程志芳
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：低壓無功補(bǔ)償控制是配電網(wǎng)降損節(jié)能的主要措施，是配電網(wǎng)的一個重要組成部分，對提高功率因數(shù)、保證供電質(zhì)量、降低能耗、增強(qiáng)供電安全性起到重要作用，市場容量相當(dāng)大，同時民用供配電也占有很大的比重。BSMJ型低壓自愈式并聯(lián)電容器作為無功補(bǔ)償?shù)闹匾骷哂胁豢商娲淖饔茫疚闹赜贐SMJ型電容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝特點(diǎn)、性能、質(zhì)量、技術(shù)特性及產(chǎn)品研發(fā)、制造、使用等方面將作出初步的探討。
關(guān)鍵詞：BSMJ型；自愈；無功補(bǔ)償控制；并聯(lián)電容器
引言
低壓配電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償中，BSMJ型電容器被廣泛應(yīng)用，但普遍存在著早期失效率高，使用壽命短等質(zhì)量問題。我國電力電容器制造行業(yè)單就生產(chǎn)設(shè)備、原材料和技術(shù)來說，并不比國際上先進(jìn)水平遜色，該類產(chǎn)品的需求量在逐年增加，其國產(chǎn)化進(jìn)程不斷加快。
本文主要針對某公司BSMJ型電容器在應(yīng)用過程中存在的質(zhì)量問題進(jìn)行了分析，并對產(chǎn)品的設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化與探討；在生產(chǎn)工藝中，通過加強(qiáng)工藝過程控制、調(diào)整工藝參數(shù)等改進(jìn)措施的實(shí)施，電容器的壽命性能得到了提高，產(chǎn)品符合技術(shù)要求且通過各項(xiàng)型式試驗(yàn)。
1 BSMJ型電容器的設(shè)計過程
1.1存在的問題
1.1.1早期失效率高
(1)采用的薄膜質(zhì)量差、設(shè)計場強(qiáng)又高，金屬層方阻控制不好，電容器會因擊穿-自愈-再擊穿，鼓肚失效。
(2)局部放電嚴(yán)重：生產(chǎn)工藝不良，電容器內(nèi)水份含量高，局部放電嚴(yán)重，會造成薄膜介質(zhì)早期老化擊穿。
(3)端頭接觸層不良導(dǎo)致性能惡化，tanδ增大：電容器在長期交流負(fù)載下和瞬時電流的沖擊之后，接觸電阻增加，導(dǎo)致整個電容器損耗增加，以至開路。端頭接觸性能好壞與很多因素有關(guān)，如電極金屬材料、溫度、噴金層的材料，工藝、原件的卷繞情況、熱處理工藝及浸漬劑的性能等有關(guān)。
1.1.2使用壽命不如預(yù)期的長
(1)電容器各相電容值不平衡，產(chǎn)品在運(yùn)行過程中因補(bǔ)償不當(dāng)容量損耗受損，影響產(chǎn)品使用壽命。
(2)電容器的設(shè)計不符合所要求的工作環(huán)境，使電容器的電容值衰減、介質(zhì)損耗角正切值增大、絕緣性能下降等參數(shù)的惡化，對電容器的使用壽命有極為顯著的影響。
(3)浸漬劑因使用不當(dāng)或處理效果不好，導(dǎo)致水分含量多，水分在電流的作用下對薄膜的金屬層進(jìn)行氧化和腐蝕，引起產(chǎn)品的容量值下降，損耗上升，產(chǎn)品的壽命縮短。
針對以上存在的問題，我們在結(jié)構(gòu)的設(shè)計上對金屬化薄膜的選取、心子結(jié)構(gòu)和引出方式、浸漬劑的使用以及采用過壓力防爆保護(hù)裝置方面的分析與探討，得到了較為滿意的效果。
1.2金屬化薄膜的選取
(1)采用聚丙烯薄膜為電介質(zhì)，金屬化鋅鋁合金鍍層為電極。
