膜電力電容器發(fā)展的論文
摘要：從介質(zhì)材料、結(jié)構(gòu)、工藝等方面介紹了全膜電力電容器的發(fā)展及桂容廠全膜電容器生產(chǎn)技術(shù)特點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)提出了全膜電容器的技術(shù)重點(diǎn)研究方向。
關(guān)鍵詞：電力電容器全膜發(fā)展
1概述
20世紀(jì)60年代后期，隨著聚丙烯電工薄膜的出現(xiàn)，電力電容器很快地從全紙介質(zhì)經(jīng)過(guò)紙膜復(fù)合介質(zhì)向全膜介質(zhì)發(fā)展，產(chǎn)生了全膜電力電容器。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家在20世紀(jì)80年代初就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全膜化，而當(dāng)時(shí)我國(guó)才開(kāi)始進(jìn)行全膜電容器研究。20世紀(jì)80年代中后期，我國(guó)的主要電容器生產(chǎn)企業(yè)（桂林電力電容器廠、西安電力電容器廠、上海電機(jī)廠電容器分廠）分別從美國(guó)通用電氣公司（GE）、愛(ài)迪生公司和西屋公司引進(jìn)了全膜電容器制造技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備，經(jīng)過(guò)消化吸收和改進(jìn)，我國(guó)在20世紀(jì)90年代中期也實(shí)現(xiàn)了全膜化。
全膜電容器具有以下優(yōu)點(diǎn)：
①擊穿場(chǎng)強(qiáng)高（平均值達(dá)240MV／m），局部放電電壓高，絕緣裕度大；
②介質(zhì)損耗低（平均水平為0．03％），消耗有功少，發(fā)熱少，節(jié)能，而且運(yùn)行溫升低，產(chǎn)品壽命長(zhǎng)；
③比特性好（平均為0．2kg／kvar），重量輕，體積小；
④運(yùn)行安全可靠。由于薄膜一旦擊穿，擊穿點(diǎn)可靠短路，避免發(fā)生由于紙介質(zhì)擊穿碳化造成擊穿點(diǎn)接觸不良而反復(fù)放電造成電容器爆裂的嚴(yán)重故障。
由于全膜電容器的顯著特點(diǎn)，因此，一出現(xiàn)就得到了的推廣應(yīng)用，產(chǎn)品也得到了不斷的發(fā)展。目前，先進(jìn)國(guó)家的全膜電容器的設(shè)計(jì)場(chǎng)強(qiáng)已達(dá)到了80MV／m，比特性已達(dá)到了0．1kg／kvar。我國(guó)的制造企業(yè)也正在努力研究、提高全膜電容器的技術(shù)水平。
本文就主要影響全膜電容器技術(shù)水平的三個(gè)主要因素，介質(zhì)材料、結(jié)構(gòu)、工藝進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。
2介質(zhì)材料
全膜電容器的固體介質(zhì)材料是聚丙烯薄膜，液體介質(zhì)材料是芳香烴類的混合油，目前大多數(shù)企業(yè)使用芐基甲苯、苯基乙苯基乙烷，也有少數(shù)企業(yè)用二芳基乙烷。
2．1聚丙烯薄膜
聚丙烯薄膜最早由GE公司在20世紀(jì)70年代初應(yīng)用在電容器上，而且GE公司首創(chuàng)了電力電容器用聚丙烯薄膜生產(chǎn)技術(shù)（管膜法）。此后，西歐出現(xiàn)了平膜法生產(chǎn)技術(shù)。目前，我國(guó)引進(jìn)了10多條管膜法和平膜法生產(chǎn)線，可以生產(chǎn)粗化膜（單面粗化和雙面粗化）和光膜（主要用于自愈式電容器），薄膜厚度最小可達(dá)4μm，全膜電容器所用的膜厚通常在10μm以上。
