电容器分类及用途
一、电容器及其用途
1、电容器的概念
导体上可以保留一定量的电荷，即导体具有储存电荷的能力。但单独的导体储存电荷的本领较小，为了提高导体储存电荷的本领，把导体做成一定的结构。被绝缘物隔开的两个导体的组合叫做电容器。组成电容器的两个导体叫做极板，中间的绝缘物质叫做电容器的介质。
2、电容器的用途
电容器是电工和电子技术中常用的元件之一。在电力系统中，利用它可以改善系统的功率因数；在电子技术中，利用它可以起到滤波、耦合、隔直、调谐、旁路、选频等作用。在机械加工工艺中，利用电容器还可以进行电火花加工。
二、电容器的分类
1、按结构分类
1）固定电容
其容量固定不可调节。
2）可变电容
其容量可在一定范围内调节。常用的空气可变电容器由两组铝片组成，不动的一组叫定片，可以转动的一组叫动片。通过旋转动片，改变动片与定片的相对面积，从而改变电容量大小。
3）微调电容
常见的陶瓷微调电容器是由两片小型金属弹片中间加有介质构成，其容量变化范围不大，常用于调谐回路中微调频率。
2、按介质材料分类
1）云母电容器
云母电容器耐高压、高温，性能稳定，体积小，漏电小，损耗小，但电容量小。
2）陶瓷电容器
陶瓷电容器耐高温，体积小，性能稳定，漏电小，电容量小。
3）金属膜电容器
金属膜电容器体积小，电容量较大，击穿后有自愈能力。
4）铝电解电容器
铝电解电容器电容量大，有极性，漏电大，损耗大。
3、按有无极性分类
1）有极性电容
一般电解电容器有正负极之分，使用时正极接高电位，负极接低电位，不能接错。有极性电容不能用于交流电路，否则容易被击穿损坏。
2）无极性电容
没有极性之分，可以用于交流电路。
三、电容器的串联与并联
成品电容器都有一定的规格。在实际使用时，常常会遇到电容量或额定工作电压不符合电路要求，这时可将若干只电容器作适当联接，以满足电路的需要。
1、电容器的串联
若干个电容器依次相连，中间无分支的联接方式叫电容器的串联。电容器串联相当于把它的两个极板的距离加大，因而具有以下特点。
1）如下图所示，电容器C1与C2串联后接到电压为U的直流电源上，使与电源直接相接的两极板充有等量异性电荷，其余两极板在静电感应下也同样带上异性等量电荷。
因此，各电容器所带电量相等，并等于串联后等效电容器上所带的电量，即:
Q=Q1=Q2=……=Qn
2）由基尔霍夫第二定律可知，总电压U等于每个电容器两端电压之和。即:
U=U1+U2+……+Un
3）因为U=Q/C U1=Q1/C1=Q/C1 U2=Q2/C2=Q/C2
代入U=U1+U2得:Q/C=Q/C1+Q/C2
消去Q得:1/C=1/C1+1/C2
若有n个电容器串联
则:1/C=1/C1+1/C2+……+1/Cn
上式说明，串联电容器的等效电容量的倒数等于各串联电容的倒数之和。这个关系相似于电阻并联时的情况，若串联的n个电容器的容量相同，且都为C,则等效电容为：C串=C/n
为了计算方便，两个电容器串联时的等效电容常用下式计算:
C=C1C2/(C1+C2)
串联电容器的等效电容量比其中电容量最小的还小。同时各个电容器上分配的电压与其电容量成反比，因为U1=Q/C1，且每个电容器上的电量相等。故电容量大的分配的电压低，电容量小的电容器分配的电压高。在具体使用中，必须慎重地考虑各个电容器的耐压情况，否则会因为疏忽，使电容器分配的电压超过额定电压而被击穿。
当只有两只电容器串联时，计算每只电容器上分配的电压可用下面简单公式:
U1=C2/(C1+C2) U2=C1/(C1+C2)
式中U为电源电压，U1与U2分别为串联电容器上分配的电压。
2、电容器的并联
若干个电容器接在相同的两点之间的联接方式叫电容器的并联。下图为两只电容器的并联。
当单只电容器的耐压能满足，而电容量不能满足时，可以把几只电容器并联起来使用。并联时有如下特点：
1）由于两个电容器所受电压都等于电源电压U，因此它们极板上充有电荷为：
