电容器损耗角

电力电容器的损耗 损耗角正切和等值电路电力电容器的损耗 损耗角正切和等值电路 电力电容器是一种实际电容器 不是理想电容器 在外施交流电压的作用下 除了会输出一定 容量的无功功率 Q 之外 在电容器的内部介质中 在电容器的极板 铝箔 中 引线等导体中 以 及在瓷瓶间的漏泄电流等都会产生一定的有功损耗功率 P 通常把电容器的有功功率 P 与无功功率 Q 的比值称做为该电容器的损耗角正切 并用下式表示 式中 tan 电容器的损耗角正切 P 电容器的有功功率 W Q 电容器的无功功率 var 正因为电力电容器不是理想电容器 所以通常要用一个等值电路来表示 1 串联等值电路 在此等值电路中 理想电容器 C 产生的无功功率为 式中 QC 电容器的无功功率 var XC 电容器 C 的容抗 IC 流过电容器的电流 A 而在此电路中由电阻 r 产生电容器的损耗功率为 式中 Pr 由 r 产生的等值损耗功率 Ir 流经等值电阻 r 的电流由式 1 2 3 可得 由式 6 可知 当 tan 值很小 例如全膜电容器 XC也很小时 例如大容量集合式电容器 其等值串联电阻也十分微小 通常只有 10 3 10 4 所以在测量大容量全膜介质电容器时 一定要尽一切可能降低测量回路中的接触电阻和导线电阻 以减小测量误差 2 并联等值电路 电力电容器除了可用图 1 所示的串联等值电路来表示外 也可用图 2 所示的并联等值电路来表 示 由图 2 可得 式中 UR 等值电路两端的电压 V UC 理想电容器两端的电压 V XC 电容器的容抗 从图 2 中可知 UR UC 所以 由式 9 可以看出 对于低损耗的全膜电容器其并联等值电阻是相当大的 当在电容器内部 并联放电电阻会降低其等值电阻 R 从而使电容器的实际损耗和损耗角正切增大 在实际工作中 如能根据具体情况灵活的使用电容器的串联等值电路和并联等值回路 可以给 我们的工作带来方便 薄膜电容电气参数定义及特性 等效电路 问独特性 绝缘电阻 1 等效电路及等效参数的特性 薄膜电容一般具有如下的等效电路模式 C 标称电容 L 等效串联电感 端脚 金属敷片 绕组等所寄生 ESR 等效串联电阻 端脚 金属敷片等所致 IR 等效并联电阻 决定其绝缘阻抗 电介材料特性 PR 电介质极化电阻 C 变化之容量 随温度 DC 电压 频率变化而变化 L R 和 C 之值随频率不同而不同 IR 指直流电压下的绝缘阻抗值 1 1 ESR 及损耗角特性 在一定频率条件下 等效电路可简化如右图 损耗角定义成阻抗值与容抗值之比 在远低于谐振频率的范围内 即忽略等效电感 Ls 实际电容器的电压和电流相位会因为 ESR 的存还而略微小于 90 度 损耗角一般以 1KHz 作为测试标准 对于容值小于 1uF 的 MKT MFP MKP 类电容还额外进行 10KHz 及 100KHz 频率处的损耗角测试 1 1 1 损耗角之频率 温度 湿度及电压 DC 特性 频率特性 薄膜类电容的损耗角在高频段一般会随着频率的上升而有不同程度的变大 如下是典型的薄膜电 容损耗角频率特性曲线图 温度特性 如下右图所示 聚丙烯类 P 类 电介质具有极稳定的温度特性 而聚酯类 N 和 T 类 却 有较大的温度影响性 并在 80degC 附近时具有最小的损耗角 测试频率 1KHz 不同电解材质的薄膜电容损耗角温度特征曲线 1KHz 湿度及电压 DC 特性 损耗角会随湿度的增大而有所增大 但正常工作范围内几乎看不到电压大小变化对损耗角的影响 1 1 2 ESR 的频率特征 薄膜类电容具有如下右图所示的示意特征曲线 a 在低频段 ESR 值随频率的增大呈近似 ESR 1 f 关系的下降趋势 b 在中频段 ESR 值具有较平稳的曲线 C 在高频段 ESR 值随频率的增大呈近似 ESR f1 2 关系的增大趋势 1 2 薄膜电容的绝缘电阻 薄膜电容的绝缘电阻 Rins 被定义为电容对 