膜電力電容器及其發展
時間:2014-06-20 點擊:2474 次

 

膜電力電容器及其發展
 
摘要: 從介質材料、結構、工藝等方面介紹了全膜發展及桂容廠全膜電容器生產技術特點,并結合實際工作經驗提出了全膜電容器的技術重點研究方向。電力電容器
1概述
20世紀60年代后期,隨著聚丙烯電工薄膜的出現,電力電容器很快地從全紙介質經過紙膜復合介質向全膜介質發展,產生了全膜電力電容器。歐美發達國家在 20世紀80年代初就已經實現了全膜化,而當時我國才開始進行全膜電容器研究。20世紀80年代中后期,我國的主要電容器生產企業(桂林電力電容器廠、西安電力電容器廠、上海電機廠電容器分廠)分別從美國通用電氣公司(GE)、愛迪生公司和西屋公司引進了全膜電容器制造技術和關鍵設備,經過消化吸收和改進,我國在20世紀90年代中期也實現了全膜化。
全膜電容器具有以下優點:
①擊穿場強高(平均值達240MV/m),局部放電電壓高,絕緣裕度大;
②介質損耗低(平均水平為0.03%),消耗有功少,發熱少,節能,而且運行溫升低,產品壽命長;
③比特性好(平均為0.2kg/kvar),重量輕,體積小;
④運行安全可靠。由于薄膜一旦擊穿,擊穿點可靠短路,避免發生由于紙介質擊穿碳化造成擊穿點接觸不良而反復放電造成電容器爆裂的嚴重故障。
由于全膜電容器的顯著特點,因此,一出現就得到了的推廣應用,產品也得到了不斷的發展。目前,先進國家的全膜電容器的設計場強已達到了80MV/m,比特性已達到了0.1kg/kvar。我國的制造企業也正在努力研究、提高全膜電容器的技術水平。
本文就主要影響全膜電容器技術水平的三個主要因素,介質材料、結構、工藝進行簡要分析。
2介質材料
全膜電容器的固體介質材料是聚丙烯薄膜,液體介質材料是芳香烴類的混合油,目前大多數企業使用芐基甲苯、苯基乙苯基乙烷,也有少數企業用二芳基乙烷。
2.1聚丙烯薄膜
聚丙烯薄膜最早由GE公司在20世紀70年代初應用在電容器上,而且GE公司首創了電力電容器用聚丙烯薄膜生產技術(管膜法)。此后,西歐出現了平膜法生產技術。目前,我國引進了10多條管膜法和平膜法生產線,可以生產粗化膜(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4μm,全膜電容器所用的膜厚通常在10μm以上。
經過20多年的發展,國產的聚丙烯薄膜性能與先進國家的已經處于同一水平上,無論是電性能、機械性能還是工藝性能都基本接近,有的性能甚至超過先進國家的水平。以國內電容器生產企業常用的15μm厚的粗化膜為例,國產膜與進口膜性能比較列于表1。
隨著全膜電容器技術水平的提高,厚度薄的聚丙烯薄膜的應用越來越大,例如12μm及以下的薄膜將占主導地位。厚度減少后,薄膜制造廠的質量控制難度將會增大,當然薄膜的性能穩定性也會受影響。從國家標準GB/T12802-1996《電容器用聚丙烯薄膜》的規定中可見,12μm膜的(元件法)直流介電強度中值比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,電弱點越多,接 GB/T12802-1996的規定,12μm以上的薄膜電弱點≤0.5個/m2,而10μm的≤0.6個/m2。如果按2m2/kvar計算,則一臺200kvar電容器可能會有多達200個的電弱點,即200個絕緣缺陷。對于高場強電容器,由于運行的場強提高了,選用更薄的薄膜,電容器的損壞幾率也會提高。因此,聚丙烯薄膜的性能必須得到提高以后才能應用到更高電場強度(60MV/m以上)的全膜電容器。實際上,某些廠家薄膜的性能指標,比如介電強度和電弱點遠高于國標要求值,只是在質量穩定性上需加強控制,即可滿足高場強電容器的要求。
從試驗的統計得出,降低粗糙度可有效提高薄膜的電氣強度,減少電弱點。隨著電容器生產工藝的提高和液體介質的發展,浸漬問題已經得到解決。因此,為了提高薄膜的介電強度和減少電弱點,應該使用單面粗化膜或粗糙度更小的薄膜生產高場強全膜電容器。即薄膜制造企業今后應重點控制介電強度和電弱點這兩個指標。
2.2液體介質
液體介質應滲透到電容器固體介質內的所有空隙,消除產品內的殘存氣體,提高產品局放性能。因此,對液體介質的基本要求有三個方面:
①介電強度高,一般要求達到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。
如果用于生產高場強電容器時,液體介質中還必須加入添加劑,以提高液體介質的抗老化性能。
3結構
全膜電容器主要有兩種基本結構,一種是隱箔式結構(也叫引線片式結構,如圖1a),另一種是凸箔式結構(如圖1b)。
為了改善電極的邊緣電場畸變,非凸出的鋁箔電極邊緣通常進行折邊處理,尤其在凸箔式結構中普遍采用。由于隱箔式結構需要引線片引出電極,存在接觸電阻和尖角,而且不適宜進行折邊處理,因此,隨著場強的提高,已逐漸淘汰,現基本采用凸箔式帶折邊的結構。