Q1=C1U，Q2=C2U，从电源得到的总电荷量Q应为:
Q=Q1+Q2
2）电容器并联后等效电容量C等于各个电容器的容量之和，即:
C=Q/U=(Q1+Q2)/U
=(C1U+C2U)/U
=(C1+C2)U/U=C1+C2
这一关系与电阻串联的情况相似，若并联的n个电容器的容量相同，且都为C,则等效电容为：C并=nC。
3）每个电容器两端的电压相同，并等于外加电源电压，即:
U=U1=U2=……=Un
从以上分析可知,电容器并联时总电容量增大了,并联电容器的数目越多，其等效电容越大。应当注意，并联时各个电容器直接与外加电压相接，因此每只电容器的耐压都必须大于外加电压值。
四、电容器的选用
在选用电容器时，不仅要满足性能要求，还应考虑其体积、重量及价格等因素，不仅要考虑电路的要求，还应考虑电容器所处的工作环境。
1、首先应满足电性能要求，主要考虑电容量和耐压值。
2、选用电容器时要考虑电路要求和工作环境，如用在谐振回路中，可选用云母、陶瓷电容等；用于滤波时，可选用电解电容器；用来改善功率因数时，可选用油质电容器等。总之，要视不同使用场合，不同电路要求，选用不同种类的电容器。
3、选用电容器时还应考虑电容器的装配形式、体积及成本等。
五、电容器的巡视检查
1、电容器投入运行前的检查
1）上下端引线应紧固无断线。
2）瓷瓶应清洁无损，无裂纹、无放电痕迹。
3）雷电动作记录器应完好，并指示零位。
4）接地应完好。
5）继电保护应完好。
2、电容器正常运行中的检查
1）有人值班的每班检查一次，无人值班的每周检查一次。
2）夏季在温度最高时进行检查，其他季节在系统电压最高时进行检查。
3）瓷套管应清洁无损，无裂纹、无放电痕迹。
4）外壳无膨胀和渗漏油现象。
5）无异常声响和火花放电。
6）接地装置应良好。
7）记录有关电压表、电流表、温度表的读数，对检查发现的缺陷进行记录。
3、电容器停电检查
1）定期停电检查应每季度进行一次。
2）检查各接点螺丝应无松动。
3）放电回路应完好。
4）外壳的保护接地线应完好。
5）继电保护及熔断器等保护装置应完整可靠。
6）检查并清扫外壳、绝缘子和支架等处的灰尘。
4、电容器的特殊巡视检查
在出现断路器跳闸、熔体熔断等情况后，应立即进行特殊巡视检查，要有针对性地查找原因，必要时对电容器进行试验，在查出原因之前，不得再次合闸运行。注意检查前除自动放电外，还应进行人工充分放电，否则不得触及电容器。
六、补偿电容器的运行维护
1、补偿电容器的运行标准
1）电压
补偿电容器在正常电压下运行是发挥其无功补偿作用的重要条件。电容器组允许在1.1倍额定电压下长期运行。运行中，由于倒闸操作、电压调整、负荷变化等因素可能会引起过电压。根据过电压的数值，电容器组允许相对较短时间的过电压。
2）电流
电容器运行中过电流的原因：
（1) 电容值有正偏差；
（2）母线电压高于电容器额定电压；
（3）电网有谐波电压；
（4）电网轻负荷运行引起高电压；
（5）电网频率高于额定频率；
（6）发生故障或操作引起暂态过电压。
电容器组允许在1.3倍额定电流下长期运行，在允许超过额定电流的30%中，10%是由允许的工频过电压所引起，20%是由高次谐波电压所引起。
3）温度
电容器没有铜损，也没有铁损，仅有介质损耗，因此电容器的发热量由介质损耗决定，即由电容量、频率和电压决定，更与其绝缘介质的绝缘性能有直接关系。
补偿电容器温度过高时，会影响它的使用寿命，甚至引起介质击穿，造成电容器损坏。对环境温度的要求，一般电容器-40℃～40℃，自愈式电容器为-45℃～50℃。
2、电容器的操作过电压和谐波影响
1）防止切断电容器组时引起操作过电压
切断电容器组时会出现电感、电容回路的振荡，从而产生操作过电压。如果此时断路器发生电弧重燃，将会引起强烈的电磁振荡，出现更高的过电压。此过电压的幅值，与被切电容器和母线侧电容的大小及电弧重燃时触头间的电位差有关。
