效地发现其油面下降、内部进入潮 气、瓷套管损坏以及机械损伤等缺陷。此项试验要求试验设备容量不大、现场容易实 现、方法简单，因此被试验标准列为交接时的比试项目。一般不作极间交流耐压，因 为可能使电容器中的绝缘弱点更加发展，使电力电容器在运行中加速劣化。 两极对外壳交流耐压试验标准见下表所列，交流耐压时间为1min。如出厂试验 电压与下表不同时，交接时耐压值应为出厂值的85%。 Page 9 15-2 电力电容器两极对外壳交流耐压试验标准 交接标准规定，只对并联电容器进行交流耐

12、压试验，试验目的主要是判断其绝缘 等电气强度，从而检查出外包油纸绝缘不良和由于油面下降引起的滑闪及内瓷套不清洁 等缺陷。 Page 10 第三节第三节 电力电容器的电容量测量电力电容器的电容量测量 试验标准规定，电力电容器在交接试验时需要测量电容值。另外铭牌不明的亦需 要进行电容值的测量，必要时还要对运行中的电力电容器测量电容值，以了解电力电 容器可能存在的缺陷等。测量电力电容器电容值，有条件时可用专用仪表，而现场实 用的方法有交流阻抗计算法和双电压表法两种。 一、电压电流表法 电压电流表法测量电力电容器电容量，也称交流阻抗计算法，其试验接线如图15- 1所示。但外加的交流电压为 ，流过呗试电

13、容器的电流为 时，则 （15-1） 故 （15-2） U I x UCI U I Cx Page 11 式中 试验时，实测电流表值，mA； 试验电源角频率， ； 试验时，实测的电压值，V。 图15-1接线方法 上述方法是建立在电力电容器的阻抗为纯电容，而容抗值与电容值和电源频率有 关，为保证试验正确，最好用实测电源频率计算。测量三相电力电容器时，仍可按上 述接线进行事宜，当需知各相电容值时，可通过相应的测量和计算获得。 I U f2 Page 12 新的电路电容器在制造过程中如工艺不良，可能会使电力电容器存在缺陷；运行 中的电力电容器在电压和温度作用下也会产生某些缺陷；此外，在进行破坏性试验时

14、， 施加的高电压也可能使电力电容器内部的元件损坏。因此，测量电容值与出厂铭牌数 据相比较，可以发现一些缺陷。电容值的增大，可能是由于电力电容器内部某些串并 联元件击穿所致；电容值的减小，可能是内部元件有断线、松脱所造成的，也可能是 电力电容器因外壳漏油造成严重缺陷使绝缘介质性质变化所引起。 电容器的电容量变化以百分率C（%）表示为 （15-3） 式中 被试电力电容器铭牌电容值、实测电容值。 测出的电容值可进行纵、横比较，如实测值与过去测量值、铭牌值比较，耐压前 后比较，三相之间的比较。 规程规定测得电容值不得超过出厂值的。 %100 1 12 C CC C 21 CC 、 Page 13 二、

15、双电压表法 双电压表的原理接线及相量图如图所示，根据相量关系可推导出计算公式 从而可以得到 或 式中， 为电压表 的内阻。 用以上方法测量时，很容易根据测量结果计算出单相电容器的电容量，但对于三 相电容器，则需要考虑不同接线方式的影响。下表分别给出了三角形或星型接线的三 相电容器电容（每相电容分别为 、 、 ）的测量方法和计算公式。 2 1 2 1 2 2 1 1 2 1 2 2 2 1 22 1 2 2 1 1 xxx C c CR U C R U U C I UUUU F U U R Cx 1 1 2 1 2 1 F U U R Cx 1 10 2 1 2 1 6 1 R 1 V 1 C

16、2 C 3 C Page 14 表15-4 三相三角形接线的电容器电容量的测量和计算公式 表15-5 三相星型接线电容器电容量的测量和计算公式 31 CCCA 32 CCCB 21 CCCC 2 1 BCA CCC C 2 2 ACB CCC C 2 3 CBA CCC C 2112 111 CCC 1331 111 CCC 3223 111 CCC 311223122331 233112 1 2 CCCCCC CCC C 231231122331 233112 2 2 CCCCCC CCC C 233123123112 233112 3 2 CCCCCC CCC C Page 15 第四节第

