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膜电力电容器及其发展
时间:2014-06-20 点击:1465 次

 

膜电力电容器及其发展
 
摘要: 从介质材料、结构、工艺等方面介绍了全膜发展及桂容厂全膜电容器生产技术特点,并结合实际工作经验提出了全膜电容器的技术重点研究方向。电力电容器
1概述
20世纪60年代后期,随着聚丙烯电工薄膜的出现,电力电容器很快地从全纸介质经过纸膜复合介质向全膜介质发展,产生了全膜电力电容器。欧美发达国家在 20世纪80年代初就已经实现了全膜化,而当时我国才开始进行全膜电容器研究。20世纪80年代中后期,我国的主要电容器生产企业(桂林电力电容器厂、西安电力电容器厂、上海电机厂电容器分厂)分别从美国通用电气公司(GE)、爱迪生公司和西屋公司引进了全膜电容器制造技术和关键设备,经过消化吸收和改进,我国在20世纪90年代中期也实现了全膜化。
全膜电容器具有以下优点:
①击穿场强高(平均值达240MV/m),局部放电电压高,绝缘裕度大;
②介质损耗低(平均水平为0.03%),消耗有功少,发热少,节能,而且运行温升低,产品寿命长;
③比特性好(平均为0.2kg/kvar),重量轻,体积小;
④运行安全可靠。由于薄膜一旦击穿,击穿点可靠短路,避免发生由于纸介质击穿碳化造成击穿点接触不良而反复放电造成电容器爆裂的严重故障。
由于全膜电容器的显著特点,因此,一出现就得到了的推广应用,产品也得到了不断的发展。目前,先进国家的全膜电容器的设计场强已达到了80MV/m,比特性已达到了0.1kg/kvar。我国的制造企业也正在努力研究、提高全膜电容器的技术水平。
本文就主要影响全膜电容器技术水平的三个主要因素,介质材料、结构、工艺进行简要分析。
2介质材料
全膜电容器的固体介质材料是聚丙烯薄膜,液体介质材料是芳香烃类的混合油,目前大多数企业使用苄基甲苯、苯基乙苯基乙烷,也有少数企业用二芳基乙烷。
2.1聚丙烯薄膜
聚丙烯薄膜最早由GE公司在20世纪70年代初应用在电容器上,而且GE公司首创了电力电容器用聚丙烯薄膜生产技术(管膜法)。此后,西欧出现了平膜法生产技术。目前,我国引进了10多条管膜法和平膜法生产线,可以生产粗化膜(单面粗化和双面粗化)和光膜(主要用于自愈式电容器),薄膜厚度最小可达4μm,全膜电容器所用的膜厚通常在10μm以上。
经过20多年的发展,国产的聚丙烯薄膜性能与先进国家的已经处于同一水平上,无论是电性能、机械性能还是工艺性能都基本接近,有的性能甚至超过先进国家的水平。以国内电容器生产企业常用的15μm厚的粗化膜为例,国产膜与进口膜性能比较列于表1。
随着全膜电容器技术水平的提高,厚度薄的聚丙烯薄膜的应用越来越大,例如12μm及以下的薄膜将占主导地位。厚度减少后,薄膜制造厂的质量控制难度将会增大,当然薄膜的性能稳定性也会受影响。从国家标准GB/T12802-1996《电容器用聚丙烯薄膜》的规定中可见,12μm膜的(元件法)直流介电强度中值比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,电弱点越多,接 GB/T12802-1996的规定,12μm以上的薄膜电弱点≤0.5个/m2,而10μm的≤0.6个/m2。如果按2m2/kvar计算,则一台200kvar电容器可能会有多达200个的电弱点,即200个绝缘缺陷。对于高场强电容器,由于运行的场强提高了,选用更薄的薄膜,电容器的损坏几率也会提高。因此,聚丙烯薄膜的性能必须得到提高以后才能应用到更高电场强度(60MV/m以上)的全膜电容器。实际上,某些厂家薄膜的性能指标,比如介电强度和电弱点远高于国标要求值,只是在质量稳定性上需加强控制,即可满足高场强电容器的要求。
从试验的统计得出,降低粗糙度可有效提高薄膜的电气强度,减少电弱点。随着电容器生产工艺的提高和液体介质的发展,浸渍问题已经得到解决。因此,为了提高薄膜的介电强度和减少电弱点,应该使用单面粗化膜或粗糙度更小的薄膜生产高场强全膜电容器。即薄膜制造企业今后应重点控制介电强度和电弱点这两个指标。
2.2液体介质
液体介质应渗透到电容器固体介质内的所有空隙,消除产品内的残存气体,提高产品局放性能。因此,对液体介质的基本要求有三个方面:
①介电强度高,一般要求达到60kV/2.5mm以上;
②析气性好,能够溶解和吸收更多气体;
③粘度低,能够充分浸渍和渗透聚丙烯薄膜。
目前普遍使用的苄基甲苯、苯基乙苯基乙烷和二芳基乙烷都能满足以上要求,只是二芳基乙烷的粘度较高,低温性能稍差。
如果用于生产高场强电容器时,液体介质中还必须加入添加剂,以提高液体介质的抗老化性能。
3结构
全膜电容器主要有两种基本结构,一种是隐箔式结构(也叫引线片式结构,如图1a),另一种是凸箔式结构(如图1b)。
