電力電容器的損耗、損耗角正切和等值電路

1、電力電容器的損耗、損耗角正切和等值電路電力電容器是一種實際電容器、不是理想電容器，在外施交流電壓的作用下，除了會輸出一定容量的無功功率Q之外，在電容器的內(nèi)部介質(zhì)中、在電容器的極板（鋁箔）中、引線等導體中，以及在瓷瓶間的漏泄電流等都會產(chǎn)生一定的有功損耗功率P。通常把電容器的有功功率P與無功功率Q的比值稱做為該電容器的損耗角正切，并用下式表示： 式中：tan電容器的損耗角正切（）； P電容器的有功功率（W）； Q電容器的無功功率（var） 正因為電力電容器不是理想電容器，所以通常要用一個等值電路來表示。 （1）串聯(lián)等值電路在此等值電路中，理想電容器C產(chǎn)生的無功功率為： 式中：QC電容器的無功功率（

2、var）； XC電容器C的容抗（）； IC流過電容器的電流（A）而在此電路中由電阻r產(chǎn)生電容器的損耗功率為： 式中：Pr由r產(chǎn)生的等值損耗功率Ir流經(jīng)等值電阻r的電流由式（1）、（2）、（3）可得：由式（6）可知，當tan值很小（例如全膜電容器），XC也很小時（例如大容量集合式電容器），其等值串聯(lián)電阻也十分微?。ㄍǔＶ挥?03104）。所以在測量大容量全膜介質(zhì)電容器時，一定要盡一切可能降低測量回路中的接觸電阻和導線電阻，以減小測量誤差。 （2）并聯(lián)等值電路電力電容器除了可用圖1所示的串聯(lián)等值電路來表示外，也可用圖2所示的并聯(lián)等值電路來表示。由圖2可得：式中：UR等值電路兩端的電壓（V）； UC

3、理想電容器兩端的電壓（V）； XC電容器的容抗（） 從圖2中可知：URUC，所以由式（9）可以看出，對于低損耗的全膜電容器其并聯(lián)等值電阻是相當大的，當在電容器內(nèi)部并聯(lián)放電電阻會降低其等值電阻R，從而使電容器的實際損耗和損耗角正切增大。在實際工作中，如能根據(jù)具體情況靈活的使用電容器的串聯(lián)等值電路和并聯(lián)等值回路，可以給我們的工作帶來方便。薄膜電容電氣參數(shù)定義及特性（等效電路，問獨特性，絕緣電阻）1 等效電路及等效參數(shù)的特性 薄膜電容一般具有如下的等效電路模式： C: 標稱電容 L: 等效串聯(lián)電感 ( 端腳，金屬敷片，繞組等所寄生 ) ESR ：等效串聯(lián)電阻（端腳，金屬敷片等所致） IR: 等效并聯(lián)

4、電阻（決定其絕緣阻抗，電介材料特性） PR: 電介質(zhì)極化電阻 C: 變化之容量（隨溫度， DC 電壓，頻率變化而變化） L 、 R 和 C 之值隨頻率不同而不同； IR 指直流電壓下的絕緣阻抗值 1.1 ESR 及損耗角特性 在一定頻率條件下，等效電路可簡化如右圖。損耗角定義成阻抗值與容抗值之比。 在遠低于諧振頻率的范圍內(nèi)（即忽略等效電感 Ls ），實際電容器的電壓和電流相位會因為 ESR 的存還而略微小于 90 度。損耗角一般以 1KHz 作為測試標準。對于容值小于 1uF 的 MKT ， MFP ， MKP 類電容還額外進行 10KHz 及 100KHz 頻率處的損耗角測試。 1.1.1

