电力电容器的原理及实际应用

电容器与无功补偿

一、电容器的原理

1．概念

顾名思义，电容器是“装电的容器”，是一种容纳电荷的器件，英文名称：capacitor。电容器通常简称为电容，用字母C标示。

2．单位

电容器所带的电荷量Q与电容器两极板间的电势差U的比值，叫做电容器的电容，用C表示。

⁄

C=Q Q

式中，电荷量Q是用于度量电荷多少的物理量，简称电量，单位为库仑，简称库，符号为C。库仑的定义是，若导线中载有1安培的稳恒电流，则在1秒内通过导线横截面积的电量为1库仑。电压U的单位为伏特，简称伏，符号为V。

电容器的单位在数值上等于两极板间的电势差为1V时电容器需带的电荷量。

电容的物理意义是，表征电容器容纳（储存）电荷本领的物理量。

在国际单位制中电容的单位是法拉（F），这是一个非常大的物理量，我们在电力系统中常用的低压并联电容器，电容一般不到一法拉的千分之一。所以，常用单位还有微法（μF）和皮法（pF）。1F=106μ

F=1012pF。

对于一个确定的电容器而言，电容是不变的，C与Q、U无关。3．构造

任何两个彼此绝缘又相互靠近的导体都可以构成电容器。在两个相距很近的平行金属板中间夹上一层绝缘介质，就组成一个最简单的电容器，叫做平行板电容

器。（见图1）

4．电容器的大小

平行板电容器的电容C跟介电常数ε成正比，跟正对面积S正比，跟极板间的距离d成反比：图1 平行板电容

C=

Q Q Q 4QQQ

式中，k为静电力常量，其值为×109Nm2/C2。静电力常量表示真空中两个电荷

量均为1C的点电荷，它们相距1m时，它们之间作用力的大小为×109N。ε

r

为两平行板之间的绝缘介质的相对介电常数，其值为绝缘介质的介电常数和真空介电常数的比值。S为两平行板相对部分的面积，单位为m2，d为两平行板之间的距离，单位为m。

图2 相对介电常数ε

r

5．电容器的工作状态

（1）充电：使电容器带电的过程，叫做充电，见图3。

（2）放电：使电容器两极板上的电荷中和的过程，叫做放电，见图4。

充电过程的实质是其它形式的能量转化为电场能的过程（图3中用电池给电容器充电，是化学能转化为电场能），放电过程的实质是电场能转化为其它形式的能（图4中电场能转化为连接两个极板间的导线的热能）。所以，电容器是一种储存电场能的装置。

图3 电容器充电图4 电容器放电6．电容器的相关公式

（1）纯电容电路

Q Q=1

QQ =1

2QQQ

Q =Q Q Q Q =Q Q QQ =Q Q 2QQQ Q Q =QQ Q =Q 2Q Q =Q 2QQ

QQQQ =0

Q =Q Q QQQQQ (Q )

Q Q =Q QQ sin ?(QQ −90°)(Q )

式中，Q Q -----容抗，Ω；C-----电容，F ；Q Q -----电容两端电压，V ；Q Q -----

电容上无功功率，W 。 图5 纯电容电路

（2）电阻电感电容串联电路

Q =√Q 2+(Q Q −Q Q )2 Q =Q Q =Q √Q 2+(Q Q −Q Q )2

Q Q =QQ ,Q Q =QQ Q ,Q Q =QQ Q

Q =√Q Q 2+(Q Q −Q Q )2

QQQQ =Q Q =Q Q Q =Q Q

Q =QQ Q =QQQQQQ

Q =Q (Q Q −Q Q )=Q Q −Q Q

Q =QQ =√Q 2+(Q Q −Q Q )2

Q =Q Q QQQQQ (Q )

Q =Q Q sin ?(QQ ±Q )(Q )

当Q Q >Q Q 时，系统为感性电路，当Q Q

6 混合电路

（3）电阻电感串联后与电容并联电路

Q 1=Q

√Q 2+Q Q 2 Q Q =Q Q Q

Q ̅̅̅=Q ̅̅̅1+Q ̅̅̅Q

Q =√Q 1有2

+(Q 1无−Q Q )2=√(Q 1QQQQ 1)2+(Q 1QQQQ 1−Q Q )2

QQQQ =Q 1QQQQ 1Q =√(1121QQQQ =Q 1无−Q Q

Q 1有

=Q 1QQQQ 1−Q Q Q 1QQQQ 1

量电式中，Q 1有-----电阻电感支路的有功分

流，A ；

电流，

Q 1无-----电阻电感支路的无功分量

A ； QQQQ 1-----未并电容前电阻电感电路的功率因数；

QQQQ -----并电容后功率因数。

二、电容器的作用

电容器的作用有移相、耦合、降压、滤波等多种功能，这里我们主要讨论电力

电容器在电力系统中所发挥的作用。 图7 阻串感并电容电路

电力电容器分为串联电容器和并联电容器，它们都改善电力系统的电压质量和

提高输电线路的输电能力，是电力系统的重要设备。

（1）串联电容器的作用

a ．提高线路末端电压。串联在线路中的电容器，利用其容抗Q Q 补偿线路的

感抗Q Q ，使线路的电压降落减小，从而提高线路末端的电压，一般最大可将线路

末端电压提高10%～20%。具体计算公式可参照电容器相关公式中的电阻电感电容

串联电路。

b ．降低受电端电压波动。当受电端接有很大的冲击负荷（如电弧炉、电焊机、

电气轨道等）时，串联电容能消除电压的剧烈波动。这是因为串联电容器在线路