金屬化膜電容器采用聚丙烯薄膜為介質(zhì)，自愈性能*，耐電強(qiáng)度高，儲能因數(shù)大。鋁金屬化膜制成電容器之后，在交流電壓下電容器里的金屬化層發(fā)生氧化，引起嚴(yán)重的電容損失，限制了電容器的使用壽命；鋅金屬化膜雖然對電化學(xué)腐蝕不敏感，但對于大氣腐蝕卻很敏感，因而極易分解而損壞。金屬化鋅鋁合金膜，克服了純鋅膜和純鋁膜的缺點(diǎn)。鋅鋁合金在聚丙烯薄膜上先鍍一層鋁，緊接著再蒸鍍一層鋅。由于兩種金屬原子會相互擴(kuò)散，下層的鋁原子會穿過上層的鋅向鍍層表面擴(kuò)散，到達(dá)鋅層表面的鋁增強(qiáng)了上層鋅層抗大氣腐蝕的能力。另外鋅鋁合金膜中的主要成分是鋅，因此在長期交流負(fù)載下電容量的下降與純鋅膜相同，克服了鋁膜在長期運(yùn)行中電容下降的缺點(diǎn)。
(2)為提高電容器的抗涌流、抗電能力，采用了邊緣加厚技術(shù)，增加噴金層與金屬化極板的結(jié)合強(qiáng)度，減小噴金層與金屬層的接觸電阻，電容器自身能耗降低。
(3)為了改善薄膜的耐溫性，必須對聚丙烯性能進(jìn)行溫度改性。例如：增加α晶型晶體含量，減小β晶型含量；提高等規(guī)度和結(jié)晶度、增加了添加劑，提高了膜的耐溫性等。
1.3設(shè)計心子結(jié)構(gòu)和引出方式
為適應(yīng)大電流沖擊和提高電容器心子的機(jī)械強(qiáng)度，確定了較為合理的方阻，改進(jìn)了心子的結(jié)構(gòu)和引出方式，從而提高了產(chǎn)品的性能，質(zhì)量和效率。某公司根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況，選用現(xiàn)有的外殼、絕緣子、引出頭和焊接等工藝手段，改進(jìn)適合該電容器的外部密封結(jié)構(gòu)，節(jié)省了投資，加快了試制進(jìn)度，而且由于每一類型中不同容量的產(chǎn)品其安裝尺寸和接地柱位置都是*相同的，因此地方便了用戶的設(shè)計、安裝和維修。
1.4浸漬劑的使用
電容器元件內(nèi)添加浸漬劑主要是為了填充元件端面的空隙，改善產(chǎn)品局部放電現(xiàn)象，浸漬劑進(jìn)入電容器心子兩端后，有效阻止空氣、水分侵入電容器心子。各生產(chǎn)廠家選用的浸漬劑種類不一樣，某公司使用的是進(jìn)口聚異丁烯等組份合成，有效地提高了電容器的局部放電起始場強(qiáng)、降低了金屬化電極的腐蝕現(xiàn)象，使電容量損失明顯減小，因此增加了產(chǎn)品的可靠性和使用壽命。電容器的外殼與元件之間，以阻燃物質(zhì)充填，在電容器內(nèi)部發(fā)生故障時，起滅弧、防火和隔熱作用。
1.5采用過壓力防爆保護(hù)裝置
盡管產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，選用了較好的介質(zhì)材料和浸漬料，并且著重提高介質(zhì)的起始游離電場強(qiáng)度和擊穿電場強(qiáng)高，以及選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ麟妶鰪?qiáng)度，采取必要的、嚴(yán)格的工藝措施，以及提高電容器心子本身的固有可靠性，但是，工藝上和使用上的偶然因素必定存在，即使這些因素可以排除，而交流金屬化電容器在壽命終結(jié)時，往往以“鼓脹”、漏油、爆炸以致燃燒而告終，因此，對于這種中功率的電力電容器就不能不考慮他的防爆安全措施。
過壓力防爆保護(hù)裝置見圖1。過壓力防爆保護(hù)裝置是這種電容器防爆安全方法之一，作用是當(dāng)電容器在某種因素下，內(nèi)部壓力過高時斷開這種電容器的通路以達(dá)到防爆的目的。
圖1電容器過壓力防爆保護(hù)裝置
這種過壓力防爆保護(hù)裝置的作用原理是：當(dāng)電容器內(nèi)部壓力升高時，外殼壁膨脹變形產(chǎn)生位移，當(dāng)位移量達(dá)到一定的程度瞬間拉斷銅保險片，接線端子電源被切斷，起到了安全防爆的保護(hù)作用，見圖2。如果電流切斷是控制在電容器密封性破壞之前，電容器就不會爆炸和燃燒，更不會引起二次性的災(zāi)害了。
圖2電容器過壓力防爆保護(hù)示意圖
這種過壓力防爆保護(hù)裝置通常用于自愈式的金屬化交流電容器中。能否正確起作用，關(guān)鍵取決于外殼在電容器壽命期間的密封性，他不是限流熔斷器，不能取代電容器外部電路的保護(hù)措施。
2 BSMJ型電容器的工藝特點(diǎn)
