膜電力電容器及其發(fā)展

膜電力電容器及其發(fā)展摘要：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)鍵字：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(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(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??；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。隨著全膜電電容器技術(shù)水水平的提高，厚厚度薄的聚丙丙烯薄膜的應(yīng)應(yīng)用越來越大大，例如12μm及以下的薄薄膜將占主導(dǎo)導(dǎo)地位。厚度度減少后，薄薄膜制造廠的的質(zhì)量控制難難度將會(huì)增大，當(dāng)當(dāng)然薄膜的性性能穩(wěn)定性也也會(huì)受影響。從從國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T128002－1996《電容器用用聚丙烯薄膜膜》的規(guī)定中中可見，12μm膜的（元件件法）直流介介電強(qiáng)度中值比15μm的低20MV／m（6％），10μm膜的的比15μm膜的低30MV／m（10％）。更主主要的是薄膜膜越薄，電弱弱點(diǎn)越多，接接GB／T128002－1996的規(guī)定，12μm以上的薄膜膜電弱點(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)200kvvar電容器可能能會(huì)有多達(dá)200個(gè)的電弱點(diǎn)點(diǎn)，即200個(gè)絕緣缺陷陷。對(duì)于高場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)電容器，由由于運(yùn)行的場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)提高了，選選用更薄的薄薄膜，電容器器的損壞幾率率也會(huì)提高。因因此，聚丙烯烯薄膜的性能能必須得到提提高以后才能能應(yīng)用到更高高電場(chǎng)強(qiáng)度（60MV／m以上）的全全膜電容器。實(shí)實(shí)際上，某些些廠家薄膜的的性能指標(biāo)，比如介介電強(qiáng)度和電電弱點(diǎn)遠(yuǎn)高于于國(guó)標(biāo)要求值值，只是在質(zhì)質(zhì)量穩(wěn)定性上上需加強(qiáng)控制制，即可滿足足高場(chǎng)強(qiáng)電容容器的要求。從試驗(yàn)的的統(tǒng)計(jì)得出，降降低粗糙度可可有效提高薄薄膜的電氣強(qiáng)強(qiáng)度，減少電電弱點(diǎn)。隨著著電容器生產(chǎn)產(chǎn)工藝的提高高和液體介質(zhì)質(zhì)的發(fā)展，浸浸漬問題已經(jīng)經(jīng)得到解決。因因此，為了提高薄膜的的介電強(qiáng)度和和減少電弱點(diǎn)點(diǎn)，應(yīng)該使用用單面粗化膜膜或粗糙度更更小的薄膜生生產(chǎn)高場(chǎng)強(qiáng)全全膜電容器。即即薄膜制造企企業(yè)今后應(yīng)重重點(diǎn)控制介電電強(qiáng)度和電弱弱點(diǎn)這兩個(gè)指指標(biāo)。2．2液體介質(zhì)質(zhì)液體介介質(zhì)應(yīng)滲透到到電容器固體體介質(zhì)內(nèi)的所所有空隙，消消除產(chǎn)品內(nèi)的的殘存氣體，提提高產(chǎn)品局放放性能。因此此，對(duì)液體介介質(zhì)的基本要要求有三個(gè)方方面：①介電強(qiáng)度高高，一般要求求達(dá)到60kV／2．5mm以上；②析氣性好，能能夠溶解和吸吸收更多氣體體；③粘度低，能能夠充分浸漬漬和滲透聚丙丙烯薄膜。目前普遍遍使用的芐基基甲苯、苯基基乙苯基乙烷烷和二芳基乙乙烷都能滿足足以上要求，只只是二芳基乙乙烷的粘度較較高，低溫性性能稍差。如果用于于生產(chǎn)高場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)電容器時(shí)，液液體介質(zhì)中還還必須加入添添加劑，以提提高液體介質(zhì)質(zhì)的抗老化性性能。3結(jié)構(gòu)全膜膜電容器主要要有兩種基本本結(jié)構(gòu)，一種種是隱箔式結(jié)結(jié)構(gòu)（也叫引引線片式結(jié)構(gòu)構(gòu)，如圖1a），另一種種是凸箔式結(jié)結(jié)構(gòu)（如圖1b）。為了改善電電極的邊緣電電場(chǎng)畸變，非非凸出的鋁箔箔電極邊緣通通常進(jìn)行折邊邊處理，尤其其在凸箔式結(jié)結(jié)構(gòu)中普遍采采用。由于隱隱箔式結(jié)構(gòu)需需要引線片引引出電極，存存在接觸電阻阻和尖角，而而且不適宜進(jìn)進(jìn)行折邊處理理，因此，隨隨著場(chǎng)強(qiáng)的提提高，已逐漸漸淘汰，現(xiàn)基基本采用凸箔箔式帶折邊的的結(jié)構(gòu)。固體介質(zhì)通通常由兩層或或三層粗化的的聚丙烯薄膜膜組成。介質(zhì)質(zhì)的厚度對(duì)電電極邊緣的電電場(chǎng)畸變有影影響，因此在在選擇時(shí)要注注意。電電極邊緣的電電場(chǎng)強(qiáng)度Ee可按下式計(jì)計(jì)算：式中：εm—固體介質(zhì)相相對(duì)介電常數(shù)數(shù)；