DC 电压的阻抗值 其测量值通常是以 DC 电压值 除以漏电流量而得 IEC 60384 1 对 20degC 温度下所施用的电压进行了如下规定 其它温度下需要乘以如下如下修正因子以得到等同于 20degC 参考温度点的量值 仲裁测试定于 20degC 及 50 2 湿度 从修正因子可知 同种规格薄膜电容漏电流在低温时会有增大趋势 对于大于 0 33uF 规格的电容 往往以自放电常数作为其绝缘参数 Rins CR unit s 例如 1M 1uF 1s 1 2 1 绝缘参数的温度特性 自放电常数 unit s 的温度特性曲线 薄膜电容器的自感 串联等效电感 Ls 薄膜电容器具有极低的自感值 其由流经金属箔片及连接脚端所感生的磁场造成 故主要由其绕 组构成 几何结构及连接脚端长度等决定 一般认为每毫米脚端感生最大 1nH 的自感 自感量还 可以从电容器的谐振频率计算而得 薄膜电容器的总阻抗 总阻抗表达式 阻抗的频率特性 如下图的阻抗的频率特性曲线表明了薄膜电容总阻抗具有显著的频率变化性 a 低频段 容抗占主要影响地位 故总阻抗会随着频率上升而减小 b 高频段 感抗占主要影响地位 故总阻抗会随着频率上升而增大 c 在中间一频率处 即谐振频率 感抗和容抗相互抵消 总阻抗只剩下量值极小的 ESR 较大容量的薄膜电容具有更低的谐振频率点 各额定容量薄膜电容的谐振频率关系如下 谐振频率与容量关系示意曲线 2 容量参数 2 1 额定电容及测试方法 额定电容即电容的设计值 往往标于电容本体 IEC60068 1 对电容的测量了如下定义 2 2 容量的温度特性 薄膜电容具有可逆的温度漂移特性 温漂系数 Temperature Coefficient C 定义如下 C1 在温度 T1 时测试得到的容量 C2 在温度 T2 时测试得到的容量 C1 在 20 2 degC 时测试得到的参考容量 决定薄膜电容温漂系数的主要因素有 电介质种类 构造类型及工艺参数 电介质 PP PET PEN 电容温漂系数 C 单位 10 6 K 250 600 200 聚丙烯电容 PP 具有负的温度系数 而聚乙烯 PET PEN 具有正的温度系数 相对电容变化量的温度系数曲线 在高低温多循环之后薄膜电容的容量会出现一个不可逆的温度漂移 即恢复到参考温度点时容量 却不再是原来参考温度时的容量表现 薄膜电容的这种不可逆温漂往往非常小 2 3 容量的湿度特性 薄膜电容具有可逆的湿度漂移特性 湿度漂移系数 C 定义如下 C1 在湿度 F1 时测试得到的容量 C2 在湿度 F2 时测试得到的容量 不同电介质具有如下典型的湿度漂移系数 电介质 PP PET PEN 电容湿度漂移系数 C 单位 10 6 r h 40 100 500 700 700 900 聚丙烯类电容 PP 具有极小的湿度影响系数 相对电容变化量的湿度曲线 2 4 容量的频率特性 往往以相对容量变化量与频率的关系作为特征曲线 相对容量变化频率特性 聚丙烯 PP MKP MFP 在较宽广的范围内具有极小的相对容量变化特性 聚乙烯对苯二酸盐 或酯 PET MKT MFT 具有相对较大的负频率相对容量变化 特性 聚乙烯 石脑油 PEN MKN 在高频范围时会有极大的正频率相对容量变化特性 损耗因数计量器具检定系统损耗因数计量器具检定系统 本国家计量检定系统经国家技术监督局于 1990 年 9 月 14 日批准 并自 1991 年 5 月 1 日起施行 起草单位 中国计量科学研究院 本检定系统技术条文由起草单位负责解释 本检定系统主要起草人 王晓超 中国计量科学研究院 阮永顺 中国计量科学研究院 本检定系统规定从国家计量基准器具传递损耗因数量值至工作基准器具 标准计量器具及工作 计量器具的传递程序 传递误差和基本的检定方法 还规定了损耗角单位 rad 国家基准器具的任 务 基本的计量学特性及其配套的主要测量装置 一 计量基准器具 