文/黃云鍇 潘毓嫻 儲松潮 汪 威 潘焱堯 徐亞寧（安徽銅峰電子股份有限公司）

電容器是電路中重要的三大基礎元件之一，起到儲能、濾波、調(diào)相、耦合等重要作用。理想電容器是一種無功元件，而實際電容器由于構(gòu)成電容器的介質(zhì)存在損耗、極板和引出電極存在電阻等，在工作中會產(chǎn)生一定的有功功率，從而引起發(fā)熱。

電容器承載的電流頻率不同，發(fā)熱也不同。這主要由于絕緣材料在不同頻率下的介質(zhì)損耗不同。同時，金屬材料隨頻率的增加，引起集膚效應而導致電阻增加帶來額外的發(fā)熱。

電力電子電容器主要是應用在中低頻率的電路中，非線性負載帶來的諧波成分極大地影響電容器安全可靠運行。本研究嘗試對電力電子電容器加載不同頻率的電流測量其溫升，從而獲知不同頻率電流對電容器的影響。

一、不同頻率電流對電力電子電容器的影響原理

電容器的損耗主要由絕緣材料的介質(zhì)損耗、金屬材料的電阻損耗組成。電流頻率對這兩個方面影響也較為明顯。

1.不同頻率電流對薄膜介質(zhì)損耗的影響

絕緣材料的介質(zhì)損耗是由極化損耗、漏導損耗、電離損耗等構(gòu)成。漏導損耗是在電場作用下，絕緣材料中帶電粒子移動導致的；電離損耗是在電場作用下，氣泡在固體或液體界面上產(chǎn)生電離引起的損耗。這兩種損耗主要和電場強度相關(guān)聯(lián)。極化損耗是絕緣介質(zhì)在交變電場作用下，介質(zhì)電導和介質(zhì)極化的滯后效應引起的能量損耗，該損耗和電場強度、電流頻率相關(guān)聯(lián)，也是本文探討的主要內(nèi)容。

極化損耗是在交變電場作用下，產(chǎn)生周期性的與熱運動有關(guān)的松弛極化，引起電介質(zhì)的能量損耗。在外加電場作用下，分子偶極子不會立即取向，它是一個松弛過程。當松弛時間一定時，在低頻區(qū)，介質(zhì)損耗與恒定電場下相近，全由電導損耗所貢獻；在松弛區(qū)，外施電場的周期可與松弛時間相近，介質(zhì)損耗增加；在高頻區(qū)，松弛極化來不及建立，不會產(chǎn)生松弛極化，每周內(nèi)引起的損耗減小，但每秒內(nèi)的周波數(shù)增加，使介質(zhì)損耗增加，并逐漸趨于定值[1-3]。

2.不同頻率電流對導體承載電流（電阻）的影響

在交變電場中，承載電流的導體存在渦流效應，致使導體內(nèi)部電流分布不均勻，電流密度從導體表面向?qū)w芯部逐漸減小，即電流流動集中在導體的“皮膚”部分，稱為集膚效應。集膚效應會隨頻率的升高而愈加明顯，在高頻狀態(tài)下導體芯部的電流趨于零，進而使導體的等效電阻增加[4-5]。

電容器金屬部分損耗是由于電容器金屬極板、導線和引出電極等存在電阻和接觸電阻引起的能量損耗。當電容器承載的電流頻率增加時，電流的集膚效應使導體的損耗功率增加，導致電容器溫度上升。電容器極板一般為片狀材料或蒸鍍于薄膜材料上的金屬層，集膚效應相對較弱。而電容器的導線、引出電極等多為圓柱體，集膚效應受頻率影響較為明顯。

二、熱穩(wěn)定性試驗方案的設計

1.標準的熱穩(wěn)定性試驗

電力電子電容器的試驗是按照GB/T 17702-2013 標準[6]進行的，該標準對熱穩(wěn)定性試驗的規(guī)定為：電容器在最高運行環(huán)境溫度加5℃的烘箱中，對電容器施加1.1 倍額定電流持續(xù)48h，在試驗的最后6h 期間，應對外殼接近頂部處的溫度至少測量4 次，在整個6h 期間內(nèi)，溫升的增加量不應超過1K，實驗結(jié)束時應測量損耗。

2.不同頻率電流的熱穩(wěn)定試驗參數(shù)的確定

選用某變流器中使用的690Vp-1650μF 濾波電容器進行試驗，該電容器額定工作電流277.2A，最高運行溫度為65℃。按照標準，試驗的參數(shù)設置為304.9A，試驗烘箱溫度為70℃。

通過功率分析儀現(xiàn)場測量發(fā)現(xiàn)，由于非線性負載，該電容器電流含有較多的諧波成份，除了50Hz 基波電流以外，在250、350、1250、1350、1550、2850、2950、4450Hz 等 頻 率依然有著較高諧波電流分量。

