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低压自愈式并联电容器的研究探讨

更新时间:2021-10-14  |  点击率:1214
  程志芳
 
  安科瑞电气股份有限公司  上海嘉定  201801
 
  摘要:低压无功补偿控制是配电网降损节能的主要措施,是配电网的一个重要组成部分,对提高功率因数、保证供电质量、降低能耗、增强供电安全性起到重要作用,市场容量相当大,同时民用供配电也占有很大的比重。BSMJ型低压自愈式并联电容器作为无功补偿的重要元器件,具有不可替代的作用,本文着重于BSMJ型电容器的结构设计、工艺特点、性能、质量、技术特性及产品研发、制造、使用等方面将作出初步的探讨。
 
  关键词:BSMJ型;自愈;无功补偿控制;并联电容器
 
  引言
 
  低压配电系统的无功补偿中,BSMJ型电容器被广泛应用,但普遍存在着早期失效率高,使用寿命短等质量问题。我国电力电容器制造行业单就生产设备、原材料和技术来说,并不比国际上先进水平逊色,该类产品的需求量在逐年增加,其国产化进程不断加快。
 
  本文主要针对某公司BSMJ型电容器在应用过程中存在的质量问题进行了分析,并对产品的设计进行优化与探讨;在生产工艺中,通过加强工艺过程控制、调整工艺参数等改进措施的实施,电容器的寿命性能得到了提高,产品符合技术要求且通过各项型式试验。
 
  1 BSMJ型电容器的设计过程
 
  1.1存在的问题
 
  1.1.1早期失效率高
 
  (1)采用的薄膜质量差、设计场强又高,金属层方阻控制不好,电容器会因击穿-自愈-再击穿,鼓肚失效。
 
  (2)局部放电严重:生产工艺不良,电容器内水份含量高,局部放电严重,会造成薄膜介质早期老化击穿。
 
  (3)端头接触层不良导致性能恶化,tanδ增大:电容器在长期交流负载下和瞬时电流的冲击之后,接触电阻增加,导致整个电容器损耗增加,以至开路。端头接触性能好坏与很多因素有关,如电极金属材料、温度、喷金层的材料,工艺、原件的卷绕情况、热处理工艺及浸渍剂的性能等有关。
 
  1.1.2使用寿命不如预期的长
 
  (1)电容器各相电容值不平衡,产品在运行过程中因补偿不当容量损耗受损,影响产品使用寿命。
 
  (2)电容器的设计不符合所要求的工作环境,使电容器的电容值衰减、介质损耗角正切值增大、绝缘性能下降等参数的恶化,对电容器的使用寿命有极为显著的影响。
 
  (3)浸渍剂因使用不当或处理效果不好,导致水分含量多,水分在电流的作用下对薄膜的金属层进行氧化和腐蚀,引起产品的容量值下降,损耗上升,产品的寿命缩短。
 
  针对以上存在的问题,我们在结构的设计上对金属化薄膜的选取、心子结构和引出方式、浸渍剂的使用以及采用过压力防爆保护装置方面的分析与探讨,得到了较为满意的效果。
 
  1.2金属化薄膜的选取
 
  (1)采用聚丙烯薄膜为电介质,金属化锌铝合金镀层为电极。
 
  金属化膜电容器采用聚丙烯薄膜为介质,自愈性能*,耐电强度高,储能因数大。铝金属化膜制成电容器之后,在交流电压下电容器里的金属化层发生氧化,引起严重的电容损失,限制了电容器的使用寿命;锌金属化膜虽然对电化学腐蚀不敏感,但对于大气腐蚀却很敏感,因而极易分解而损坏。金属化锌铝合金膜,克服了纯锌膜和纯铝膜的缺点。锌铝合金在聚丙烯薄膜上先镀一层铝,紧接着再蒸镀一层锌。由于两种金属原子会相互扩散,下层的铝原子会穿过上层的锌向镀层表面扩散,到达锌层表面的铝增强了上层锌层抗大气腐蚀的能力。另外锌铝合金膜中的主要成分是锌,因此在长期交流负载下电容量的下降与纯锌膜相同,克服了铝膜在长期运行中电容下降的缺点。
 
