电流频率对电力电子电容器的影响

文/黄云锴 潘毓娴 储松潮 汪 威 潘焱尧 徐亚宁（安徽铜峰电子股份有限公司）

电容器是电路中重要的三大基础元件之一，起到储能、滤波、调相、耦合等重要作用。理想电容器是一种无功元件，而实际电容器由于构成电容器的介质存在损耗、极板和引出电极存在电阻等，在工作中会产生一定的有功功率，从而引起发热。

电容器承载的电流频率不同，发热也不同。这主要由于绝缘材料在不同频率下的介质损耗不同。同时，金属材料随频率的增加，引起集肤效应而导致电阻增加带来额外的发热。

电力电子电容器主要是应用在中低频率的电路中，非线性负载带来的谐波成分极大地影响电容器安全可靠运行。本研究尝试对电力电子电容器加载不同频率的电流测量其温升，从而获知不同频率电流对电容器的影响。

一、不同频率电流对电力电子电容器的影响原理

电容器的损耗主要由绝缘材料的介质损耗、金属材料的电阻损耗组成。电流频率对这两个方面影响也较为明显。

1.不同频率电流对薄膜介质损耗的影响

绝缘材料的介质损耗是由极化损耗、漏导损耗、电离损耗等构成。漏导损耗是在电场作用下，绝缘材料中带电粒子移动导致的；电离损耗是在电场作用下，气泡在固体或液体界面上产生电离引起的损耗。这两种损耗主要和电场强度相关联。极化损耗是绝缘介质在交变电场作用下，介质电导和介质极化的滞后效应引起的能量损耗，该损耗和电场强度、电流频率相关联，也是本文探讨的主要内容。

极化损耗是在交变电场作用下，产生周期性的与热运动有关的松弛极化，引起电介质的能量损耗。在外加电场作用下，分子偶极子不会立即取向，它是一个松弛过程。当松弛时间一定时，在低频区，介质损耗与恒定电场下相近，全由电导损耗所贡献；在松弛区，外施电场的周期可与松弛时间相近，介质损耗增加；在高频区，松弛极化来不及建立，不会产生松弛极化，每周内引起的损耗减小，但每秒内的周波数增加，使介质损耗增加，并逐渐趋于定值[1-3]。

2.不同频率电流对导体承载电流（电阻）的影响

在交变电场中，承载电流的导体存在涡流效应，致使导体内部电流分布不均匀，电流密度从导体表面向导体芯部逐渐减小，即电流流动集中在导体的“皮肤”部分，称为集肤效应。集肤效应会随频率的升高而愈加明显，在高频状态下导体芯部的电流趋于零，进而使导体的等效电阻增加[4-5]。

电容器金属部分损耗是由于电容器金属极板、导线和引出电极等存在电阻和接触电阻引起的能量损耗。当电容器承载的电流频率增加时，电流的集肤效应使导体的损耗功率增加，导致电容器温度上升。电容器极板一般为片状材料或蒸镀于薄膜材料上的金属层，集肤效应相对较弱。而电容器的导线、引出电极等多为圆柱体，集肤效应受频率影响较为明显。

二、热稳定性试验方案的设计

1.标准的热稳定性试验

电力电子电容器的试验是按照GB/T 17702-2013 标准[6]进行的，该标准对热稳定性试验的规定为：电容器在最高运行环境温度加5℃的烘箱中，对电容器施加1.1 倍额定电流持续48h，在试验的最后6h 期间，应对外壳接近顶部处的温度至少测量4 次，在整个6h 期间内，温升的增加量不应超过1K，实验结束时应测量损耗。

2.不同频率电流的热稳定试验参数的确定

选用某变流器中使用的690Vp-1650μF 滤波电容器进行试验，该电容器额定工作电流277.2A，最高运行温度为65℃。按照标准，试验的参数设置为304.9A，试验烘箱温度为70℃。

通过功率分析仪现场测量发现，由于非线性负载，该电容器电流含有较多的谐波成份，除了50Hz 基波电流以外，在250、350、1250、1350、1550、2850、2950、4450Hz 等 频 率依然有着较高谐波电流分量。

