膜電力電容器發(fā)展的論文
摘要：從介質(zhì)材料、結構、工藝等方面介紹了全膜電力電容器的發(fā)展及桂容廠(chǎng)全膜電容器生產(chǎn)技術(shù)特點(diǎn)，并結合實(shí)際工作經(jīng)驗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60年代后期，隨著(zhù)聚丙烯電工薄膜的出現，電力電容器很快地從全紙介質(zhì)經(jīng)過(guò)紙膜復合介質(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)達國家在20世紀80年代初就已經(jīng)實(shí)現了全膜化，而當時(shí)我國才開(kāi)始進(jìn)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(chǎn)企業(yè)（桂林電力電容器廠(chǎng)、西安電力電容器廠(chǎng)、上海電機廠(chǎng)電容器分廠(chǎng)）分別從美國通用電氣公司（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)鍵設備，經(jīng)過(guò)消化吸收和改進(jìn)，我國在20世紀90年代中期也實(shí)現了全膜化。
全膜電容器具有以下優(yōu)點(diǎn)：
�、贀舸﹫�(chǎng)強高（平均值達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，節能，而且運行溫升低，產(chǎn)品壽命長(cháng)；
�、郾忍匦院茫ㄆ骄鶠�0．2kg／kvar），重量輕，體積��；
�、苓\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)接觸不良而反復放電造成電容器爆裂的嚴重故障。
由于全膜電容器的顯著(zhù)特點(diǎn)，因此，一出現就得到了的推廣應用，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計場(chǎng)強已達到了80MV／m，比特性已達到了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(gè)主要因素，介質(zhì)材料、結構、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(lèi)的混合油，目前大多數企業(yè)使用芐基甲苯、苯基乙苯基乙烷，也有少數企業(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70年代初應用在電容器上，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(xiàn)，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(wú)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(guò)先進(jìn)國家的水平。以國內電容器生產(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(zhù)全膜電容器技術(shù)水平的提高，厚度薄的聚丙烯薄膜的應用越來(lái)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(chǎng)的質(zhì)量控制難度將會(huì )增大，當然薄膜的性能穩定性也會(huì )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(jiàn)，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(diǎn)越多，接GB／T12802－1996的規定，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計算，則一臺200kvar電容器可能會(huì )有多達200個(gè)的電弱點(diǎn)，即200個(gè)絕緣缺陷。對于高場(chǎng)強電容器，由于運行的場(chǎng)強提高了，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用到更高電場(chǎng)強度（60MV／m以上）的全膜電容器。實(shí)際上，某些廠(chǎng)家薄膜的性能指標，比如介電強度和電弱點(diǎn)遠高于國標要求值，只是在質(zhì)量穩定性上需加強控制，即可滿(mǎn)足高場(chǎng)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(diǎn)。隨著(zhù)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度和減少電弱點(diǎn)，應該使用單面粗化膜或粗糙度更小的薄膜生產(chǎn)高場(chǎng)強全膜電容器。即薄膜制造企業(yè)今后應重點(diǎn)控制介電強度和電弱點(diǎn)這兩個(gè)指標。
2．2液體介質(zhì)
液體介質(zhì)應滲透到電容器固體介質(zhì)內的所有空隙，消除產(chǎn)品內的殘存氣體，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(gè)方面：
�、俳殡姀姸雀�，一般要求達到60kV／2．5mm以上；
�、谖鰵庑院�，能夠溶解和吸收更多氣體；
�、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(mǎn)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(xiàn)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(chǎng)畸變，非凸出的鋁箔電極邊緣通常進(jìn)行折邊處理，尤其在凸箔式結構中普遍采用。由于隱箔式結構需要引線(xiàn)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(zhù)場(chǎng)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(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(chǎng)畸變有影響，因此在選擇時(shí)要注意。
電極邊緣的電場(chǎng)強度Ee可按下式計算：
式中：εm—固體介質(zhì)相對介電常數；
εy—液體介質(zhì)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(chǎng)強度
從（1）式中可見(jiàn)，鋁箔折邊，相當于使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)品運行。
實(shí)際應用中，有的企業(yè)為了減少產(chǎn)品的串聯(lián)數，提高了元件電壓，在基本保持電場(chǎng)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(shí)際的運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，選擇三層膜結構；從理論上分析，三層膜結構確實(shí)可以減少弱點(diǎn)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(diǎn)）將會(huì )影響其效果，甚至適得其反。三層膜結構即使可以減少弱點(diǎn)重合概率，實(shí)際應用中還有一個(gè)因素必須考慮。在產(chǎn)品進(jìn)行出廠(chǎng)耐壓試驗時(shí)，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(diǎn)時(shí)，所有電壓加在另外兩層膜上，以等厚的三層膜設計場(chǎng)強為55MV／m分析，其試驗耐受場(chǎng)強由118MV／m只上升到177MV／m，而薄膜浸油后的擊穿場(chǎng)強通常在200MV／m以上，即此臺電容器有可能通過(guò)出廠(chǎng)試驗而將隱患帶到電網(wǎng)中。兩膜結構時(shí)，若其中一層存在電弱點(diǎn)時(shí)，其試驗耐受場(chǎng)強將上升到236MV／m，即出廠(chǎng)試驗時(shí)就可將有弱點(diǎn)的產(chǎn)品挑出，而保證出廠(chǎng)產(chǎn)品的質(zhì)量。實(shí)際應用中，三層膜結構的產(chǎn)品出廠(chǎng)合格率確實(shí)高于兩膜結構，但其早期損壞率也高于兩膜結構的產(chǎn)品。
無(wú)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(gè)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(zhuān)業(yè)工藝。機加工工藝只影響產(chǎn)品外觀(guān)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，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(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1．33×10－1Pa，空隙的氣體分子密度仍高達3．2×1016個(gè)／m3，如果進(jìn)一步提高到1．33×10－4Pa，氣體密度仍達到3．2×1013個(gè)／m3。再加上真空罐內表面和產(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)，繼續抽真空。隨著(zhù)全膜電容器的電場(chǎng)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(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用有效地解決了浸漬問(wèn)題。目前，實(shí)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(shí)間較長(cháng)。
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(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(shí)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：
�、倬郾┍∧さ男阅鼙仨毺岣�，尤其是厚度規格小的薄膜，隨著(zhù)電場(chǎng)強度的提高，薄膜的介電強度和電弱點(diǎn)尤其重要；
�、陔娙萜鹘Y構的選擇必須綜合考慮材料的性能和工藝水平；
�、壅婵战䴘n過(guò)程必須實(shí)現邊注油邊抽真空；
�、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。
【膜電力電容器發(fā)展的論文】相關(guān)文章：
電力電容器差壓保護論文06-16
電力對農業(yè)發(fā)展的幫助論文05-30
電力系統與電力市場(chǎng)關(guān)系及發(fā)展前景論文05-06
電力技術(shù)發(fā)展和電力生產(chǎn)安全探討論文05-25