  (2)为提高电容器的抗涌流、抗电能力,采用了边缘加厚技术,增加喷金层与金属化极板的结合强度,减小喷金层与金属层的接触电阻,电容器自身能耗降低。
 
  (3)为了改善薄膜的耐温性,必须对聚丙烯性能进行温度改性。例如:增加α晶型晶体含量,减小β晶型含量;提高等规度和结晶度、增加了添加剂,提高了膜的耐温性等。
 
  1.3设计心子结构和引出方式
 
  为适应大电流冲击和提高电容器心子的机械强度,确定了较为合理的方阻,改进了心子的结构和引出方式,从而提高了产品的性能,质量和效率。某公司根据生产实际情况,选用现有的外壳、绝缘子、引出头和焊接等工艺手段,改进适合该电容器的外部密封结构,节省了投资,加快了试制进度,而且由于每一类型中不同容量的产品其安装尺寸和接地柱位置都是*相同的,因此地方便了用户的设计、安装和维修。
 
  1.4浸渍剂的使用
 
  电容器元件内添加浸渍剂主要是为了填充元件端面的空隙,改善产品局部放电现象,浸渍剂进入电容器心子两端后,有效阻止空气、水分侵入电容器心子。各生产厂家选用的浸渍剂种类不一样,某公司使用的是进口聚异丁烯等组份合成,有效地提高了电容器的局部放电起始场强、降低了金属化电极的腐蚀现象,使电容量损失明显减小,因此增加了产品的可靠性和使用寿命。电容器的外壳与元件之间,以阻燃物质充填,在电容器内部发生故障时,起灭弧、防火和隔热作用。
 
  1.5采用过压力防爆保护装置
 
  尽管产品的结构设计中,选用了较好的介质材料和浸渍料,并且着重提高介质的起始游离电场强度和击穿电场强高,以及选择适当的工作电场强度,采取必要的、严格的工艺措施,以及提高电容器心子本身的固有可靠性,但是,工艺上和使用上的偶然因素必定存在,即使这些因素可以排除,而交流金属化电容器在寿命终结时,往往以“鼓胀”、漏油、爆炸以致燃烧而告终,因此,对于这种中功率的电力电容器就不能不考虑他的防爆安全措施。
 
  过压力防爆保护装置见图1。过压力防爆保护装置是这种电容器防爆安全方法之一,作用是当电容器在某种因素下,内部压力过高时断开这种电容器的通路以达到防爆的目的。
 
图1电容器过压力防爆保护装置
 
  这种过压力防爆保护装置的作用原理是:当电容器内部压力升高时,外壳壁膨胀变形产生位移,当位移量达到一定的程度瞬间拉断铜保险片,接线端子电源被切断,起到了安全防爆的保护作用,见图2。如果电流切断是控制在电容器密封性破坏之前,电容器就不会爆炸和燃烧,更不会引起二次性的灾害了。
 
图2电容器过压力防爆保护示意图
 
  这种过压力防爆保护装置通常用于自愈式的金属化交流电容器中。能否正确起作用,关键取决于外壳在电容器寿命期间的密封性,他不是限流熔断器,不能取代电容器外部电路的保护措施。
 
  2 BSMJ型电容器的工艺特点
 
  为了使BSMJ型电容器符合产品标准和满足使用的要求,提高产品性能,设计时在工艺上主要有以下特点和措施:
 
  (1)元件在卷绕过程中,错边量、张力大小应符合工艺规定的参数,能够使喷金质量提高,便于焊接引线,降低接触电阻,减少损耗。
 
  (2)喷金工艺通过空气压力、喷枪距离、移动速度、电流等参数的调整,使喷金层与金属化膜接触牢靠,减少损耗值和热击穿、电击穿发生的概率,提高产品的使用寿命。
 
  (3)焊接时必须控制好焊接的时间、焊点的大小、焊接表面的平整度等焊接的状态,焊接质量不好,会造成接触电阻变大,增加电容器损耗,使电容器运行时发热量增多,电容器可能提前失效,达不到寿命要求。
 
