关于电容器发热原因的探讨

关于电容器发热原因的探讨

张鹤,刘继鹏

河南华中星科技电子有限公司

摘要：电力电容器组作为变电站无功补偿、维持电压稳定的核心设备，其安全运行对提高系统稳定性起到重要作用。近年来，电力系统中的电容器组导电回路过热缺陷频发，导致电容器保护跳闸时有发生。因此为了保障电容器的稳定运行，本文简述了电容器组的基本结构以及电容器的发热机理，对电容器发热原因进行了探讨分析。

关键词：电容器组；结构；发热；机理；原因；

　电容器作为电力系统的重要部件，对电力系统运行稳定性、电压电能质量等方面都具有重要意义。但是电容器组普遍存在连接组件过热的情况，严重时会烧损单台电容器，影响电容器组的安全运行。基于此，以下就电容器发热原因进行了探讨分析。

一、电容器组的基本结构

　　电容器组通常分为集合式电容器组与单体式电容器组。前者为多个单体电容器串并联连接后置于油绝缘的密闭箱体内，通过套管引出三相及中性线;单体式电容器组由多个外露于空气的单体电容器串并联连接构成。以下主要就单体式电容器组进行分析，其在实际安装时一般有两种结构：一是无汇流母排结构，即用整条软铜线顺次连接各单体电容桩头，在电容器组首端、中性点及尾端连接到母排;二是设置专用汇流母排，单体电容器通过短铜线直接连接至汇流母排。前者是软铜线承担全部的电流，首尾电流大;后者单体电容短铜线仅通过自身的电流，而总电流由母排汇流承担。

二、电容器的发热机理分析

　　对于电容器发热，通过使用户外测温仪实验发现：中性线的发热位置主要出现在铜排线和铝软线的连接点。而对于连接点的发热成因，主要在于连接点电阻值变大和连接点出现涡流。导电回路电流型致热最关键的原因在于导体接触部位接触电阻的增大。由霍尔姆（Holm）接触电阻理论可知，在导体相互连接的接触面上存在接触电阻，接触电阻Rj可以分为两部分：Rj=Rc+Rb，其中Rc为收缩电阻;Rb为膜层电阻。

　　1、收缩电阻。接触电阻的形成是一个非常复杂的过程，导体A与导体B接触，如果接触面为理想平面，则通过导体内的接触面的电流线在界面处仍保持平行，不发生畸变现象，因此也不会产生新的接触电阻;如果两个导体为理想球面相接触，接触处为一个点圆，则电流先在接触处弯曲、收缩，最后集中于点圆内。显然，与理想平面接触相比较，球面接触时的电流线加长，电流通过的截面大大缩小，因此接触面的情况发生了变化，将产生新的附加电阻——收缩电阻，即为收缩电阻Rc。实际上，任何接触表面都是由许多不同形状的微凸峰和凹谷组成，呈现一定的表面几何特征。表面几何特征可采用形貌参数来描述，最常用的表面形貌参数是表面粗糙度，它取表面上某一个截面的外形轮廓曲线来表示。

2、膜层电阻。当两块母排接头处于大气环境中时，表面很快会产生一层金属氧化膜。如果氧化膜层足够厚时，则会造成触点之间的绝缘;如果氧化膜层较薄时，若对触点施以一定的电压，则触点之间有电流流过，氧化膜层呈现一定的电阻———膜层电阻Rb。若外界的压力一定，且无其他外界因素影响，Rb的阻值基本上恒定。根霍尔姆理论，流过这种非金属膜层的电流是通过隧道效应完成的，导体与导体接触处由于有接触电阻的存在，当电流通过它时必然产生焦耳热使接触点局部区域温度升高。温度升高又会促进表面膜的生长，使接触电阻增大，严重时接触点的温度可达到接触元件材料的软化点、熔化点，甚至沸腾点。