1 国家基准 1 1 国家基准用于复现和保存损耗角单位 并且通过工作基准器具和标准计量器具向工作计量 器具传递损耗角单位或损耗因数量值 以保证全国损耗因数量值测量的准确 一致 1 2 国家基准复现的损耗角单位 或损耗因数量值 应作为全国测量电容性对象损耗因数的依 据 1 3 国家基准由下列计量器具组成 真空可变间隙电容器组 1 10pF 10 100pF 100 1000pF 各 1 只 环形交叉电容器 变压器电桥 1 4 在频率为 1kHz 或 1 592 kHz 由本基准复现的损耗角范围为 1 10 7 1 10 5rad 电 容值为 1pF 10pF 及 100pF 三个量值 1 5 国家基准复现单位的不确定度 标准偏差 为 5 10 7rad 对 1pF 0 75 10 7rad 对 10pF 及 0 5 10 7rad 对 100pF 1 6 为了保证以上述准确度复现损耗角单位值 必须遵守按规定程序批准的基准器操作 保管 及维护规则 1 7 国家基准用完全替代法向工作基准传递损耗角单位量值 2 比较基准和工作基准组 2 1 选取损耗角小于 3 rad 电容标称值为 10pF 的电容器作为比较基准 使用频率为 1kHz 或 1 592kHz 2 2 比较基准与国家基准比对的标准偏差不大于 0 1 rad 2 3 比较基准用于国际比对 2 4 工作基准组由下列固定电容器组成 采用损耗因数范围在 1 20 10 6 以内 电容值为 1 10 100 及 1000pF 的三端电容器各 4 只及 10000pF 三端电容器 3 只组成工作基准组 其中某一 量具可分别应用于 50 100Hz 1 10kHz 范围 2 5 工作基准与国家基准比较结果的不确定度 3 为 0 3 3 10 6 置信概率 0 99 2 6 工作基准用比较法检定 0 1 级损耗因数标准器 单值或多值的 和标准电容器的损耗因数 用直接测量法检定 0 1 级交流电桥 必要时应给出不同地 1kHz 的损耗因数修正值 二 计量标准器具 3 计量标准器具的准确度级别分类 按照损耗因数的准确度分类为 0 1 0 2 0 5 1 级四个准确度级别 准确度低于 1 级的为工 作计量器具 4 计量标准器具的基本误差 4 1 多值损耗因数标准器和交流电桥 按损耗因数的准确度级别 用公式 1 表示其允许基本 误差 1 式中 允许的损耗因数绝对误差极限 B 用百分数表示的损耗因数准确度级别指数 Dx 损耗因数示值或测量值 DN 定标值 除非制造厂另有规定 对某一给定的量程的定标值为该量程内最大的 10 的整数幂 用于规定计量标准器具的准确度 KD 系数 取 10 100 或由制造厂规定 但不得小于 10 4 2 不符合式 1 所示基本误差表达式的计量器具 则应逐盘 或分段 计算出各示值的误差 不能用统一的准确度级别指数表示 4 3 对于单值损耗因数标准器和标准电容器的损耗因数值的基本误差 用绝对误差表示 暂不 按准确度的级别分类 5 计量标准器具的量值范围 损耗因数计量标准器具复现的损耗因数量值范围为 D 1 10 5 1 根据需要和可能 制造厂可 扩大或缩小该量值范围 损耗因数标准器大部分均为电容器和电阻器组合而成一整体 所用电容元 件的电容值可在 1pF 100 F 范围内任选 1 个或几个标称值 电容值超出此范围时 暂由制造厂规 定 6 损耗因数计量标准器具使用频率范围 损耗因数计量标准器具规定在 1kHz 或 50Hz 下检定和校准 在其标称使用频率范围内使用并 加修正值 或修正公式 后 允许附加变差应不大于其允许的基本误差 否则应在各使用频率下进 行检定并给出各频率下 D 值 7 检定传递的不确定度规定 被测损耗因数 D 1 10 4 时 允许采用准确度高 1 级的计量标准器具 使测量不确定度为被测 器具允许基本误差的 0 5 倍 当被测损耗因数 D 1 10 4 时 