為了使BSMJ型電容器符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和滿足使用的要求，提高產(chǎn)品性能，設(shè)計時在工藝上主要有以下特點(diǎn)和措施：
(1)元件在卷繞過程中，錯邊量、張力大小應(yīng)符合工藝規(guī)定的參數(shù)，能夠使噴金質(zhì)量提高，便于焊接引線，降低接觸電阻，減少損耗。
(2)噴金工藝通過空氣壓力、噴槍距離、移動速度、電流等參數(shù)的調(diào)整，使噴金層與金屬化膜接觸牢靠，減少損耗值和熱擊穿、電擊穿發(fā)生的概率，提高產(chǎn)品的使用壽命。
(3)焊接時必須控制好焊接的時間、焊點(diǎn)的大小、焊接表面的平整度等焊接的狀態(tài)，焊接質(zhì)量不好，會造成接觸電阻變大，增加電容器損耗，使電容器運(yùn)行時發(fā)熱量增多，電容器可能提前失效，達(dá)不到壽命要求。
(4)調(diào)整熱處理工藝的時間與溫度，熱處理時要確保烘箱內(nèi)部溫度分布循環(huán)均勻。能夠較好地消除心子薄膜間隙，提高心子的緊密度和電容的穩(wěn)定性，改善產(chǎn)品的電氣性能。
(5)電容器心子和心組采取了特殊絕緣措施，增加了心子和心組間的絕緣強(qiáng)度。
(6)根據(jù)采用的介質(zhì)和浸漬料，確定了較為合理的真空干燥和浸漬裝配工藝，確保電容器在交流下的高絕緣性能，保證了電容器的電容量等級要求。
(7)電容器的主要參數(shù)都有較高的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)，確保電容器的性能符合和優(yōu)于有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
(8)制造過程中加強(qiáng)產(chǎn)品節(jié)點(diǎn)、工藝衛(wèi)生等質(zhì)量控制與信息反饋，關(guān)鍵工序由專人操作和檢驗(yàn)。
3 BSMJ型電容器的技術(shù)特性
3.1基本參數(shù)
額定頻率Fn：50Hz；額定電壓Un：0.25～0.525kV；額定電流In：20～100A；額定無功功率Qn：1～60kvar；相數(shù)：單相/三相；接法：三相接法為“△”形或“Y”形。
3.2使用條件
只有滿足BSMJ型電容器的使用條件，才能保證電容器的使用壽命。使用條件為：海拔高度不超過2000m，環(huán)境溫度范圍是-25℃～+55℃。
如果電容器的使用環(huán)境超過以上要求，電容器的壽命就會受影響。
BSMJ型電容器在使用中負(fù)荷不能超過以下極限值：允許過電壓為110%Un，允許過電流為130%In。
3.3電容器的結(jié)構(gòu)外形尺寸和規(guī)格
(1)電容器的規(guī)格、額定電壓、額定無功功率、額定頻率和外形尺寸見表1。
表1 BSMJ型電容器的外形尺寸和規(guī)格
(2)BSMJ型電容器的外形尺寸圖號見圖4。
3.4技術(shù)要求
為了驗(yàn)證BSMJ型電容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和生產(chǎn)工藝是否正確合理，確定產(chǎn)品的使用壽命和可靠性[18]，產(chǎn)品應(yīng)符合以下技術(shù)要求。技術(shù)要求依據(jù)于GB/T12747—2017國家標(biāo)準(zhǔn)。
圖3 BSMJ型電容器的外形尺寸圖號
(1)電容量允許偏差：±5%；相間大與小值之比≤1.08。
(2)損耗角正切值：tanδ≤3×10-3。
(3)電壓試驗(yàn)：端子間交流電壓：2.15Un.AC(r.m.s)；端子與外殼間交流電壓：3kV.AC(r.m.s)。
(4)密封性試驗(yàn)：(70±2)℃，2h后不出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。
(5)熱穩(wěn)定性試驗(yàn)：在(50±2)℃下，施加電壓使電容器無功功率Q=1.44Qn48h，在后6h內(nèi)溫度增加不超過1℃，試驗(yàn)后ΔC/C≤±2%；tanδ≤2×10-4。