三、电容器发热原因的分析

结合某电容器组的发热缺陷分析中发现，电容器发热的原因主要表现为：

1、电容器之间连接的软铜线容易断股，导致电流增大发热。

2、接触面处理工艺不良导致接触电阻增大。由于变电站大多数设备运行在露天环境下工作，各个连接点经常遭受到风吹雨打、冰冻雪融等自然条件的影响和侵蚀，接触面如果不严格按照正确的工艺要求，接头位置极容易发生氧化和腐蚀现象产生氧化膜，造成连接处接触电阻增大，而接触电阻增大，接触面就会发热。如果得不到及时发现和处理，接头的氧化程度会随着发热现象进一步恶化。造成无功设备局部温度骤然上升，严重时将导致设备接头烧损，发生设备跳闸故障。

3、接触面导电膏涂抹太厚。导电膏并非良导体，其在接触面上的导电性能是借“隧道效应”来实现的。所谓“隧道效应”就是指离子通过一个势能大于总能量的优先区域。因此，涂抹导电膏时不能太厚。厚度太大的导电膏阻止了其发挥“隧道效应”的性能，反而使接触电阻增大，并最终导致发热。

4、接触面导电膏涂抹不均。在有些工程安装过程中，导电膏的使用存在误区，安装人员不是将导电膏均匀地涂抹在接触面上，而是在接触面上点上两处。依靠接触面的压紧力将导电膏压平。导电膏分布在接触面的有限部分，没有将接触面全部覆盖，因此不能阻止接触面的氧化，并导致发热，长期发热，造成引流线被烧断，对设备安全运行造成严重危害。

5、接触面未涂抹导电膏严重氧化。导电膏是新型电力复合脂，其中所含的镍、锌、铬等金属细粒填充在接头接触表面的缝隙中。金属细粒在螺栓的紧固力作用下。能破碎接触面的氧化膜层，降低接触电阻。同时还可以在接头整个表面形成一个保护层而起到隔绝空气和渗入的水分，起到防止氧化的作用。因此正确使用导电膏能有效地改善接触面的导电性能，防止接触面的氧化和电化学腐蚀作用，使接触面在长期的运行中保持良好的导电性能。

6、铜铝接触面未采用铜铝过度片。当负荷电流减少温度降低回到原来接触位置时，由于接触面氧化膜的覆盖，不可能是原安装时金属间的直接接触。每次温度变化的循环所增加的接触电阻，将会使下一次循环的热量增加，所增加的较高温度又使接头的工作状况进一步变坏，因而形成恶性循环。

7、接触面压紧力不当导致接触电阻过大。钢制螺栓的金属膨胀系数要比铜质、铝质材料小得多，尤其是螺栓型设备接头，在运行中随着负荷电流及温度的变化，其铝或铜与铁的膨胀和收缩程度将有差异而产生蠕变。所谓蠕变就是金属在应力的作用下缓慢的塑性变形，蠕变的过程还与接头处的温度有很大的关系。当负荷电流减少温度降低回到原来接触位置时，由于接触面氧化膜的覆盖，不可能是原安装时金属间的直接接触。每次温度变化的循环所增加的接触电阻，将会使下一次循环的热量增加，所增加的较高温度又使接头的工作状况进一步变坏，因而形成恶性循环。目前各类设备引线端子基本为螺栓紧固方式，螺栓在运行过程中由于震动逐渐松动，使接触面压紧力不足，导致接触电阻增大，因此需要选择合适的紧固压力进行螺栓紧固，螺栓不能拧得过紧，以弹簧垫圈压平即可。

结束语

综上所述，为了确保电容器组的可靠运行，必须加强对电容器的发热原因进行分析。并且由于电力电容器运行过程中的发热原因有很多，所以需要做好电力电容器组验收、检修维护工作，规范设计部件各项技术指标、电容器组的接线方式、导电连接部位连接方式等。 严格按照“五通”标准做好设备中间过程验收、投运前验收，避免由于施工质量导致后期设备发热等。杜绝出现接触面连接螺栓紧力不当，螺栓力矩不足等问题。同时需要加强对在运电容器组管理力度，尤其在高温大负荷下，更应提高运维人员巡视频率，做好数据跟踪记录，及时发现存在数据异常趋势的设备，做到高频巡视、及时报告，从而保障电容器组稳定运行。

参考文献

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