5、損耗角之頻率、溫度、濕度及電壓（ DC ）特性 頻率特性： 薄膜類電容的損耗角在高頻段一般會隨著頻率的上升而有不同程度的變大。如下是典型的薄膜電容損耗角頻率特性曲線圖： 溫度特性： 如下右圖所示，聚丙烯類（ P 類）電介質(zhì)具有極穩(wěn)定的溫度特性；而聚酯類（ N 和 T 類）卻有較大的溫度影響性，并在 80degC 附近時具有最小的損耗角。（測試頻率 1KHz ） 不同電解材質(zhì)的薄膜電容損耗角溫度特征曲線（ 1KHz ） 濕度及電壓（ DC ）特性： 損耗角會隨濕度的增大而有所增大；但正常工作范圍內(nèi)幾乎看不到電壓大小變化對損耗角的影響。 1.1.2 ESR 的頻率特征 薄膜類電容具有如下右圖所示的

6、示意特征曲線： a) 在低頻段， ESR 值隨頻率的增大呈近似 ESR 1/f 關系的下降趨勢。 b) 在中頻段 ESR 值具有較平穩(wěn)的曲線。 C) 在高頻段 ESR 值隨頻率的增大呈近似 ESR f1/2 關系的增大趨勢 。 1.2 薄膜電容的絕緣電阻 薄膜電容的絕緣電阻 Rins 被定義為電容對 DC 電壓的阻抗值。其測量值通常是以 DC 電壓值除以漏電流量而得。 IEC 60384-1 對 20degC 溫度下所施用的電壓進行了如下規(guī)定， 其它溫度下需要乘以如下如下修正因子以得到等同于 20degC 參考溫度點的量值： 仲裁測試定于 20degC 及 50 （ /-2 ）濕度。 從修正因

7、子可知，同種規(guī)格薄膜電容漏電流在低溫時會有增大趨勢。 對于大于 0.33uF 規(guī)格的電容，往往以自放電常數(shù)作為其絕緣參數(shù)： Rins CR （ unit:s ） ( 例如： 1M 1uF=1s) 1.2.1 絕緣參數(shù)的溫度特性 自放電常數(shù)（unit:s）的溫度特性曲線薄膜電容器的自感（串聯(lián)等效電感） Ls 薄膜電容器具有極低的自感值，其由流經(jīng)金屬箔片及連接腳端所感生的磁場造成。故主要由其繞組構成、幾何結構及連接腳端長度等決定。一般認為每毫米腳端感生最大 1nH 的自感。自感量還可以從電容器的諧振頻率計算而得。 薄膜電容器的總阻抗 總阻抗表達式：阻抗的頻率特性： 如下圖的阻抗的頻率特性曲線表明了

8、薄膜電容總阻抗具有顯著的頻率變化性。a) 低頻段，容抗占主要影響地位，故總阻抗會隨著頻率上升而減小. b) 高頻段，感抗占主要影響地位，故總阻抗會隨著頻率上升而增大。 c) 在中間一頻率處（即諧振頻率），感抗和容抗相互抵消，總阻抗只剩下量值極小的 ESR 。 較大容量的薄膜電容具有更低的諧振頻率點，各額定容量薄膜電容的諧振頻率關系如下： 諧振頻率與容量關系示意曲線2 容量參數(shù) 2.1 額定電容及測試方法 額定電容即電容的設計值，往往標于電容本體。 IEC60068 1 對電容的測量了如下定義 : 2.2 容量的溫度特性 薄膜電容具有可逆的溫度漂移特性。溫漂系數(shù)（ Temperature Coe

9、fficient ） C 定義如下： C1 ：在溫度 T1 時測試得到的容量 C2 ：在溫度 T2 時測試得到的容量 C1 ：在 20( /-2)degC 時測試得到的參考容量 決定薄膜電容溫漂系數(shù)的主要因素有：電介質(zhì)種類，構造類型及工藝參數(shù)。 電介質(zhì) PP PET PEN 電容溫漂系數(shù)C(單位：106/K) 250 600 200 聚丙烯電容（PP）具有負的溫度系數(shù)，而聚乙烯（PET，PEN）具有正的溫度系數(shù) 相對電容變化量的溫度系數(shù)曲線 在高低溫多循環(huán)之后薄膜電容的容量會出現(xiàn)一個不可逆的溫度漂移（即恢復到參考溫度點時容量卻不再是原來參考溫度時的容量表現(xiàn)）。薄膜電容的這種不可逆溫漂往往非常小