  (4)调整热处理工艺的时间与温度,热处理时要确保烘箱内部温度分布循环均匀。能够较好地消除心子薄膜间隙,提高心子的紧密度和电容的稳定性,改善产品的电气性能。
 
  (5)电容器心子和心组采取了特殊绝缘措施,增加了心子和心组间的绝缘强度。
 
  (6)根据采用的介质和浸渍料,确定了较为合理的真空干燥和浸渍装配工艺,确保电容器在交流下的高绝缘性能,保证了电容器的电容量等级要求。
 
  (7)电容器的主要参数都有较高的内控标准,确保电容器的性能符合和优于有关标准。
 
  (8)制造过程中加强产品节点、工艺卫生等质量控制与信息反馈,关键工序由专人操作和检验。
 
  3 BSMJ型电容器的技术特性
 
  3.1基本参数
 
  额定频率Fn:50Hz;额定电压Un:0.25~0.525kV;额定电流In:20~100A;额定无功功率Qn:1~60kvar;相数:单相/三相;接法:三相接法为“△”形或“Y”形。
 
  3.2使用条件
 
  只有满足BSMJ型电容器的使用条件,才能保证电容器的使用寿命。使用条件为:海拔高度不超过2000m,环境温度范围是-25℃~+55℃。
 
  如果电容器的使用环境超过以上要求,电容器的寿命就会受影响。
 
  BSMJ型电容器在使用中负荷不能超过以下极限值:允许过电压为110%Un,允许过电流为130%In。
 
  3.3电容器的结构外形尺寸和规格
 
  (1)电容器的规格、额定电压、额定无功功率、额定频率和外形尺寸见表1。
 
  表1 BSMJ型电容器的外形尺寸和规格
 
(2)BSMJ型电容器的外形尺寸图号见图4。
 
  3.4技术要求
 
  为了验证BSMJ型电容器的结构设计和生产工艺是否正确合理,确定产品的使用寿命和可靠性[18],产品应符合以下技术要求。技术要求依据于GB/T12747—2017国家标准。
 
图3 BSMJ型电容器的外形尺寸图号
 
  (1)电容量允许偏差:±5%;相间大与小值之比≤1.08。
 
  (2)损耗角正切值:tanδ≤3×10-3。
 
  (3)电压试验:端子间交流电压:2.15Un.AC(r.m.s);端子与外壳间交流电压:3kV.AC(r.m.s)。
 
  (4)密封性试验:(70±2)℃,2h后不出现渗漏现象。
 
  (5)热稳定性试验:在(50±2)℃下,施加电压使电容器无功功率Q=1.44Qn48h,在后6h内温度增加不超过1℃,试验后ΔC/C≤±2%;tanδ≤2×10-4。
 
  (6)放电试验:电容器充上2Un.DC,10min内短路放电5次,试验后ΔC/C≤±2%;tanδ≤3×10-3。
 
  (7)破坏性试验。
 
  a在(50±2)℃下,保持8h,施加1.3Un.AC(r.m.s),并测量电流。
 
  b给端子间施加10Un.DC,使其发生击穿而短路(回路中直流短路电流应保持为300mA),并保持5s。
 
  c在发生短路的试品端子间施加1.3Un.AC(r.m.s),保持3min,再次测量电流。
 
  d如果在1.3Un下流经的电流为零或低于初始值的66%,则中断试验;否则重复以上步骤直至交流试验电流低于初始值的66%。
 
  e端子与外壳间施加1500VAC,历时10s。试验后,要求电容器逸出的液体材料不得成滴下落且外壳可以变形和损伤,但不能爆裂。
 
  (8)自愈性试验:试品能承受电压2.15Un.AC(r.m.s)或3.04Un.DC10s,如果击穿少于5次,则升高电压直至发生5次自愈击穿,或电压达到3.5Un.AC(r.m.s)或4.95Un.DC为止;当电压达到上述电压限值并历时10s后,自愈击穿少于5次,则可终止试验,试验后ΔC/C<0.5%;tanδ≤1.1tanδ0+1×10-4。
 
  (9)老化试验。
 
  a在(45±2)℃下,施加1.25Un.AC(rms),750h。
 
  b电容器充上2Un.DC,通过电感L=1000.μH/C.μF±20%,放电1000次,每次持续时间≥30s。
 
  c重复a的试验1次。
 
  试验中温度均保持在(45±2)℃。试验后,要求电容器无击穿、开路或闪络,试验后ΔC/C≤±3%、tanδ≤4×10-3、端子与外壳间3kV.AC(rms),密封性合格。
 