固體介質通常由兩層或三層粗化的聚丙烯薄膜組成。介質的厚度對電極邊緣的電場畸變有影響,因此在選擇時要注意。
電極邊緣的電場強度Ee可按下式計算:
式中:εm—固體介質相對介電常數;
εy—液體介質相對介電常數;
d—電極間距離;
δ—鋁箔電極厚度;
E—均勻處的電場強度
從(1)式中可見,鋁箔折邊,相當于使δ增加一倍,因此,使邊緣電場下降到折邊前的
(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,會使電極間的距離d增大,從而使邊緣電場畸變加劇,不利于產品運行。
實際應用中,有的企業為了減少產品的串聯數,提高了元件電壓,在基本保持電場強度(E)不變的情況下,選擇了較厚的薄膜或選擇三層膜結構。理論和試驗數據表明,這種結構的局部放電性能最差,實際的運行損壞情況也證明了這一點。另外,有的企業為了降低薄膜弱點重合的概率,選擇三層膜結構;從理論上分析,三層膜結構確實可以減少弱點重合的概率,但三層膜結構勢必要使用厚度更薄的薄膜,薄膜的性能(介電強度、電弱點)將會影響其效果,甚至適得其反。三層膜結構即使可以減少弱點重合概率,實際應用中還有一個因素必須考慮。在產品進行出廠耐壓試驗時,極間施加2.15Un的試驗電壓,如果三層膜中的一層存在電弱點時,所有電壓加在另外兩層膜上,以等厚的三層膜設計場強為55MV/m分析,其試驗耐受場強由118MV/m只上升到177MV/m,而薄膜浸油后的擊穿場強通常在200MV/m以上,即此臺電容器有可能通過出廠試驗而將隱患帶到電網中。兩膜結構時,若其中一層存在電弱點時,其試驗耐受場強將上升到 236MV/m,即出廠試驗時就可將有弱點的產品挑出,而保證出廠產品的質量。實際應用中,三層膜結構的產品出廠合格率確實高于兩膜結構,但其早期損壞率也高于兩膜結構的產品。
無論是兩層膜結構還是三層膜結構,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方面的工藝:機加工工藝;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工藝。機加工工藝只影響產品外觀質量,油處理工藝影響液體介質的性能和質量。下面重點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,利用卷制機,將固體介質材料(聚丙烯薄膜)和電極材料(鋁箔)卷制成為元件的過程。
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品質量的最主要因素,尤其對全膜電容器而言,由于薄膜具有靜電吸附的作用,很容易吸附環境中的塵埃。如果吸附的是導電性顆粒,會使極間電場畸變或產生浮動電位從而使介質擊穿;如果吸附的是非導電性顆粒,顆粒在電場作用下會首先擊穿從而使介質也擊穿。
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的水份和氣體排除后,注入合格的液體介質的過程。
真空浸漬工藝要解決兩個關鍵問題,一是如何盡可能地排除水份和氣體;二是如何使液體介質能夠充分滲透產品內的所有空隙。
根據真空理論,真空度越高,氣體的排除越徹底。但是,即使把真空度提高到1.33×10-1 Pa,空隙的氣體分子密度仍高達3.2×1016個/m3,如果進一步提高到1.33×10-4Pa,氣體密度仍達到3.2×1013個/m3。再加上真空罐內表面和產品表面的吸附氣體,想通過抽真空的辦法徹底排除氣體和水份是不可能的,也是不經濟的,實際生產中,真空度最高只到1.33×10-1Pa。通過兩種途徑解決這個問題,一是利用液體介質的溶氣能力將殘存的氣體溶解;二是在注入液體介質的同時,繼續抽真空。隨著全膜電容器的電場強度的提高,必須采用邊注油邊抽真空的方法。
前面已經分析過,薄膜之間具有靜電吸附作用,要使液體介質充分滲透到薄膜之間確實很困難,但是壓力浸漬工藝的應用有效地解決了浸漬問題。目前,實際應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,而且頂上的儲油罐必須破空。油位差壓力浸漬工藝時間較長。
利用外力的壓力浸漬如圖3所示。其壓力可任意調節,可利用強壓力進行浸漬,而且不需破空,油路處于密封狀態。由于利用了強壓力,因此浸漬徹底,而且工藝時間較短。
如果壓力浸漬工藝效果能進一步提高,則對聚丙烯薄膜的粗化要求可以降低,進而使薄膜的性能提高,提高產品可靠性。
5結論
全膜電容器的技術水平的提高,必須重點研究解決以下四個方面的問題:
①聚丙烯薄膜的性能必須提高,尤其是厚度規格小的薄膜,隨著電場強度的提高,薄膜的介電強度和電弱點尤其重要;
②電容器結構的選擇必須綜合考慮材料的性能和工藝水平;
③真空浸漬過程必須實現邊注油邊抽真空;
④壓力浸漬的效果必須進一步提高,以降低薄膜粗糙度,提高薄膜性能。
 
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