基于恒流充电原理的电力电容器试验系统研究

张映雪

摘 要：电力电容器是电力系统中一个重要的器件，其在系统的运行过程中会出现绝缘介质老化的情况，造成电容器寿命降低甚至击穿损坏。设计了电力电容器试验系统，采用了恒流充电原理实现对电容量的测量，进行了相应的试验。由试验结果可知.该系统满足电力电容器的测试要求。

关键词：恒流充电；电力电容器；电容量测量

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

0 引言

电力电容器作为一种无功补偿装置，是电力系统中重要的电气设备。正常运行时，可以向电力系统提供无功功率，消除谐波，改善电能质量。由于环境及系统电压的作用，电力电容器在实际应用中常出现故障，威胁系统安全并影响电能质量。因此，确保电力电容器的安全运行具有重要意义。

造成电力电容器不正常运行的因素有很多，例如，环境和工作温度，电容器散热不良或温度过低时，介质都容易老化甚至击穿。例如，工作电压，长期过电压会使电容器绝缘加速老化甚至电击穿。又例如，工作电流和谐波，谐波电流容易使电容器击穿引起相间短路。[1]

1 电容测试存在的问题

为了保证电力电容器的安全有效运行，需要对设备运行状态进行评估，并对状态进行显示和记录，以便维护人员及时处理故障。《电力设备预防性试验规程》规定，在试验时要测量电力电容器的电容值并进行耐压试验。

电容量C是诊断介质老化、受潮等劣化情况重要参数，可以较灵敏地反映出设备的绝缘状况。目前电容测试存在一些问题。

一般，有三种方法来测量电容量，电流电压表法、万用表法、交流电桥法。但是，用电流电压表和万用表测电容，测量误差较大，而且，上述三种方法都是在低压的状态下进行，无法检测到存在软击穿故障的电容器（由于在低压状态故障点未发生击穿）。因此，需要对电容量的检测提出新的方法，实现对高压运行状态下电容器真实电容量的测量。

耐压试验是预防性试验的一项重要内容，但是，目前电力电容器的交流耐压试验和直流耐压试验也存在一些缺点。交流耐压试验的主要缺点是所需要的容量大。电容器功率损耗公式，ω是电网角频率，C是电容器的电容量，U是电容器的工作电压，可知电容器的功率损耗与电容器的运行电压的平方成正比，随着电容器的工作电压增高，电容器功率损耗迅速增加，温度迅速升高，导致绝缘寿命降低。另一个缺点是，由于必须供应待测物的离散电容所需的电流，仪器所需输出的电流会比采用直流测试时的电流大很多。

直流耐压试验的缺点是，直流电压下电力电容器元件上的电压按电阻分布，进行直流耐压试验时，电阻率高的良好的电容元件上承受的电压比不良电容元件高出几倍，反而容易使绝缘不良的电容元件通过试验，其绝缘缺陷在运行电压下会很快暴露出来，发展成为故障或导致事故。另一个缺点是，不能及时反映出软击穿故障，而且充电时间缓慢。

综上所述，传统的电容量试验系统存在两个缺陷：1）低电压下无法检测由软击穿故障引起的缺陷；2）整个交流试验系统存在体积大、所需电源容量大等缺陷，不便于现场试验。因此本文采用恒流充电的方式，实现对电力电容器的试验。电力电容器试验的相关国家标准：GB/T 11024.1—2010标称电压1000V以上交流电力系统用并联电容器的第1部分总则，它规定试验分为例行试验、型式试验、验收试验和特殊实验。本文研究的电容量测量属于例行试验[4-6]。

2 恒流充电系统的框架

上述提出传统的电容量试验系统存在缺陷，因此采用恒流充电原理对电容器进行试验，其系统框架设计如图1所示。恒流电源对待测电容进行充电，系统的控制单元进行控制，采样电路对电压进行定时采样，得到的数据送入单片机中，经程序处理在液晶显示屏上显示数据，当待测电容上的电压达到饱和时，充电系统存在一定的延时，用来进行耐压测试。最后闭合高压开关进行放电，放电结束后，打开开关利用公示计算电容量。待测电容上电压随时间的变化情况如图2所示[3]。

根据电流、电压和电容的关系：，

采用恒流进行充放电，若电容量C为恒电位，那么C将会是一个常数，即电压随时间是线性变化的关系，也就是说理想电器的恒流充放电曲线是一条直线。

恒流电源的输出不变，对测试电容进行充电，电容的电压随着时间而变大直到饱和。在这个期间测量时间t和电压U，得出、，由得出容值C。

因此，需要设计一个直流高压恒流电源，并采用恒流充电的方式实现对电力电容器的试验。