17、四节 电力电容器的故障诊断电力电容器的故障诊断 一、电力电容器渗油 渗漏油现象主要是由密封不严或不牢固造成的，电容器是全密封装置，如密封不 严，空气和水分以及杂质都可能进入油箱内部，造成绝缘受损，危害极大。因此，电 容器是不允许渗油的。在实际中，渗漏部位主要是在油箱焊缝和套管处，说明这些部 位焊接工艺不良，厂家对密封实验没有严格要求，不是逐台试漏。按一般标准，应加 热到 75 ， 并保持2 小时的试验，在进货时应严格要求厂家进行此项试验。实际中 套管渗油的部位主要是根部法兰、帽盖和螺栓等焊口。渗漏的原因，有加工工艺问题， 还有结构设计和人为的原因。螺栓和帽盖所采用的焊接，其机械强度差，螺丝紧力

18、稍 大就会脱焊；有的变电所用硬母线连接螺杆，使螺栓受力，温度变化时也受应力，很 容易将螺杆焊口拉开；另外搬运时直接提套管以及运输过程中的搬运不慎也会使焊缝 开裂。针对以上原因，分别对厂家和运行检修人员采取措施，加强管理，渗漏问题就 会得到解决，轻微的渗漏可以用锡和环氧树脂补。 Page 16 二、绝缘不良的分析及相应的处理 这类现象是在预防性试验中发现的，一般情况有以下两种情况： （1）电容值过高 在长期加热、电压的寿命试验中，电容值的变化是很小的。电容值的突然增高， 只能认为是部分电容元件击穿短路。因为电容器是由多段元件串联组成的，串联段数 减少，电容才会增高。如果部分元件发生断线，电容值将

19、会减少。 （2）另一部分绝缘不良的电容器是介质损失角过大所致长期运行的电容器介质损失 角会略有增加。但是，成倍的增长却是不正常现象。由于只有发生局部放电和局部过 热时，才会发生介质损失角过大的问题。因此，我们对这些产品只能进行更换。 电极对油箱的绝缘强度一般是比较高的，但由于工艺上产生的缺陷，例如：在焊 接过程中烧伤了元件与油箱间的绝缘纸板，引线没有包绝缘，油量不足，采用短尾套 管，从而造成绝缘距离不够，瓷套质量不良等，在试验过程中都可能发生放电和套管 炸裂的故障。所以，应该加强巡检，及时发现事故隐患，并进行相应的处理。 Page 17 三、电力电容器爆炸的原因及其处理 爆炸现象在近年来出现较

20、少，产生爆炸的根本原因是极间游离放电造成的电容器 极间击穿短路。电容器只要配装适当的保护熔丝，其安秒特性就小于油箱的爆裂特性。 当电容器发生短路击穿时，熔丝将首先切断电源，就能避免爆炸的产生，并且可以防 止着火和将邻近的电容器炸坏。星形接线的电容器组，由于故障电流受到限制也很少 发生爆炸现象。因此可以肯定，单台保护熔丝是很重要的装置，其安秒特性配置适当， 就完全可以防止油箱爆裂，所以采用星形接线也是很重要的防爆措施。纸膜和全膜电 容器极间短路击穿的性质是有差异的。全纸和纸膜复合介质的电容元件在局部放电后， 绝缘纸在高温下碳化。由于碳化纸的隔离，会使放电维持一段时间，这时会产生大量 气体。如果没

21、有熔丝的保护，油箱将会爆裂。全膜电容器则在放电后，薄膜受高温的 作用而熔化，使两个电极接触短联，而不发生电弧放电，也不会产生气体而引起爆炸。 所以，防爆应选用全膜电容器。 四、过电压及外力因素的破坏 由于开关重燃引起的操作过电压和系统谐振曾经损坏过一部分电容器，经过配套 设备完善化，这类故障已经很少发生。但是，因雷击而造成电容器套管闪络，或避雷 器距离电容器超过150m时，没有起到防雷作用，也会损坏电容器。还有，套管外绝缘 强度和清洁等问题，也应引起我们的重视。不过总的来说，过电压对电容器的威胁不 大。由于小动物窜入电容器设施，使套管短路引起爆炸的事故时常发生，所以安装适 当的保护遮拦是很有必