2）重视电容器组投入时浪涌电流的危害
电容器组与电源接通的瞬间，会出现电容器组的过电压和过电流现象。若电容器组接入电网的合闸瞬间，电压正巧为最大值时，便可产生浪涌电流（高频、高幅值过渡电流），它会对开关灭弧室产生很大的机械应力，危害电气设备。
3）电网谐波对电容器运行的影响
运行中的电容器与电网中高次谐波发生谐振时，会产生很大的谐振电流。谐振电流会使电容器过负荷、过热、振动，并发出异常声音。
3、电容器组开关操作应注意事项
1）变电所全所停电后，必须将电容器组的开关断开；恢复送电时，应将出线开关合上，带一定的负荷后，再合电容器组的开关。
2）电容器的开关跳闸后，不允许强行试送，应根据具体情况进行判断，证明电容器确无故障后方可送电。
3）电容器组每次停电后重新合闸，必须断开电容器开关，放电3min后才能进行。
4、电容器组运行中的注意事项
1）环境温度不得超过40℃，24小时内的平均温度不得超过30℃，超过时应人工冷却或退出运行。
2）避免电容器在最高电压和最高温度同时出现的情况下运行，以保障电容器使用寿命。
3）允许在不超过1.3倍的额定电流下工作，但应设法消除线路中长期出现的过电压和高次谐波。
4）注意清扫套管表面、电容器外壳、相关电器及铁架上的积灰或其他脏污。一般每季度必须清扫一次。
5）工频过电压发生的次数不能太多，在电容器整个使用寿命中，高于1.15倍额定电压的次数，通常不应超过200次。
6）在轻负荷下投入空载变压器或并联电抗器时，容易发生铁磁谐振而产生过电流，为消除这种现象，在投入变压器或并联电抗器前，应先切除电容器。
7）电容器线路上的所有接触点，必须定期仔细检查有无松动，以免造成电容器损坏，甚至整个补偿设备发生故障。
8）至少每月应对保护电容器的熔丝进行一次检查，目的是检查电容器的使用情况，确保电容器的正常运行。
9）发现电容器外壳漏油时，应采用锡铅焊料补焊，对严重漏油的要进行调换。
10）电容器室应经常巡视检查，并及时做好运行记录。
5、电容器运行故障的类型与规律
1）故障类型
（1）初期性故障
刚送电或送电不久便发生损坏，多数是电容器制造工艺不良或存在严重缺陷。
（2）偶发性故障
指电容器运行中，因通风不良、外力破坏、操作过电压或雷击等原因造成的损坏。
（3）磨耗性故障
因绝缘老化、内部游离等原因，造成电容器绝缘降低而引起损坏。
2）故障规律
（1）高压电容器多于低压电容器；
（2）炎热的夏季多于其它季节；
（3）安装在户外的多于安装在室内的；
（4）过负荷、过电压运行多于正常运行或轻负荷、低电压运行；
（5）频繁操作多于偶尔操作。
6、电容器必须退出运行的情况
1）电容器组母线电压超过电容器额定电压1.1倍，或通过电容器组的电流超过额定电流1.3倍；
2）电容器周围环境温度超出允许范围（一般为40～50℃）或电容器外壳最热点温度超出允许范围（一般多60～80℃）；
3）电容器外壳有明显的异形膨胀或爆裂；
4）电容器喷油、起火或爆炸；
5）电容器接点严重过热或熔化；
6）电容器瓷套管发生严重放电或闪络；
7）电容器内部或放电装置有严重的异常声响。
7、电容器的异常运行与处理
1）外壳鼓肚
原因一般是电容器制造过程中，未除尽内部气体，以至运行中当电压升高时发生内部放电，同时引起绝缘材料分解并产生气体，使密封的电容器油箱内部压力增大而造成鼓肚。
电容器鼓肚说明内部已有元件被击穿。出现鼓肚的电容器，应立即停止使用，否则可能引起电容器爆炸，若采用降低电压的方法继续使用，则内部击穿处仍然会不断产生电弧，从而使体积更加膨胀而导致电容器爆炸。
2）内部出现咕咕声
原因是内部绝缘介质由于电离而产生间隙，局部发生放电，是绝缘崩溃的先兆，应立即停止运行，并进行检查修理。
3）温升过高
原因是环境温度高、通风不良或电源电压超过额定值，而引起过载发热。
8、处理电容器故障前必须放电