3.不同频率电流的热稳定性试验方案选取

根据上述试验品的实际工况，并适当扩大范围，选取了50、100、150、200、250、300、350、400、500、650、800、1000、1200、1500、2000、2500、3000、4000、7000、10000Hz 的20 个试验频率点，测试电容器在不同频率下的温升表现。

三、不同频率电流的热稳定性试验情况

在上述选取的20 个频率点，将电容器置于环境温度70℃的烘箱中，对电容器施加304.9A 电流进行试验，并记录电容器内外多个位置的温度。通过20 次热稳定性试验，获得了电容器外壳和内部的最热点温度，扣减电容器环境温度后，作为在不同频率下电容器的温升数据。试验数据见图1。由图1 可见，随着电容器施加电流频率的升高，电容器的温升先降低后逐渐升高。

图1 不同频率下电容器温升

四、试验分析

电容器研究者通常采用仪表测量的方式研究电容器在不同频率下的表现，较大功率的电容器很少采用热稳定试验的方式进行试验。经过分析，仪表测量方式对电容器仅施加0.3～2V电压，电容器绝缘介质的松弛极化效应并不能真实体现，漏导损耗和电离损耗无法测得。在尽可能贴近真实的运行工况下，对电容器施加接近其正常工作的电压、电流和频率时，电容器的温升表现才能更为真实地反映其使用状态。为进行对比，使用仪表进行了电容器的损耗角正切值的测量，并据此计算出电容器的有功功率。

1.仪表测试电容器损耗角正切值和有功功率的数据分析

使用LCR 测试仪对电容器进行测量，并根据测量的数据计算了电容器的有功功率。由于电容器的参数会随温度变化发生改变，热稳定性试验的环境温度为70℃，而内部温升在15～28℃，为使电容器在相近温度状态进行比较，将电容器置于90℃烘箱中加热24h 后进行该项测量。测量和计算结果见图2。

图2 不同频率下90℃时电容器的损耗、有功功率

由图2 的测量数据可见，电容器的损耗角正切值在低频段较为平稳，4000Hz后迅速升高；而有功功率在100Hz形成低点，随着频率升高逐渐上升。资料显示有功功率曲线低频段的下降主要是由于绝缘介质随频率增加损耗下降引起的[7]。而频率进一步上升，此时导体随频率上升带来的集肤效应会进一步加剧整个电容器的损耗上升。

2.热稳定性试验结果和仪表测试情况的比较

热稳定性试验的结果和仪表测量以及计算出的有功功率，随着不同频率变化的趋势基本一致。为便于比较，将其拟合到一张图中，见图3。

图3 不同频率下电容器的有功功率和试验温升比较

通过拟合的图3 可见，不同频率下电容器外壳、内部温升最高点反映出的趋势和仪表测量及计算出来电容器有功功率的趋势较为吻合，两者之间的差异主要在于仪表测量及计算的有功功率最低点出现在100Hz，而热稳定性试验温升最低点出现在200Hz。经过分析这主要是由于同一台电容器容值不变情况下，根据公式I=ωCU，200Hz频率只需要100Hz 一半的电压即可获得相同电流。由于在200Hz频率下电容器的电场强度更低，电场强度引起的松弛极化产生的损耗更小，部分抵消了因频率升高引起的松弛极化损耗和集肤效应损耗上升导致的发热，因此在试验中表现出比100Hz更低的温升。随着频率进一步升高，集肤效应和松弛极化引起的损耗会愈加明显，导致电容器发热随之上升。

五、结语

通过以上试验和分析可见，仪器测量、计算能够反映出电容器在不同频率下有功功率的变化趋势，但某些频率点的有功功率与实际电容器发热有着较大偏差。本研究通过试验获知电容器在接近真实工况下的温升表现，找到了和仪表测量的差异。希望通过这个研究，计算和预判出该类电容器实际工况下的状态，从而使设计研发的电力电子电容器运行在安全工况的范围内。