为了改善电极的边缘电场畸变,非凸出的铝箔电极边缘通常进行折边处理,尤其在凸箔式结构中普遍采用。由于隐箔式结构需要引线片引出电极,存在接触电阻和尖角,而且不适宜进行折边处理,因此,随着场强的提高,已逐渐淘汰,现基本采用凸箔式带折边的结构。
固体介质通常由两层或三层粗化的聚丙烯薄膜组成。介质的厚度对电极边缘的电场畸变有影响,因此在选择时要注意。
电极边缘的电场强度Ee可按下式计算:
式中:εm—固体介质相对介电常数;
εy—液体介质相对介电常数;
d—电极间距离;
δ—铝箔电极厚度;
E—均匀处的电场强度
从(1)式中可见,铝箔折边,相当于使δ增加一倍,因此,使边缘电场下降到折边前的
(30%左右)。相反,如果选用较厚的聚丙烯薄膜或选用三层聚丙烯薄膜时,会使电极间的距离d增大,从而使边缘电场畸变加剧,不利于产品运行。
实际应用中,有的企业为了减少产品的串联数,提高了元件电压,在基本保持电场强度(E)不变的情况下,选择了较厚的薄膜或选择三层膜结构。理论和试验数据表明,这种结构的局部放电性能最差,实际的运行损坏情况也证明了这一点。另外,有的企业为了降低薄膜弱点重合的概率,选择三层膜结构;从理论上分析,三层膜结构确实可以减少弱点重合的概率,但三层膜结构势必要使用厚度更薄的薄膜,薄膜的性能(介电强度、电弱点)将会影响其效果,甚至适得其反。三层膜结构即使可以减少弱点重合概率,实际应用中还有一个因素必须考虑。在产品进行出厂耐压试验时,极间施加2.15Un的试验电压,如果三层膜中的一层存在电弱点时,所有电压加在另外两层膜上,以等厚的三层膜设计场强为55MV/m分析,其试验耐受场强由118MV/m只上升到177MV/m,而薄膜浸油后的击穿场强通常在200MV/m以上,即此台电容器有可能通过出厂试验而将隐患带到电网中。两膜结构时,若其中一层存在电弱点时,其试验耐受场强将上升到 236MV/m,即出厂试验时就可将有弱点的产品挑出,而保证出厂产品的质量。实际应用中,三层膜结构的产品出厂合格率确实高于两膜结构,但其早期损坏率也高于两膜结构的产品。
无论是两层膜结构还是三层膜结构,最好选择厚度相同的薄膜。
4工艺
电力电容器制造包括四个方面的工艺:机加工工艺;元件卷制工艺;真空浸渍工艺和油处理工艺。其中后三者为电力电容器的专业工艺。机加工工艺只影响产品外观质量,油处理工艺影响液体介质的性能和质量。下面重点分析元件卷制工艺和真空浸渍工艺。
4.1元件卷制工艺
元件卷制是在净化间内,利用卷制机,将固体介质材料(聚丙烯薄膜)和电极材料(铝箔)卷制成为元件的过程。
在元件卷制工艺中,洁净度单位空间中悬浮的尘埃的颗粒是影响产品质量的最主要因素,尤其对全膜电容器而言,由于薄膜具有静电吸附的作用,很容易吸附环境中的尘埃。如果吸附的是导电性颗粒,会使极间电场畸变或产生浮动电位从而使介质击穿;如果吸附的是非导电性颗粒,颗粒在电场作用下会首先击穿从而使介质也击穿。
4.2真空浸渍工艺
真空浸渍是利用加热抽真空的方法将电容器内的水份和气体排除后,注入合格的液体介质的过程。
真空浸渍工艺要解决两个关键问题,一是如何尽可能地排除水份和气体;二是如何使液体介质能够充分渗透产品内的所有空隙。
根据真空理论,真空度越高,气体的排除越彻底。但是,即使把真空度提高到1.33×10-1 Pa,空隙的气体分子密度仍高达3.2×1016个/m3,如果进一步提高到1.33×10-4Pa,气体密度仍达到3.2×1013个/m3。再加上真空罐内表面和产品表面的吸附气体,想通过抽真空的办法彻底排除气体和水份是不可能的,也是不经济的,实际生产中,真空度最高只到1.33×10-1Pa。通过两种途径解决这个问题,一是利用液体介质的溶气能力将残存的气体溶解;二是在注入液体介质的同时,继续抽真空。随着全膜电容器的电场强度的提高,必须采用边注油边抽真空的方法。
前面已经分析过,薄膜之间具有静电吸附作用,要使液体介质充分渗透到薄膜之间确实很困难,但是压力浸渍工艺的应用有效地解决了浸渍问题。目前,实际应用中的压力浸渍工艺有两种方式;一种是油位差压力浸渍;另一种是利用外力的压力浸渍。
油位差压力浸渍如图2所示。其高度差通常只有3m左右,因此压力只有0.3MPa左右,而且顶上的储油罐必须破空。油位差压力浸渍工艺时间较长。
利用外力的压力浸渍如图3所示。其压力可任意调节,可利用强压力进行浸渍,而且不需破空,油路处于密封状态。由于利用了强压力,因此浸渍彻底,而且工艺时间较短。
如果压力浸渍工艺效果能进一步提高,则对聚丙烯薄膜的粗化要求可以降低,进而使薄膜的性能提高,提高产品可靠性。
5结论
全膜电容器的技术水平的提高,必须重点研究解决以下四个方面的问题:
①聚丙烯薄膜的性能必须提高,尤其是厚度规格小的薄膜,随着电场强度的提高,薄膜的介电强度和电弱点尤其重要;
②电容器结构的选择必须综合考虑材料的性能和工艺水平;
③真空浸渍过程必须实现边注油边抽真空;
④压力浸渍的效果必须进一步提高,以降低薄膜粗糙度,提高薄膜性能。
 
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