3.不同頻率電流的熱穩(wěn)定性試驗方案選取

根據(jù)上述試驗品的實際工況，并適當擴大范圍，選取了50、100、150、200、250、300、350、400、500、650、800、1000、1200、1500、2000、2500、3000、4000、7000、10000Hz 的20 個試驗頻率點，測試電容器在不同頻率下的溫升表現(xiàn)。

三、不同頻率電流的熱穩(wěn)定性試驗情況

在上述選取的20 個頻率點，將電容器置于環(huán)境溫度70℃的烘箱中，對電容器施加304.9A 電流進行試驗，并記錄電容器內(nèi)外多個位置的溫度。通過20 次熱穩(wěn)定性試驗，獲得了電容器外殼和內(nèi)部的最熱點溫度，扣減電容器環(huán)境溫度后，作為在不同頻率下電容器的溫升數(shù)據(jù)。試驗數(shù)據(jù)見圖1。由圖1 可見，隨著電容器施加電流頻率的升高，電容器的溫升先降低后逐漸升高。

圖1 不同頻率下電容器溫升

四、試驗分析

電容器研究者通常采用儀表測量的方式研究電容器在不同頻率下的表現(xiàn)，較大功率的電容器很少采用熱穩(wěn)定試驗的方式進行試驗。經(jīng)過分析，儀表測量方式對電容器僅施加0.3～2V電壓，電容器絕緣介質(zhì)的松弛極化效應并不能真實體現(xiàn)，漏導損耗和電離損耗無法測得。在盡可能貼近真實的運行工況下，對電容器施加接近其正常工作的電壓、電流和頻率時，電容器的溫升表現(xiàn)才能更為真實地反映其使用狀態(tài)。為進行對比，使用儀表進行了電容器的損耗角正切值的測量，并據(jù)此計算出電容器的有功功率。

1.儀表測試電容器損耗角正切值和有功功率的數(shù)據(jù)分析

使用LCR 測試儀對電容器進行測量，并根據(jù)測量的數(shù)據(jù)計算了電容器的有功功率。由于電容器的參數(shù)會隨溫度變化發(fā)生改變，熱穩(wěn)定性試驗的環(huán)境溫度為70℃，而內(nèi)部溫升在15～28℃，為使電容器在相近溫度狀態(tài)進行比較，將電容器置于90℃烘箱中加熱24h 后進行該項測量。測量和計算結(jié)果見圖2。

圖2 不同頻率下90℃時電容器的損耗、有功功率

由圖2 的測量數(shù)據(jù)可見，電容器的損耗角正切值在低頻段較為平穩(wěn)，4000Hz后迅速升高；而有功功率在100Hz形成低點，隨著頻率升高逐漸上升。資料顯示有功功率曲線低頻段的下降主要是由于絕緣介質(zhì)隨頻率增加損耗下降引起的[7]。而頻率進一步上升，此時導體隨頻率上升帶來的集膚效應會進一步加劇整個電容器的損耗上升。

2.熱穩(wěn)定性試驗結(jié)果和儀表測試情況的比較

熱穩(wěn)定性試驗的結(jié)果和儀表測量以及計算出的有功功率，隨著不同頻率變化的趨勢基本一致。為便于比較，將其擬合到一張圖中，見圖3。

圖3 不同頻率下電容器的有功功率和試驗溫升比較

通過擬合的圖3 可見，不同頻率下電容器外殼、內(nèi)部溫升最高點反映出的趨勢和儀表測量及計算出來電容器有功功率的趨勢較為吻合，兩者之間的差異主要在于儀表測量及計算的有功功率最低點出現(xiàn)在100Hz，而熱穩(wěn)定性試驗溫升最低點出現(xiàn)在200Hz。經(jīng)過分析這主要是由于同一臺電容器容值不變情況下，根據(jù)公式I=ωCU，200Hz頻率只需要100Hz 一半的電壓即可獲得相同電流。由于在200Hz頻率下電容器的電場強度更低，電場強度引起的松弛極化產(chǎn)生的損耗更小，部分抵消了因頻率升高引起的松弛極化損耗和集膚效應損耗上升導致的發(fā)熱，因此在試驗中表現(xiàn)出比100Hz更低的溫升。隨著頻率進一步升高，集膚效應和松弛極化引起的損耗會愈加明顯，導致電容器發(fā)熱隨之上升。

五、結(jié)語

通過以上試驗和分析可見，儀器測量、計算能夠反映出電容器在不同頻率下有功功率的變化趨勢，但某些頻率點的有功功率與實際電容器發(fā)熱有著較大偏差。本研究通過試驗獲知電容器在接近真實工況下的溫升表現(xiàn)，找到了和儀表測量的差異。希望通過這個研究，計算和預判出該類電容器實際工況下的狀態(tài)，從而使設計研發(fā)的電力電子電容器運行在安全工況的范圍內(nèi)。