經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，國(guó)產(chǎn)的聚丙烯薄膜性能與先進(jìn)國(guó)家的已經(jīng)處于同一水平上，無(wú)論是電性能、機(jī)械性能還是工藝性能都基本接近，有的性能甚至超過(guò)先進(jìn)國(guó)家的水平。以國(guó)內(nèi)電容器生產(chǎn)企業(yè)常用的15μm厚的粗化膜為例，國(guó)產(chǎn)膜與進(jìn)口膜性能比較列于表1。
隨著全膜電容器技術(shù)水平的提高，厚度薄的聚丙烯薄膜的應(yīng)用越來(lái)越大，例如12μm及以下的薄膜將占主導(dǎo)地位。厚度減少后，薄膜制造廠的質(zhì)量控制難度將會(huì)增大，當(dāng)然薄膜的性能穩(wěn)定性也會(huì)受影響。從國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T12802－1996《電容器用聚丙烯薄膜》的規(guī)定中可見(jiàn)，12μm膜的（元件法）直流介電強(qiáng)度中值比15μm的低20MV／m（6％），10μm膜的的比15μm膜的低30MV／m（10％）。更主要的是薄膜越薄，電弱點(diǎn)越多，接GB／T12802－1996的規(guī)定，12μm以上的薄膜電弱點(diǎn)≤0．5個(gè)／m2，而10μm的≤0．6個(gè)／m2。如果按2m2／kvar計(jì)算，則一臺(tái)200kvar電容器可能會(huì)有多達(dá)200個(gè)的電弱點(diǎn)，即200個(gè)絕緣缺陷。對(duì)于高場(chǎng)強(qiáng)電容器，由于運(yùn)行的場(chǎng)強(qiáng)提高了，選用更薄的薄膜，電容器的損壞幾率也會(huì)提高。因此，聚丙烯薄膜的性能必須得到提高以后才能應(yīng)用到更高電場(chǎng)強(qiáng)度（60MV／m以上）的全膜電容器。實(shí)際上，某些廠家薄膜的性能指標(biāo)，比如介電強(qiáng)度和電弱點(diǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)標(biāo)要求值，只是在質(zhì)量穩(wěn)定性上需加強(qiáng)控制，即可滿足高場(chǎng)強(qiáng)電容器的要求。
從試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)得出，降低粗糙度可有效提高薄膜的電氣強(qiáng)度，減少電弱點(diǎn)。隨著電容器生產(chǎn)工藝的提高和液體介質(zhì)的發(fā)展，浸漬問(wèn)題已經(jīng)得到解決。因此，為了提高薄膜的介電強(qiáng)度和減少電弱點(diǎn)，應(yīng)該使用單面粗化膜或粗糙度更小的薄膜生產(chǎn)高場(chǎng)強(qiáng)全膜電容器。即薄膜制造企業(yè)今后應(yīng)重點(diǎn)控制介電強(qiáng)度和電弱點(diǎn)這兩個(gè)指標(biāo)。
2．2液體介質(zhì)
液體介質(zhì)應(yīng)滲透到電容器固體介質(zhì)內(nèi)的所有空隙，消除產(chǎn)品內(nèi)的殘存氣體，提高產(chǎn)品局放性能。因此，對(duì)液體介質(zhì)的基本要求有三個(gè)方面：
①介電強(qiáng)度高，一般要求達(dá)到60kV／2．5mm以上；
②析氣性好，能夠溶解和吸收更多氣體；
③粘度低，能夠充分浸漬和滲透聚丙烯薄膜。
目前普遍使用的芐基甲苯、苯基乙苯基乙烷和二芳基乙烷都能滿足以上要求，只是二芳基乙烷的粘度較高，低溫性能稍差。
如果用于生產(chǎn)高場(chǎng)強(qiáng)電容器時(shí)，液體介質(zhì)中還必須加入添加劑，以提高液體介質(zhì)的抗老化性能。
3結(jié)構(gòu)
全膜電容器主要有兩種基本結(jié)構(gòu)，一種是隱箔式結(jié)構(gòu)（也叫引線片式結(jié)構(gòu)，如圖1a），另一種是凸箔式結(jié)構(gòu)（如圖1b）。