电容器组停电后，虽然已经经过放电电阻自行放电，但两极间仍会有部分残余电荷，故处理前必须首先设法将电荷放尽，否则容易引发触电事故。
1）首先拉开电容器组的断路器及其上、下隔离开关，采用熔断器保护的，先取下熔丝管。
2）人工放电时，将接地线的接地端与接地网固定好，用接地棒多次对电容器进行放电，直至无火花和无放电声为止，之后要将接地线固定好。
3）电容器有内部断线、熔丝熔断或引线接触不良时，其两极间还可能会存有残余电荷。应带好绝缘手套，用短接线短接故障电容器两极，把电放尽。
4）采用串联接线的电容器，还应进行单独放电。
七、电容器与电容量
1、电容
我们常说的“电容”有两个含义：一个是指某类电子元器件“电容器”，一个是指电学物理量之一“电容量”。
值得注意的是虽然电容器和电容量都可以简称电容，也都可以用C表示，但电容器是储存电荷的容器，而电容量则是衡量电容器在一定电压作用下，储存电荷能力大小的物理量，二者不可混淆。同时还应认识到不只是电容器才具有电容，电力输电线之间、输电线与大地之间、晶体管各引脚之间以及元件与元件之间都存在着一定的电容，通常我们把这些电容称为分布电容。尽管分布电容的容量较小，一般情况下可以忽略不计，但在某些要求比较严格的场合，就要考虑分布电容对电路及设备的影响。
2、电容量
1）如果把电容器的两个极板分别接到直流电源两端，这时两极板间便有电压U，同时在电场力的作用下驱使自由电子运动，使两个极板分别带上数量相等、性质相反的电荷。与电源正极相连的极板带正电荷，与电源负极相连的极板带负电荷。
2）对某一电容器来说，其中任一极板所储存的电量与两极板间电压的比值是一个常数，因此，采用这一比值来表示电容器储存电荷的本领。电容器任一极板上所储存的电量Q与两极板间的电压U的比值叫做电容器的电容量。用字母C表示，C=Q/U。电容量表示在单位电压作用下，电容器每极板所储存的电量。如果两极板间电压为1V，每极板所储存电量为1C，则其电容量为1F。要注意的是C=Q/U，C是导体自身的固有性质，C只与导体的几何性质（形状、大小）和周围电介质有关，而与导体上是否带电及所处的电势无关。
3）平行板电容器的电容量与极板的面积成正比，与极板间的距离成反比，并与填充在极板间的电介质的性质有关，与外加电压和电量无关，并且当介电系数不变时，平行板电容器的电容是一个常数。
C=εs/d，s为极板有效面积㎡；d为两极板间距m；ε为电介质介电系数。
常见电容器一般在几十pF到几千μF之间。
八、电容器与电抗器
1、电容器与电抗器的由来
因为电抗包括感抗和容抗，所以比较科学的归类应该是电抗器包括感抗器（电感器）和容抗器（电容器）。但由于过去先有了电感器，并且被称为电抗器，所以现在人们所说的电容器就是容抗器，而电抗器专指电感器。不管准确与否，已经成为一种习惯，有点先入为主的意思。
2、电容器与电抗器的区别
1）构造不同
电抗器即电感器，电感器的结构与变压器的结构相似，但只有一个激磁线圈；
电容器是两个相互靠近的导体，中间夹一层不导电的绝缘介质。
2）作用不同
串联电抗器主要用来限制短路电流，维持母线电压；
并联电抗器用于超高压远距离输电补偿线路的电容电流，防止轻负荷线路端电压升高，维持输电系统电压稳定；改善沿线电压分布和轻载线路中的无功分布并降低线损，减少潜供电流，加速潜供电弧的熄灭，提高线路自动重合闸的成功率；
适当选配电抗器与变频器配套使用，可以有效地防止因操作进线开关而产生的过电压和浪涌电流对它的冲击，同时也可以减少变频器产生的谐波对电网的污染，并可提高变频器的功率因数。
电容器是容性负载，主要用于补偿无功和储能。
3）特性不同
电感有“阻交、通直”的作用，即在交流电路中用感抗的特性来“通低频直流、阻高频交流”。电容有“通交、隔直”的作用，即在交流电路中用容抗的频率特性来“通高频交流、阻低频直流”。
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