基于恒流充電原理的電力電容器試驗系統研究

張映雪

摘 要：電力電容器是電力系統中一個重要的器件，其在系統的運行過程中會出現絕緣介質老化的情況，造成電容器壽命降低甚至擊穿損壞。設計了電力電容器試驗系統，采用了恒流充電原理實現對電容量的測量，進行了相應的試驗。由試驗結果可知.該系統滿足電力電容器的測試要求。

關鍵詞：恒流充電；電力電容器；電容量測量

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.07.178

0 引言

電力電容器作為一種無功補償裝置，是電力系統中重要的電氣設備。正常運行時，可以向電力系統提供無功功率，消除諧波，改善電能質量。由于環境及系統電壓的作用，電力電容器在實際應用中常出現故障，威脅系統安全并影響電能質量。因此，確保電力電容器的安全運行具有重要意義。

造成電力電容器不正常運行的因素有很多，例如，環境和工作溫度，電容器散熱不良或溫度過低時，介質都容易老化甚至擊穿。例如，工作電壓，長期過電壓會使電容器絕緣加速老化甚至電擊穿。又例如，工作電流和諧波，諧波電流容易使電容器擊穿引起相間短路。[1]

1 電容測試存在的問題

為了保證電力電容器的安全有效運行，需要對設備運行狀態進行評估，并對狀態進行顯示和記錄，以便維護人員及時處理故障。《電力設備預防性試驗規程》規定，在試驗時要測量電力電容器的電容值并進行耐壓試驗。

電容量C是診斷介質老化、受潮等劣化情況重要參數，可以較靈敏地反映出設備的絕緣狀況。目前電容測試存在一些問題。

一般，有三種方法來測量電容量，電流電壓表法、萬用表法、交流電橋法。但是，用電流電壓表和萬用表測電容，測量誤差較大，而且，上述三種方法都是在低壓的狀態下進行，無法檢測到存在軟擊穿故障的電容器（由于在低壓狀態故障點未發生擊穿）。因此，需要對電容量的檢測提出新的方法，實現對高壓運行狀態下電容器真實電容量的測量。

耐壓試驗是預防性試驗的一項重要內容，但是，目前電力電容器的交流耐壓試驗和直流耐壓試驗也存在一些缺點。交流耐壓試驗的主要缺點是所需要的容量大。電容器功率損耗公式，ω是電網角頻率，C是電容器的電容量，U是電容器的工作電壓，可知電容器的功率損耗與電容器的運行電壓的平方成正比，隨著電容器的工作電壓增高，電容器功率損耗迅速增加，溫度迅速升高，導致絕緣壽命降低。另一個缺點是，由于必須供應待測物的離散電容所需的電流，儀器所需輸出的電流會比采用直流測試時的電流大很多。

直流耐壓試驗的缺點是，直流電壓下電力電容器元件上的電壓按電阻分布，進行直流耐壓試驗時，電阻率高的良好的電容元件上承受的電壓比不良電容元件高出幾倍，反而容易使絕緣不良的電容元件通過試驗，其絕緣缺陷在運行電壓下會很快暴露出來，發展成為故障或導致事故。另一個缺點是，不能及時反映出軟擊穿故障，而且充電時間緩慢。

綜上所述，傳統的電容量試驗系統存在兩個缺陷：1）低電壓下無法檢測由軟擊穿故障引起的缺陷；2）整個交流試驗系統存在體積大、所需電源容量大等缺陷，不便于現場試驗。因此本文采用恒流充電的方式，實現對電力電容器的試驗。電力電容器試驗的相關國家標準：GB/T 11024.1—2010標稱電壓1000V以上交流電力系統用并聯電容器的第1部分總則，它規定試驗分為例行試驗、型式試驗、驗收試驗和特殊實驗。本文研究的電容量測量屬于例行試驗[4-6]。

2 恒流充電系統的框架

上述提出傳統的電容量試驗系統存在缺陷，因此采用恒流充電原理對電容器進行試驗，其系統框架設計如圖1所示。恒流電源對待測電容進行充電，系統的控制單元進行控制，采樣電路對電壓進行定時采樣，得到的數據送入單片機中，經程序處理在液晶顯示屏上顯示數據，當待測電容上的電壓達到飽和時，充電系統存在一定的延時，用來進行耐壓測試。最后閉合高壓開關進行放電，放電結束后，打開開關利用公示計算電容量。待測電容上電壓隨時間的變化情況如圖2所示[3]。

根據電流、電壓和電容的關系：，

采用恒流進行充放電，若電容量C為恒電位，那么C將會是一個常數，即電壓隨時間是線性變化的關系，也就是說理想電器的恒流充放電曲線是一條直線。

恒流電源的輸出不變，對測試電容進行充電，電容的電壓隨著時間而變大直到飽和。在這個期間測量時間t和電壓U，得出、，由得出容值C。

因此，需要設計一個直流高壓恒流電源，并采用恒流充電的方式實現對電力電容器的試驗。