10、。 2.3 容量的濕度特性 薄膜電容具有可逆的濕度漂移特性。濕度漂移系數(shù) C 定義如下： C1 ：在濕度 F1 時測試得到的容量 C2 ：在濕度 F2 時測試得到的容量 不同電介質(zhì)具有如下典型的濕度漂移系數(shù) 電介質(zhì) PP PET PEN 電容濕度漂移系數(shù) C ( 單位： 10 6 /%r.h) 40100 500700 700900 聚丙烯類電容（ PP ）具有極小的濕度影響系數(shù) 相對電容變化量的濕度曲線2.4 容量的頻率特性 往往以相對容量變化量與頻率的關系作為特征曲線 相對容量變化頻率特性 聚丙烯（ PP ： MKP ， MFP ）在較寬廣的范圍內(nèi)具有極小的相對容量變化特性。 聚乙烯對苯二

11、酸鹽 ( 或酯 ) （ PET ： MKT ， MFT ）具有相對較大的負頻率相對容量變化特性。 聚乙烯 石腦油（ PEN ： MKN ）在高頻范圍時會有極大的正頻率相對容量變化特性 損耗因數(shù)計量器具檢定系統(tǒng)本國家計量檢定系統(tǒng)經(jīng)國家技術監(jiān)督局于1990年9月14日批準，并自1991年5月1日起施行。起草單位：中國計量科學研究院本檢定系統(tǒng)技術條文由起草單位負責解釋。本檢定系統(tǒng)主要起草人：王曉超（中國計量科學研究院）阮永順（中國計量科學研究院）本檢定系統(tǒng)規(guī)定從國家計量基準器具傳遞損耗因數(shù)量值至工作基準器具、標準計量器具及工作計量器具的傳遞程序、傳遞誤差和基本的檢定方法，還規(guī)定了損耗角單位（rad）

12、國家基準器具的任務，基本的計量學特性及其配套的主要測量裝置。一、計量基準器具1、國家基準1.1國家基準用于復現(xiàn)和保存損耗角單位，并且通過工作基準器具和標準計量器具向工作計量器具傳遞損耗角單位或損耗因數(shù)量值，以保證全國損耗因數(shù)量值測量的準確、一致。1.2國家基準復現(xiàn)的損耗角單位（或損耗因數(shù)量值）應作為全國測量電容性對象損耗因數(shù)的依據(jù)。1.3國家基準由下列計量器具組成：真空可變間隙電容器組（1-10pF，10-100pF，100-1000pF各1只）；環(huán)形交叉電容器；變壓器電橋。1.4在頻率為1kHz（或1.592 kHz），由本基準復現(xiàn)的損耗角范圍為110-7110-5rad，電容值為1pF，1

13、0pF及100pF三個量值。1.5國家基準復現(xiàn)單位的不確定度（標準偏差）為510-7rad（對1pF），0.7510-7rad（對10pF）及0.510-7rad（對100pF）。1.6為了保證以上述準確度復現(xiàn)損耗角單位值，必須遵守按規(guī)定程序批準的基準器操作、保管及維護規(guī)則。1.7國家基準用完全替代法向工作基準傳遞損耗角單位量值。2、比較基準和工作基準組2.1選取損耗角小于3rad，電容標稱值為10pF的電容器作為比較基準，使用頻率為1kHz（或1.592kHz）。2.2比較基準與國家基準比對的標準偏差不大于0.1rad。2.3比較基準用于國際比對2.4工作基準組由下列固定電容器組成：采用損耗