须采用准确度级别高两级的计量标准 器具 使测量不确定度为被测器具允许基本误差的 0 33 倍 8 损耗因数计量标准器具实际值 证书值 的年变化应小于其允许误差极限 9 工频高压标准电容器的损耗因数 对于 1 104pF 的工频高压 1kV 标准电容器的损耗因数值 可采用实测其介质损耗因数电压 系数的方法 由低压标准电容器传递至高压标准电容器 9 1 工频高压电容器损耗因数的电压系数用直接测量法测定 其不确定度为 3 5 10 6 9 2 工频高压标准电容器损耗因数的允许绝对误差 1 10 10 5 9 3 工频高压标准电容器用比较法检定电力容器或绝缘材料的介质损耗因数 三 工作计量器具 10 损耗因数工作计量器具的准确度级别分为 2 5 和 10 三级 10 1 工作计量器具测量 或给定 损耗因数的范围为 1 10 4 10 电容范围为 1pF 1mF 对 1mF 电容值的容性元件暂不规定 由制造厂给出技术要求 10 2 工作计量器具的使用频率范围为 40Hz 100kHz 也可以只选取其中 1 2 个固定频率点 如 50 Hz 100 Hz 1 kHz 或 10 kHz 10 3 在遵守生产厂规定的使用 保存条件下 在一年内 或检定周期内 应符合准确度级别规 定的基本误差极限 四 损耗因数计量器具检定系统框图 11 损耗因数计量器具国家检定系统表分成计量基准器具 计量标准器具和工作计量器具三部 分 11 1 各符号的意义 标准偏差 年稳定度 绝对误差极限 置信度为 99 3 11 2 计量标准器具只示出 0 1 级与 0 5 级两级 而 0 2 级与 1 级未画出 原则上 0 2 级亦由工 作基准组传递 即应采用高两级的标准器具 0 2 级用于检定 1 级标准器具 电容器有陶瓷 电解 钽电解 聚脂膜 聚丙烯和纸介电容等 电容器的主要电参数特性 标称容量及允许偏差 电容器上的标值为标称容量 对于不同量级电容器的允许偏差均有相应的规 定 电容量的频率特性 随频率上升 普通电容量器的电容量呈下降趋势 容量的温度特性 对于有温度特性要求和温度稳定性较好的电容器 如云母 玻璃釉 聚苯乙烯 特种复合膜电容 瓷介 I 型等 通常用容量温度系数表示它的特性 但对于瓷介 II 型 纸介及纸介 金属化 涤纶 电解电容器等 通常用容量温度变化百分率表示 电容器的额定电压 指最低环境温度和额定环境温度之间的任一温度下 连续加在电容器上的最高 直流电压或交流电压的有效值 通常电容器的工作电压以直流为基础 如果施加的为脉动电压 应 远低于换算后标称直流电压 它将随交流分量频率的增高而递减 同时考虑到功率损耗的增加会直 接影响电容器的使用寿命 为此交流分量的允许值都选得比较低 要求交流分量与直流分量的和不 得超过标称额定电压 为了确保电容器质量 还规定电压考核参量 即电容器的击穿电压和试验电 压 作为产品出厂前的标准检测项目之一 电容器的漏电流 电容器的绝缘电阻 当直流电压加到电容器上并产生漏电流时 两者之比称为它的绝缘电阻 绝缘 电阻的大小主要取决于介质体积 漏导电阻和表面漏导电阻 电容器的时间常数 为了正确地评价大容量电容器的绝缘质量 利用和电容器几何尺寸与形态无关 的参量为绝缘电阻 电容器损耗角 又称损耗因数 电容器在电场作用下 所储存或传递的一部分电能转变成热能称为 损耗 它会使电容器发热 引起温度升高 由此可见 损耗愈大 则发热愈严重 所以说电容器损 耗技术指标是徇其品质优劣的重要标志 通常在直流电场作用下 电容器损耗是以漏导损耗形式存在的 因此较小 当在交流电场作用下 则影响因素较多 此时电容器损耗不仅与漏导有关 而且还与周期性的极化建立过程有关 一般电容器的损耗角正切 用有功损耗功率与无功损耗功率之比来表示 电容器的损耗功率 P U2 Ctg 不仅与损耗角有关 而且与外加电压和电容量以及频率有关 一旦 容量 频率和外加电压为定值后 则损耗角成为决定因素 电容器损耗