(6)放電試驗(yàn)：電容器充上2Un.DC，10min內(nèi)短路放電5次，試驗(yàn)后ΔC/C≤±2%；tanδ≤3×10-3。
(7)破壞性試驗(yàn)。
a在(50±2)℃下，保持8h，施加1.3Un.AC(r.m.s)，并測量電流。
b給端子間施加10Un.DC，使其發(fā)生擊穿而短路(回路中直流短路電流應(yīng)保持為300mA)，并保持5s。
c在發(fā)生短路的試品端子間施加1.3Un.AC(r.m.s)，保持3min，再次測量電流。
d如果在1.3Un下流經(jīng)的電流為零或低于初始值的66%，則中斷試驗(yàn)；否則重復(fù)以上步驟直至交流試驗(yàn)電流低于初始值的66%。
e端子與外殼間施加1500VAC，歷時10s。試驗(yàn)后，要求電容器逸出的液體材料不得成滴下落且外殼可以變形和損傷，但不能爆裂。
(8)自愈性試驗(yàn)：試品能承受電壓2.15Un.AC(r.m.s)或3.04Un.DC10s，如果擊穿少于5次，則升高電壓直至發(fā)生5次自愈擊穿，或電壓達(dá)到3.5Un.AC(r.m.s)或4.95Un.DC為止；當(dāng)電壓達(dá)到上述電壓限值并歷時10s后，自愈擊穿少于5次，則可終止試驗(yàn)，試驗(yàn)后ΔC/C<0.5%；tanδ≤1.1tanδ0+1×10-4。
(9)老化試驗(yàn)。
a在(45±2)℃下，施加1.25Un.AC(rms)，750h。
b電容器充上2Un.DC，通過電感L=1000.μH/C.μF±20%，放電1000次，每次持續(xù)時間≥30s。
c重復(fù)a的試驗(yàn)1次。
試驗(yàn)中溫度均保持在(45±2)℃。試驗(yàn)后，要求電容器無擊穿、開路或閃絡(luò)，試驗(yàn)后ΔC/C≤±3%、tanδ≤4×10-3、端子與外殼間3kV.AC(rms)，密封性合格。
3.5產(chǎn)品型式試驗(yàn)
某公司于2018年10月制作5臺BSMJ型電容器(BSMJ-0.45-50-3)產(chǎn)品，并委托國內(nèi)檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行型式試驗(yàn)，依據(jù)GB/T12747.1—2017《標(biāo)稱電壓1kV及以下交流電力系統(tǒng)用自愈式并聯(lián)電容器第1部分：總則》[19]和GB/T12747.2—2017《標(biāo)稱電壓1kV及以下交流電力系統(tǒng)用自愈式并聯(lián)電容器第2部分：老化試驗(yàn)、自愈性試驗(yàn)和破壞試驗(yàn)》[20]國家標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品目前已通過各項(xiàng)試驗(yàn)，現(xiàn)將關(guān)鍵試驗(yàn)項(xiàng)目加以說明。關(guān)鍵試驗(yàn)項(xiàng)目與產(chǎn)品編號見表2。
表2關(guān)鍵試驗(yàn)項(xiàng)目與產(chǎn)品編號
3.5.1熱穩(wěn)定性試驗(yàn)
(1)試驗(yàn)方法：見3.4技術(shù)要求中熱穩(wěn)定性試驗(yàn)。
(2)試驗(yàn)數(shù)據(jù)：熱穩(wěn)定試驗(yàn)后，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。
表3熱穩(wěn)定性試驗(yàn)數(shù)據(jù)
3.5.2自愈性試驗(yàn)
(1)試驗(yàn)方法：見3.4技術(shù)要求中自愈性試驗(yàn)。
(2)試驗(yàn)數(shù)據(jù)：自愈試驗(yàn)后，電容值變化及損耗角正切值見表4。
表4自愈性試驗(yàn)數(shù)據(jù)
3.5.3破壞性試驗(yàn)
(1)試驗(yàn)方法：見3.4技術(shù)要求中破壞性試驗(yàn)。
(2)試驗(yàn)數(shù)據(jù)：破壞試驗(yàn)后，電流、電容值變化及試驗(yàn)情況見表5。
表5破壞性試驗(yàn)數(shù)據(jù)
3.5.4老化試驗(yàn)