  3.5产品型式试验
 
  某公司于2018年10月制作5台BSMJ型电容器(BSMJ-0.45-50-3)产品,并委托国内检测机构进行型式试验,依据GB/T12747.1—2017《标称电压1kV及以下交流电力系统用自愈式并联电容器第1部分:总则》[19]和GB/T12747.2—2017《标称电压1kV及以下交流电力系统用自愈式并联电容器第2部分:老化试验、自愈性试验和破坏试验》[20]国家标准,产品目前已通过各项试验,现将关键试验项目加以说明。关键试验项目与产品编号见表2。
 
  表2关键试验项目与产品编号
 
3.5.1热稳定性试验
 
  (1)试验方法:见3.4技术要求中热稳定性试验。
 
  (2)试验数据:热稳定试验后,试验数据见表3。
 
  表3热稳定性试验数据
 
3.5.2自愈性试验
 
  (1)试验方法:见3.4技术要求中自愈性试验。
 
  (2)试验数据:自愈试验后,电容值变化及损耗角正切值见表4。
 
  表4自愈性试验数据
 
3.5.3破坏性试验
 
  (1)试验方法:见3.4技术要求中破坏性试验。
 
  (2)试验数据:破坏试验后,电流、电容值变化及试验情况见表5。
 
  表5破坏性试验数据
 
3.5.4老化试验
 
  (1)试验方法:见3.4技术要求中老化试验。
 
  (2)试验数据:老化试验后,详细试验数据见表6。
 
  表6老化试验数据
 
3.5.5试验结论
 
  该批试品一次性通过各项型式试验,这些良好的试验数据是和我们的产品设计、工艺过程的质量控制是分不开的。
 
  4 安科瑞AZC/AZCL智能集成式电容器介绍
 
  4.1产品概述
 
  AZC/AZCL系列智能电容器是应用于0.4kV、50Hz低压配电中用于节省能源、降低线损、提高功率因数和电能质量的新一代无功补偿设备。它由智能测控单元,晶闸管复合开关电路,线路保护单元,两台共补或一台分补低压电力电容器构成。可替代常规由熔丝、复合开关或机械式接触器、热继电器、低压电力电容器、指示灯等散件在柜内和柜面由导线连接而组成的自动无功补偿装置。具有体积更小,功耗更低,维护方便,使用寿命长,可靠性高的特点,适应现代电网对无功补偿的更高要求。
 
  AZC/AZCL系列智能电容器采用定式LCD液晶显示器,可显示三相母线电压、三相母线电流、三相功率因数、频率、电容器路数及投切状态、有功功率、无功功率、谐波电压总畸变率、电容器温度等。通过内部晶闸管复合开关电路,自动寻找投入(切除)点,实现过零投切,具有过压保护、缺相保护、过谐保护、过温保护等保护功能。
 
  4.2产品选型
 
  AZC系列智能电容器选型:
 
AZC系列智能电容器选型:
 
AZCL系列智能电容器选型:
 
4.3产品实物展示
 
ANBSMJ电容器 AZC系列智能电容模块 AZCL系列智能电容模块
 
安科瑞无功补偿装置智能电容方案
 
  5结语
 
  BSMJ型自愈式低压并联电容器用于50Hz交流电力系统改善功率因素的,与一般箔式并联电容器比较,具有自愈特性,体积小、重量轻、安装方便、耐过电压能力强,并且温度特性和频率特性好,寿命长等特点。采用了具有先进性和安全性的过压力防爆保护装置;内装自放电电阻,保证安全操作和减小冲击电流。生产工艺合理,符合有关规定要求;结构设计较为先进,符合使用要求,并从型式试验方面进行了验证,产品性能*达到了预期的设计要求。BSMJ型电容器广泛应用于电网输变电的关键设备,对于电子电容制造业来说,开拓了新的领域和市场,促使金属化电容器的生产技术水平提高到一个新的阶段,由于他是投资类的民用产品和为社会提供的无功节能产品,因而有较广阔较稳定的市场,有明显的经济效益和社会效益。
 
  【参考文献】
 
  [1]袁静,陈伟,江菊香,张丽梅.BSMJ型低压自愈式并联电容器的技术研究与探讨.电力电容器与无功补偿.2020-08-25
 
  [2]王成章.浅谈低压配电系统的无功补偿[J].电工文摘,2010(4):1-3.
 
  [3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.6版.