14、因數(shù)范圍在（1-20）10-6以內(nèi)，電容值為1，10，100及1000pF的三端電容器各4只及10000pF三端電容器3只組成工作基準組，其中某一量具可分別應用于50-100Hz，1-10kHz范圍。2.5工作基準與國家基準比較結果的不確定度（3）為（0.3-3）10-6（置信概率0.99）。2.6工作基準用比較法檢定0.1級損耗因數(shù)標準器（單值或多值的）和標準電容器的損耗因數(shù)；用直接測量法檢定0.1級交流電橋（必要時應給出不同地1kHz的損耗因數(shù)修正值）。二、計量標準器具3、計量標準器具的準確度級別分類按照損耗因數(shù)的準確度分類為：0.1，0.2，0.5，1級四個準確度級別。準確度低于1級的為

15、工作計量器具。4、計量標準器具的基本誤差4.1多值損耗因數(shù)標準器和交流電橋，按損耗因數(shù)的準確度級別，用公式（1）表示其允許基本誤差： （1）式中：-允許的損耗因數(shù)絕對誤差極限；B-用百分數(shù)表示的損耗因數(shù)準確度級別指數(shù)；Dx-損耗因數(shù)示值或測量值；DN-定標值，除非制造廠另有規(guī)定，對某一給定的量程的定標值為該量程內(nèi)最大的10的整數(shù)冪，用于規(guī)定計量標準器具的準確度；KD-系數(shù)，取10-100，或由制造廠規(guī)定，但不得小于10。4.2不符合式（1）所示基本誤差表達式的計量器具，則應逐盤（或分段）計算出各示值的誤差，不能用統(tǒng)一的準確度級別指數(shù)表示。4.3對于單值損耗因數(shù)標準器和標準電容器的損耗因數(shù)值的基

16、本誤差，用絕對誤差表示，暫不按準確度的級別分類。5、計量標準器具的量值范圍損耗因數(shù)計量標準器具復現(xiàn)的損耗因數(shù)量值范圍為D=110-51，根據(jù)需要和可能，制造廠可擴大或縮小該量值范圍。損耗因數(shù)標準器大部分均為電容器和電阻器組合而成一整體，所用電容元件的電容值可在1pF-100F范圍內(nèi)任選 1個或幾個標稱值。電容值超出此范圍時，暫由制造廠規(guī)定。6、損耗因數(shù)計量標準器具使用頻率范圍損耗因數(shù)計量標準器具規(guī)定在1kHz或50Hz下檢定和校準。在其標稱使用頻率范圍內(nèi)使用并加修正值（或修正公式）后，允許附加變差應不大于其允許的基本誤差。否則應在各使用頻率下進行檢定并給出各頻率下D值。7、檢定傳遞的不確定度規(guī)

17、定被測損耗因數(shù)D110-4時，允許采用準確度高1級的計量標準器具，使測量不確定度為被測器具允許基本誤差的0.5倍。當被測損耗因數(shù)D110-4時，須采用準確度級別高兩級的計量標準器具，使測量不確定度為被測器具允許基本誤差的0.33倍。8、損耗因數(shù)計量標準器具實際值（證書值）的年變化應小于其允許誤差極限。 9、工頻高壓標準電容器的損耗因數(shù)對于1-104pF的工頻高壓（1kV）標準電容器的損耗因數(shù)值，可采用實測其介質(zhì)損耗因數(shù)電壓系數(shù)的方法，由低壓標準電容器傳遞至高壓標準電容器。9.1工頻高壓電容器損耗因數(shù)的電壓系數(shù)用直接測量法測定，其不確定度為（3-5）10-6。9.2工頻高壓標準電容器損耗因數(shù)的允