εy—液體介質(zhì)相相對(duì)介電常數(shù)數(shù)；

d—電極間距離離；

δ—鋁箔電極厚厚度；

E—均勻處的電電場(chǎng)強(qiáng)度從（1）式中可見見，鋁箔折邊邊，相當(dāng)于使使δ增加一倍，因因此，使邊緣緣電場(chǎng)下降到到折邊前的（30%左右）。相相反，如果選選用較厚的聚聚丙烯薄膜或或選用三層聚聚丙烯薄膜時(shí)時(shí)，會(huì)使電極極間的距離d增大，從而而使邊緣電場(chǎng)場(chǎng)畸變加劇，不不利于產(chǎn)品運(yùn)運(yùn)行。實(shí)實(shí)際應(yīng)用中，有有的企業(yè)為了了減少產(chǎn)品的的串聯(lián)數(shù)，提提高了元件電電壓，在基本本保持電場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)度（E）不變的情情況下，選擇擇了較厚的薄薄膜或選擇三三層膜結(jié)構(gòu)。理理論和試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，這這種結(jié)構(gòu)的局局部放電性能能最差，實(shí)際際的運(yùn)行損壞壞情況也證明明了這一點(diǎn)。另另外，有的企企業(yè)為了降低低薄膜弱點(diǎn)重重合的概率，選選擇三層膜結(jié)結(jié)構(gòu)；從理論論上分析，三層膜結(jié)構(gòu)構(gòu)確實(shí)可以減減少弱點(diǎn)重合合的概率，但但三層膜結(jié)構(gòu)構(gòu)勢(shì)必要使用用厚度更薄的的薄膜，薄膜膜的性能（介介電強(qiáng)度、電電弱點(diǎn)）將會(huì)會(huì)影響其效果果，甚至適得得其反。三層層膜結(jié)構(gòu)即使可以以減少弱點(diǎn)重重合概率，實(shí)實(shí)際應(yīng)用中還還有一個(gè)因素素必須考慮。在在產(chǎn)品進(jìn)行出出廠耐壓試驗(yàn)驗(yàn)時(shí)，極間施施加2．15Un的試驗(yàn)電壓壓，如果三層膜中的的一層存在電電弱點(diǎn)時(shí)，所所有電壓加在在另外兩層膜膜上，以等厚厚的三層膜設(shè)設(shè)計(jì)場(chǎng)強(qiáng)為55MV／m分析，其試試驗(yàn)?zāi)褪軋?chǎng)強(qiáng)強(qiáng)由118MV／m只上升到177MMV／m，而薄膜浸浸油后的擊穿穿場(chǎng)強(qiáng)通常在在200MV／m以上，即此此臺(tái)電容器有有可能通過出出廠試驗(yàn)而將將隱患帶到電電網(wǎng)中。兩膜膜結(jié)構(gòu)時(shí)，若若其中一層存存在電弱點(diǎn)時(shí)，其試試驗(yàn)?zāi)褪軋?chǎng)強(qiáng)強(qiáng)將上升到236MV／m，即出廠試試驗(yàn)時(shí)就可將將有弱點(diǎn)的產(chǎn)產(chǎn)品挑出，而而保證出廠產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量。實(shí)實(shí)際應(yīng)用中，三三層膜結(jié)構(gòu)的的產(chǎn)品出廠合合格率確實(shí)高于兩膜結(jié)結(jié)構(gòu)，但其早早期損壞率也也高于兩膜結(jié)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品。無論是兩兩層膜結(jié)構(gòu)還還是三層膜結(jié)結(jié)構(gòu)，最好選選擇厚度相同同的薄膜。