為了改善電極的邊緣電場(chǎng)畸變，非凸出的鋁箔電極邊緣通常進(jìn)行折邊處理，尤其在凸箔式結(jié)構(gòu)中普遍采用。由于隱箔式結(jié)構(gòu)需要引線片引出電極，存在接觸電阻和尖角，而且不適宜進(jìn)行折邊處理，因此，隨著場(chǎng)強(qiáng)的提高，已逐漸淘汰，現(xiàn)基本采用凸箔式帶折邊的結(jié)構(gòu)。
固體介質(zhì)通常由兩層或三層粗化的聚丙烯薄膜組成。介質(zhì)的厚度對(duì)電極邊緣的電場(chǎng)畸變有影響，因此在選擇時(shí)要注意。
電極邊緣的電場(chǎng)強(qiáng)度Ee可按下式計(jì)算：
式中：εm—固體介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)；
εy—液體介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)；
d—電極間距離；
δ—鋁箔電極厚度；
E—均勻處的電場(chǎng)強(qiáng)度
從（1）式中可見(jiàn)，鋁箔折邊，相當(dāng)于使δ增加一倍，因此，使邊緣電場(chǎng)下降到折邊前的（30%左右）。相反，如果選用較厚的聚丙烯薄膜或選用三層聚丙烯薄膜時(shí)，會(huì)使電極間的`距離d增大，從而使邊緣電場(chǎng)畸變加劇，不利于產(chǎn)品運(yùn)行。
實(shí)際應(yīng)用中，有的企業(yè)為了減少產(chǎn)品的串聯(lián)數(shù)，提高了元件電壓，在基本保持電場(chǎng)強(qiáng)度（E）不變的情況下，選擇了較厚的薄膜或選擇三層膜結(jié)構(gòu)。理論和試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，這種結(jié)構(gòu)的局部放電性能最差，實(shí)際的運(yùn)行損壞情況也證明了這一點(diǎn)。另外，有的企業(yè)為了降低薄膜弱點(diǎn)重合的概率，選擇三層膜結(jié)構(gòu)；從理論上分析，三層膜結(jié)構(gòu)確實(shí)可以減少弱點(diǎn)重合的概率，但三層膜結(jié)構(gòu)勢(shì)必要使用厚度更薄的薄膜，薄膜的性能（介電強(qiáng)度、電弱點(diǎn)）將會(huì)影響其效果，甚至適得其反。三層膜結(jié)構(gòu)即使可以減少弱點(diǎn)重合概率，實(shí)際應(yīng)用中還有一個(gè)因素必須考慮。在產(chǎn)品進(jìn)行出廠耐壓試驗(yàn)時(shí)，極間施加2．15Un的試驗(yàn)電壓，如果三層膜中的一層存在電弱點(diǎn)時(shí)，所有電壓加在另外兩層膜上，以等厚的三層膜設(shè)計(jì)場(chǎng)強(qiáng)為55MV／m分析，其試驗(yàn)?zāi)褪軋?chǎng)強(qiáng)由118MV／m只上升到177MV／m，而薄膜浸油后的擊穿場(chǎng)強(qiáng)通常在200MV／m以上，即此臺(tái)電容器有可能通過(guò)出廠試驗(yàn)而將隱患帶到電網(wǎng)中。兩膜結(jié)構(gòu)時(shí)，若其中一層存在電弱點(diǎn)時(shí)，其試驗(yàn)?zāi)褪軋?chǎng)強(qiáng)將上升到236MV／m，即出廠試驗(yàn)時(shí)就可將有弱點(diǎn)的產(chǎn)品挑出，而保證出廠產(chǎn)品的質(zhì)量。實(shí)際應(yīng)用中，三層膜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品出廠合格率確實(shí)高于兩膜結(jié)構(gòu)，但其早期損壞率也高于兩膜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品。
無(wú)論是兩層膜結(jié)構(gòu)還是三層膜結(jié)構(gòu)，最好選擇厚度相同的薄膜。
4工藝
