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      2. 膜電力電容器發(fā)展的論文

        時間:2021-02-06 14:28:49 論文 我要投稿

        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,并結(jié)合實際工作經(jīng)驗提出了全膜電容器的技術(shù)重點研究方向。

        膜電力電容器發(fā)展的論文

          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)國家在20世紀(jì)80年代初就已經(jīng)實現(xiàn)了全膜化,而當(dāng)時我國才開始進(jìn)行全膜電容器研究。20世紀(jì)80年代中后期,我國的主要電容器生產(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(jìn)了全膜電容器制造技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備,經(jīng)過消化吸收和改進(jìn),我國在20世紀(jì)90年代中期也實現(xiàn)了全膜化。

          全膜電容器具有以下優(yōu)點:

         、贀舸﹫鰪姼撸ㄆ骄颠_(dá)240MV/m),局部放電電壓高,絕緣裕度大;

         、诮橘|(zhì)損耗低(平均水平為0.03%),消耗有功少,發(fā)熱少,節(jié)能,而且運行溫升低,產(chǎn)品壽命長;

         、郾忍匦院茫ㄆ骄鶠0.2kg/kvar),重量輕,體積小;

         、苓\行安全可靠。由于薄膜一旦擊穿,擊穿點可靠短路,避免發(fā)生由于紙介質(zhì)擊穿碳化造成擊穿點接觸不良而反復(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,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)國家的全膜電容器的設(shè)計場強已達(dá)到了80MV/m,比特性已達(dá)到了0.1kg/kvar。我國的制造企業(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)水平的三個主要因素,介質(zhì)材料、結(jié)構(gòu)、工藝進(jìn)行簡要分析。

          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20多年的發(fā)展,國產(chǎn)的聚丙烯薄膜性能與先進(jìn)國家的已經(jīng)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(jìn)國家的水平。以國內(nèi)電容器生產(chǎn)企業(yè)常用的15μm厚的粗化膜為例,國產(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)量控制難度將會增大,當(dāng)然薄膜的性能穩(wěn)定性也會受影響。從國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12802-1996《電容器用聚丙烯薄膜》的規(guī)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(guī)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(dá)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(yīng)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(biāo),比如介電強度和電弱點遠(yuǎn)高于國標(biāo)要求值,只是在質(zhì)量穩(wěn)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(tǒng)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(chǎn)工藝的提高和液體介質(zhì)的發(fā)展,浸漬問題已經(jīng)得到解決。因此,為了提高薄膜的介電強度和減少電弱點,應(yīng)該使用單面粗化膜或粗糙度更小的薄膜生產(chǎn)高場強全膜電容器。即薄膜制造企業(yè)今后應(yīng)重點控制介電強度和電弱點這兩個指標(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,對液體介質(zhì)的基本要求有三個方面:

         、俳殡姀姸雀,一般要求達(dá)到60kV/2.5mm以上;

         、谖鰵庑院茫軌蛉芙夂臀崭鄽怏w;

         、壅扯鹊,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)高場強電容器時,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,隨著場強的提高,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(zhì)相對介電常數(shù);

          εy—液體介質(zhì)相對介電常數(shù);

          d—電極間距離;

          δ—鋁箔電極厚度;

          E—均勻處的電場強度

          從(1)式中可見,鋁箔折邊,相當(dāng)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(chǎn)品運行。

          實際應(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,在基本保持電場強度(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)。理論和試驗數(shù)據(jù)表明,這種結(jié)構(gòu)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(yè)為了降低薄膜弱點重合的概率,選擇三層膜結(jié)構(gòu);從理論上分析,三層膜結(jié)構(gòu)確實可以減少弱點重合的概率,但三層膜結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)即使可以減少弱點重合概率,實際應(yīng)用中還有一個因素必須考慮。在產(chǎn)品進(jìn)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(shè)計場強為55MV/m分析,其試驗?zāi)褪軋鰪娪?18MV/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(wǎng)中。兩膜結(jié)構(gòu)時,若其中一層存在電弱點時,其試驗?zāi)褪軋鰪妼⑸仙?36MV/m,即出廠試驗時就可將有弱點的產(chǎn)品挑出,而保證出廠產(chǎn)品的質(zhì)量。實際應(yīng)用中,三層膜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品出廠合格率確實高于兩膜結(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(yè)工藝。機加工工藝只影響產(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,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,會使極間電場畸變或產(chǎn)生浮動電位從而使介質(zhì)擊穿;如果吸附的是非導(dǎo)電性顆粒,顆粒在電場作用下會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)的過程。

          真空浸漬工藝要解決兩個關(guān)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(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/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/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)濟的,實際生產(chǎn)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(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,繼續(xù)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(jīng)分析過,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很困難,但是壓力浸漬工藝的應(yīng)用有效地解決了浸漬問題。目前,實際應(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(diào)節(jié),可利用強壓力進(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(jìn)一步提高,則對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,必須重點研究解決以下四個方面的問題:

         、倬郾┍∧さ男阅鼙仨毺岣,尤其是厚度規(guī)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(jié)構(gòu)的選擇必須綜合考慮材料的性能和工藝水平;

          ③真空浸漬過程必須實現(xiàn)邊注油邊抽真空;

         、軌毫䴘n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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