(1)試驗(yàn)方法：見3.4技術(shù)要求中老化試驗(yàn)。
(2)試驗(yàn)數(shù)據(jù)：老化試驗(yàn)后，詳細(xì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6。
表6老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)
3.5.5試驗(yàn)結(jié)論
該批試品一次性通過各項(xiàng)型式試驗(yàn)，這些良好的試驗(yàn)數(shù)據(jù)是和我們的產(chǎn)品設(shè)計、工藝過程的質(zhì)量控制是分不開的。
4 安科瑞AZC/AZCL智能集成式電容器介紹
4.1產(chǎn)品概述
AZC/AZCL系列智能電容器是應(yīng)用于0.4kV、50Hz低壓配電中用于節(jié)省能源、降低線損、提高功率因數(shù)和電能質(zhì)量的新一代無功補(bǔ)償設(shè)備。它由智能測控單元，晶閘管復(fù)合開關(guān)電路，線路保護(hù)單元，兩臺共補(bǔ)或一臺分補(bǔ)低壓電力電容器構(gòu)成。可替代常規(guī)由熔絲、復(fù)合開關(guān)或機(jī)械式接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指示燈等散件在柜內(nèi)和柜面由導(dǎo)線連接而組成的自動無功補(bǔ)償裝置。具有體積更小，功耗更低，維護(hù)方便，使用壽命長，可靠性高的特點(diǎn)，適應(yīng)現(xiàn)代電網(wǎng)對無功補(bǔ)償?shù)母咭蟆?br />
AZC/AZCL系列智能電容器采用定式LCD液晶顯示器，可顯示三相母線電壓、三相母線電流、三相功率因數(shù)、頻率、電容器路數(shù)及投切狀態(tài)、有功功率、無功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等。通過內(nèi)部晶閘管復(fù)合開關(guān)電路，自動尋找投入(切除)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)過零投切，具有過壓保護(hù)、缺相保護(hù)、過諧保護(hù)、過溫保護(hù)等保護(hù)功能。
4.2產(chǎn)品選型
AZC系列智能電容器選型：
AZC系列智能電容器選型：
AZCL系列智能電容器選型：
4.3產(chǎn)品實(shí)物展示
ANBSMJ電容器 AZC系列智能電容模塊 AZCL系列智能電容模塊
安科瑞無功補(bǔ)償裝置智能電容方案
5結(jié)語
BSMJ型自愈式低壓并聯(lián)電容器用于50Hz交流電力系統(tǒng)改善功率因素的，與一般箔式并聯(lián)電容器比較，具有自愈特性，體積小、重量輕、安裝方便、耐過電壓能力強(qiáng)，并且溫度特性和頻率特性好，壽命長等特點(diǎn)。采用了具有先進(jìn)性和安全性的過壓力防爆保護(hù)裝置；內(nèi)裝自放電電阻，保證安全操作和減小沖擊電流。生產(chǎn)工藝合理，符合有關(guān)規(guī)定要求；結(jié)構(gòu)設(shè)計較為先進(jìn)，符合使用要求，并從型式試驗(yàn)方面進(jìn)行了驗(yàn)證，產(chǎn)品性能*達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計要求。BSMJ型電容器廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)輸變電的關(guān)鍵設(shè)備，對于電子電容制造業(yè)來說，開拓了新的領(lǐng)域和市場，促使金屬化電容器的生產(chǎn)技術(shù)水平提高到一個新的階段，由于他是投資類的民用產(chǎn)品和為社會提供的無功節(jié)能產(chǎn)品，因而有較廣闊較穩(wěn)定的市場，有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
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