18、許絕對誤差=（1-10）10-5。9.3工頻高壓標準電容器用比較法檢定電力容器或絕緣材料的介質(zhì)損耗因數(shù)。三、工作計量器具10、損耗因數(shù)工作計量器具的準確度級別分為2，5和10三級。10.1工作計量器具測量（或給定）損耗因數(shù)的范圍為110-410，電容范圍為1pF-1mF，對1mF電容值的容性元件暫不規(guī)定，由制造廠給出技術要求。10.2工作計量器具的使用頻率范圍為40Hz-100kHz，也可以只選取其中1-2個固定頻率點，如50 Hz，100 Hz，1 kHz或10 kHz。10.3在遵守生產(chǎn)廠規(guī)定的使用、保存條件下，在一年內(nèi)（或檢定周期內(nèi)）應符合準確度級別規(guī)定的基本誤差極限。四、損耗因數(shù)計量器

19、具檢定系統(tǒng)框圖11、損耗因數(shù)計量器具國家檢定系統(tǒng)表分成計量基準器具、計量標準器具和工作計量器具三部分。11.1各符號的意義：-標準偏差；-年穩(wěn)定度；-絕對誤差極限，置信度為99%（3）。11.2計量標準器具只示出0.1級與0.5級兩級，而0.2級與1級未畫出，原則上0.2級亦由工作基準組傳遞，即應采用高兩級的標準器具。0.2級用于檢定1級標準器具。電容器有陶瓷、電解、鉭電解、聚脂膜、聚丙烯和紙介電容等。電容器的主要電參數(shù)特性：標稱容量及允許偏差。電容器上的標值為標稱容量。對于不同量級電容器的允許偏差均有相應的規(guī)定。電容量的頻率特性：隨頻率上升，普通電容量器的電容量呈下降趨勢。容量的溫度特性：對

20、于有溫度特性要求和溫度穩(wěn)定性較好的電容器，如云母、玻璃釉、聚苯乙烯、特種復合膜電容、瓷介I型等，通常用容量溫度系數(shù)表示它的特性。但對于瓷介II型、紙介及紙介金屬化、滌綸、電解電容器等，通常用容量溫度變化百分率表示。電容器的額定電壓。指最低環(huán)境溫度和額定環(huán)境溫度之間的任一溫度下，連續(xù)加在電容器上的最高直流電壓或交流電壓的有效值。通常電容器的工作電壓以直流為基礎，如果施加的為脈動電壓，應遠低于換算后標稱直流電壓，它將隨交流分量頻率的增高而遞減。同時考慮到功率損耗的增加會直接影響電容器的使用壽命，為此交流分量的允許值都選得比較低，要求交流分量與直流分量的和不得超過標稱額定電壓。為了確保電容器質(zhì)量，還

21、規(guī)定電壓考核參量：即電容器的擊穿電壓和試驗電壓，作為產(chǎn)品出廠前的標準檢測項目之一。電容器的漏電流電容器的絕緣電阻：當直流電壓加到電容器上并產(chǎn)生漏電流時，兩者之比稱為它的絕緣電阻。絕緣電阻的大小主要取決于介質(zhì)體積、漏導電阻和表面漏導電阻。電容器的時間常數(shù)；為了正確地評價大容量電容器的絕緣質(zhì)量，利用和電容器幾何尺寸與形態(tài)無關的參量為絕緣電阻。電容器損耗角，又稱損耗因數(shù)。電容器在電場作用下，所儲存或傳遞的一部分電能轉變成熱能稱為損耗，它會使電容器發(fā)熱，引起溫度升高。由此可見，損耗愈大，則發(fā)熱愈嚴重，所以說電容器損耗技術指標是徇其品質(zhì)優(yōu)劣的重要標志。通常在直流電場作用下，電容器損耗是以漏導損耗形式存在的，因此較小。當在交流電場作用下，則影響因素較多，此時電容器損耗不僅與漏導有關，而且還與周期性的極化建立過程有關。一般電容器的損耗角正切，用有功損耗功率與無功損耗功率之比來表示。電容器的損耗功率P=U2Ctg不僅與損耗角有關，而且與外加電壓和電容量以及頻率有關。一旦容量、頻率和外加電壓為定值后，則損耗角成為決定因素。電容器損