22、要的。 Page 18 五、运行温度问题 环境温度对电容器的运行温度影响很大。有试验表明，当温度升高10，电容器 的电容量下降速度将加快一倍。电容器长期处于高电场强度和高温下运行将引起绝缘 介质老化和介质损失角的增大，使电容器内部温升超过允许值而发热，缩短电容器 的使用寿命，严重时，在高电场强度作用下导致电容器热击穿而损坏。 为了防止电容器因运行温度过高导致绝缘寿命降低、电容量下降，运行中应随时 监视和控制其环境温度，尽可能采用强迫通风，改善电容器的散热条件。湖南省夏季 温度高，持续时间长，电容器室内温度经常在45左右，即使采取了通风措施，也无 济于事。为防止电容器因温度过高使内部油膨胀而造成

23、电容器的损坏。一般规定，当 周围环境温度超过+30时应开启通风装置；空气温度在+40时，电容器外壳温度不 得超过+55；空气温度超过+40时电容器应停止运行。 六、高次谐波引起过电流 电容器对高次谐波最敏感，它可能在某一频率下产生谐振，造成谐波电流过大。 谐波源负荷和电容器连接时，当电容器的容抗和系统的感抗在某一频率下正好大小相 等方向相反，而发生并联揩振时，谐波电流在系统和电容器之间流动， 使电容器过电 流。 要减少这种谐波过电流可采取以下方法:将电抗器与电容器串联，以错开谐振点。 串联电抗器的电抗值应大于电容器的容抗值，即XLnXcn。通常因5次谐波分量最大， 故电容器和电抗器的基本电抗为

24、XL、Xc 时，则5XL Xc/5， 所以 XL 1/25Xc。串联 电抗器的电抗值取电容器容量的4%，一般取6%，以留有余地。 Page 19 1、高次谐波对电容器的危害 近年来，随着大型电弧炉、整流设备、家用电器等非线性用电设备的广泛应用， 各种谐波源产生的高次谐波电流注入电网，从而引起电力系统的电压和电流波形的严 重畸变。这些畸变的电压和电流将对电容器造成更大的危害。流入电容器的谐波叠加 在电容器的基波上，如果电容器容抗与系统感抗相匹配构成谐振，此谐振对高次谐波 产生放大作用，致使电容器过电流和过电压，严重时可引起器内部的绝缘介质局部放 电，导致电容器鼓肚损坏，甚至使装置无法正常投入运行

25、。 2、限制高次谐波的措施 对于电网中影响到电容器安全运行的谐波源，应通过谐波测试及谐波测试及谐波 响应分析找出该谐波源， 根据谐波源产生的原因采取相应的措施。目前，最有效的办 法是在电容器的回路中装设适当参数的串联电抗器或阻尼式限流器来限制电网谐波。 在选择电抗器参数时，避免回路的容抗与系统感抗匹配产生谐振。在电力系统中， 三相电压波形是对称的，所以谐波中无偶次谐波分量，高次谐波主要是奇次分量。在 中性点绝缘系统中，3次谐波不能构成回路，因此，只要重点考虑5次谐波分量对电容 器的影响。考虑到感抗值应有一定的裕度，所以一般取可靠系数为1.21.5。串联电抗 值应按下式选择： Page 20 X

26、L =1.5Xc/n2=1.5Xc/52=0.06Xc 式中 XL串联电抗器感抗() ； Xc电容器容抗() ； n谐波次数。 目前，在110kV及以下变电站内，通常装设4.5%6%的串联电抗器或采用小电抗 值的阻尼式限流器方式，使得补偿电容器回路的谐波总阻抗呈现感性。此外，它还能 够限制电容器组的合闸涌流冲击，减小电容器回路开断时所产生的过电压。 七、开断电容器组引起操作过电压 1、操作过电压的形成 目前，用于操作10kV电容器组的断路器多采用真空断路器，但真空断路器在合闸 时触头存在弹跳现象，因而容易发生合闸过电压，过电压的峰值一般比较低，对电容 器影响不大。由于电容器操作频繁，特别是当开断电容器组时，有可能造成电容器重 燃或重击穿引起较高的过电压。重燃过电压一般指的是电弧熄灭后，在工频