44工藝電力力電容器制造造包括四個(gè)方方面的工藝：：機(jī)加工工藝藝；元件卷制制工藝；真空空浸漬工藝和和油處理工藝藝。其中后三三者為電力電電容器的專業(yè)業(yè)工藝。機(jī)加加工工藝只影影響產(chǎn)品外觀觀質(zhì)量，油處處理工藝影響響液體介質(zhì)的的性能和質(zhì)量量。下面重點(diǎn)點(diǎn)分析元件卷卷制工藝和真真空浸漬工藝藝。4．1元件卷制制工藝元元件卷制是在在凈化間內(nèi)，利利用卷制機(jī)，將將固體介質(zhì)材材料（聚丙烯烯薄膜）和電電極材料（鋁鋁箔）卷制成成為元件的過過程。在在元件卷制工工藝中，潔凈凈度單位空間間中懸浮的塵塵埃的顆粒是是影響產(chǎn)品質(zhì)質(zhì)量的最主要要因素，尤其其對(duì)全膜電容容器而言，由由于薄膜具有有靜電吸附的的作用，很容容易吸附環(huán)境中的塵埃埃。如果吸附附的是導(dǎo)電性性顆粒，會(huì)使使極間電場(chǎng)畸畸變或產(chǎn)生浮浮動(dòng)電位從而而使介質(zhì)擊穿穿；如果吸附附的是非導(dǎo)電電性顆粒，顆顆粒在電場(chǎng)作作用下會(huì)首先先擊穿從而使使介質(zhì)也擊穿。4．2真空浸漬漬工藝真真空浸漬是利利用加熱抽真真空的方法將將電容器內(nèi)的的水份和氣體體排除后，注注入合格的液液體介質(zhì)的過過程。真真空浸漬工藝藝要解決兩個(gè)個(gè)關(guān)鍵問題，一一是如何盡可可能地排除水水份和氣體；；二是如何使使液體介質(zhì)能能夠充分滲透透產(chǎn)品內(nèi)的所所有空隙。根據(jù)真空空理論，真空空度越高，氣氣體的排除越越徹底。但是是，即使把真真空度提高到到1．33×100－1Pa，空隙的氣氣體分子密度度仍高達(dá)3．2×10166個(gè)／m3，如果進(jìn)一一步提高到1．33×100－4Pa，氣體密度度仍達(dá)到3．2×10133個(gè)／m3。再加上真真空罐內(nèi)表面面和產(chǎn)品表面面的吸附氣體體，想通過抽抽真空的辦法法徹底排除氣氣體和水份是是不可能的，也也是不經(jīng)濟(jì)的的，實(shí)際生產(chǎn)產(chǎn)中，真空度度最高只到1．33×100－1Pa。通過兩種種途徑解決這這個(gè)問題，一一是利用液體體介質(zhì)的溶氣氣能力將殘存存的氣體溶解解；二是在注注入液體介質(zhì)質(zhì)的同時(shí)，繼繼續(xù)抽真空。隨隨著全膜電容容器的電場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)度的提高，必必須采用邊注注油邊抽真空空的方法。前面已經(jīng)經(jīng)分析過，薄薄膜之間具有有靜電吸附作作用，要使液液體介質(zhì)充分分滲透到薄膜膜之間確實(shí)很很困難，但是是壓力浸漬工工藝的應(yīng)用有有效地解決了了浸漬問題。目目前，實(shí)際應(yīng)應(yīng)用中的壓力力浸漬工藝有有兩種方式；；一種是油位位差壓力浸漬漬；另一種是是利用外力的的壓力浸漬。油位差壓壓力浸漬如圖圖2所示。其高高度差通常只只有3m左右，因此此壓力只有0．3MPa左右，而且且頂上的儲(chǔ)油油罐必須破空空。油位差壓壓力浸漬工藝藝時(shí)間較長(zhǎng)。利用外力力的壓力浸漬漬如圖3所示。其壓壓力可任意調(diào)調(diào)節(jié)，可利用用強(qiáng)壓力進(jìn)行行浸漬，而且且不需破空，油油路處于密封封狀態(tài)。由于于利用了強(qiáng)壓壓力，因此浸浸漬徹底，而而且工藝時(shí)間間較短。如果壓力浸浸漬工藝效果果能進(jìn)一步提提高，則對(duì)聚聚丙烯薄膜的的粗化要求可可