電力電容器制造包括四個(gè)方面的工藝：機(jī)加工工藝；元件卷制工藝；真空浸漬工藝和油處理工藝。其中后三者為電力電容器的專業(yè)工藝。機(jī)加工工藝只影響產(chǎn)品外觀質(zhì)量，油處理工藝影響液體介質(zhì)的性能和質(zhì)量。下面重點(diǎn)分析元件卷制工藝和真空浸漬工藝。
4．1元件卷制工藝
元件卷制是在凈化間內(nèi)，利用卷制機(jī)，將固體介質(zhì)材料（聚丙烯薄膜）和電極材料（鋁箔）卷制成為元件的過(guò)程。
在元件卷制工藝中，潔凈度單位空間中懸浮的塵埃的顆粒是影響產(chǎn)品質(zhì)量的最主要因素，尤其對(duì)全膜電容器而言，由于薄膜具有靜電吸附的作用，很容易吸附環(huán)境中的塵埃。如果吸附的是導(dǎo)電性顆粒，會(huì)使極間電場(chǎng)畸變或產(chǎn)生浮動(dòng)電位從而使介質(zhì)擊穿；如果吸附的是非導(dǎo)電性顆粒，顆粒在電場(chǎng)作用下會(huì)首先擊穿從而使介質(zhì)也擊穿。
4．2真空浸漬工藝
真空浸漬是利用加熱抽真空的方法將電容器內(nèi)的水份和氣體排除后，注入合格的液體介質(zhì)的過(guò)程。
真空浸漬工藝要解決兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，一是如何盡可能地排除水份和氣體；二是如何使液體介質(zhì)能夠充分滲透產(chǎn)品內(nèi)的所有空隙。
根據(jù)真空理論，真空度越高，氣體的排除越徹底。但是，即使把真空度提高到1．33×10－1Pa，空隙的氣體分子密度仍高達(dá)3．2×1016個(gè)／m3，如果進(jìn)一步提高到1．33×10－4Pa，氣體密度仍達(dá)到3．2×1013個(gè)／m3。再加上真空罐內(nèi)表面和產(chǎn)品表面的吸附氣體，想通過(guò)抽真空的辦法徹底排除氣體和水份是不可能的，也是不經(jīng)濟(jì)的，實(shí)際生產(chǎn)中，真空度最高只到1．33×10－1Pa。通過(guò)兩種途徑解決這個(gè)問(wèn)題，一是利用液體介質(zhì)的溶氣能力將殘存的氣體溶解；二是在注入液體介質(zhì)的同時(shí)，繼續(xù)抽真空。隨著全膜電容器的電場(chǎng)強(qiáng)度的提高，必須采用邊注油邊抽真空的方法。
前面已經(jīng)分析過(guò)，薄膜之間具有靜電吸附作用，要使液體介質(zhì)充分滲透到薄膜之間確實(shí)很困難，但是壓力浸漬工藝的應(yīng)用有效地解決了浸漬問(wèn)題。目前，實(shí)際應(yīng)用中的壓力浸漬工藝有兩種方式；一種是油位差壓力浸漬；另一種是利用外力的壓力浸漬。
油位差壓力浸漬如圖2所示。其高度差通常只有3m左右，因此壓力只有0．3MPa左右，而且頂上的儲(chǔ)油罐必須破空。油位差壓力浸漬工藝時(shí)間較長(zhǎng)。
利用外力的壓力浸漬如圖3所示。其壓力可任意調(diào)節(jié)，可利用強(qiáng)壓力進(jìn)行浸漬，而且不需破空，油路處于密封狀態(tài)。由于利用了強(qiáng)壓力，因此浸漬徹底，而且工藝時(shí)間較短。
如果壓力浸漬工藝效果能進(jìn)一步提高，則對(duì)聚丙烯薄膜的粗化要求可以降低，進(jìn)而使薄膜的性能提高，提高產(chǎn)品可靠性。
5結(jié)論
全膜電容器的技術(shù)水平的提高，必須重點(diǎn)研究解決以下四個(gè)方面的問(wèn)題：
①聚丙烯薄膜的性能必須提高，尤其是厚度規(guī)格小的薄膜，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的提高，薄膜的介電強(qiáng)度和電弱點(diǎn)尤其重要；
②電容器結(jié)構(gòu)的選擇必須綜合考慮材料的性能和工藝水平；
③真空浸漬過(guò)程必須實(shí)現(xiàn)邊注油邊抽真空；
④壓力浸漬的效果必須進(jìn)一步提高，以降低薄膜粗糙度，提高薄膜性能。
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