低壓自愈式并聯電容器的研究探討
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易允恒
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：低壓無功補償控制是配電網降損節能的主要措施，是配電網的一個重要組成部分，對提高功率因數、保證供電質量、降低能耗、增強供電安全性起到重要作用，市場容量相當大，同時民用供配電也占有很大的比重。BSMJ型低壓自愈式并聯電容器作為無功補償的重要元器件，具有不可替代的作用，本文著重于BSMJ型電容器的結構設計、工藝特點、性能、質量、技術特性及產品研發、制造、使用等方面將作出初步的探討。
關鍵詞：BSMJ型；自愈；無功補償控制；并聯電容器
0引言
低壓配電系統的無功補償中，BSMJ型電容器被廣泛應用，但普遍存在著早期失效率高，使用壽命短等質量問題。我國電力電容器制造行業單就生產設備、原材料和技術來說，并不比上水平遜色，該類產品的需求量在逐年增加，其國產化進程不斷加快。
本文主要針對某公司BSMJ型電容器在應用過程中存在的質量問題進行了分析，并對產品的設計進行優化與探討；在生產工藝中，通過加強工藝過程控制、調整工藝參數等改進措施的實施，電容器的壽命性能得到了提高，產品符合技術要求且通過各項型式試驗。
1 BSMJ型電容器的設計過程
1.1存在的問題
1.1.1早期失效率高
（1）采用的薄膜質量差、設計場強又高，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）局部放電嚴重：生產工藝不良，電容器內水份含量高，局部放電嚴重，會造成薄膜介質早期老化擊穿。
（3）端頭接觸層不良導致性能惡化，tanδ增大：電容器在長期交流負載下和瞬時電流的沖擊之后，接觸電阻增加，導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，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。
1.1.2使用壽命不如預期的長
（1）電容器各相電容值不平衡，產品在運行過程中因補償不當容量損耗受損，影響產品使用壽命。
（2）電容器的設計不符合所要求的工作環境，使電容器的電容值衰減、介質損耗角正切值增大、絕緣性能下降等參數的惡化，對電容器的使用壽命有極為顯著的影響。
（3）浸漬劑因使用不當或處理效果不好，導致水分含量多，水分在電流的作用下對薄膜的金屬層進行氧化和腐蝕，引起產品的容量值下降，損耗上升，產品的壽命縮短。
針對以上存在的問題，我們在結構的設計上對金屬化薄膜的選取、心子結構和引出方式、浸漬劑的使用以及采用過壓力防爆保護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，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，自愈，耐電強度高，儲能因數大。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生氧化，引起嚴重的電容損失，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。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散，下層的鋁原子會穿過上層的鋅向鍍層表面擴散，到達鋅層表面的鋁增強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，因此在長期交流負載下電容量的下降與純鋅膜相同，克服了鋁膜在長期運行中電容下降的缺點。
（2）為提高電容器的抗涌流、抗電能力，采用了邊緣加厚技術，增加噴金層與金屬化極板的結合強度，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；提高等規度和結晶度、增加了添加劑，提高了膜的耐溫性等。
1.3設計心子結構和引出方式
為適應大電流沖擊和提高電容器心子的機械強度，確定了較為合理的方阻，改進了心子的結構和引出方式，從而提高了產品的性能，質量和效率。某公司根據生產實際情況，選用現有的外殼、絕緣子、引出頭和焊接等工藝手段，改進適合該電容器的外部密封結構，節省了投資，加快了試制進度，而且由于每一類型中不同容量的產品其安裝尺寸和接地柱位置都是完全相同的，因此極大地方便了用戶的設計、安裝和維修。
1.4浸漬劑的使用
電容器元件內添加浸漬劑主要是為了填充元件端面的空隙，改善產品局部放電現象，浸漬劑進入電容器心子兩端后，有效阻止空氣、水分侵入電容器心子。各生產廠家選用的浸漬劑種類不一樣，某公司使用的是進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、降低了金屬化電極的腐蝕現象，使電容量損失明顯減小，因此增加了產品的可靠性和使用壽命。電容器的外殼與元件之間，以阻燃物質充填，在電容器內部發生故障時，起滅弧、防火和隔熱作用。
1.5采用過壓力防爆保護裝置
盡管產品的結構設計中，選用了較好的介質材料和浸漬料，并且著重提高介質的起始游離電場強度和擊穿電場強高，以及選擇適當的工作電場強度，采取必要的、嚴格的工藝措施，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。
過壓力防爆保護裝置見圖1。過壓力防爆保護裝置是這種電容器防爆安全方法之一，作用是當電容器在某種因素下，內部壓力過高時斷開這種電容器的通路以達到防爆的目的。
圖1電容器過壓力防爆保護裝置
這種過壓力防爆保護裝置的作用原理是：當電容器內部壓力升高時，外殼壁膨脹變形產生位移，當位移量達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，不會引起二次性的災害了。
圖2電容器過壓力防爆保護示意圖
這種過壓力防爆保護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措施。
2 BSMJ型電容器的工藝特點
為了使BSMJ型電容器符合產品標準和滿足使用的要求，提高產品性能，設計時在工藝上主要有以下特點和措施：
（1）元件在卷繞過程中，錯邊量、張力大小應符合工藝規定的參數，能夠使噴金質量提高，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、電流等參數的調整，使噴金層與金屬化膜接觸牢靠，減少損耗值和熱擊穿、電擊穿發生的概率，提高產品的使用壽命。
（3）焊接時必須控制好焊接的時間、焊點的大小、焊接表面的平整度等焊接的狀態，焊接質量不好，會造成接觸電阻變大，增加電容器損耗，使電容器運行時發熱量增多，電容器可能提前失效，達不到壽命要求。
（4）調整熱處理工藝的時間與溫度，熱處理時要確保烘箱內部溫度分布循環均勻。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定性，改善產品的電氣性能。
（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度。
（6）根據采用的介質和浸漬料，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）電容器的主要參數都有較高的內控標準，確保電容器的性能符合和優于有關標準。
（8）制造過程中加強產品節點、工藝衛生等質量控制與信息反饋，關鍵工序由專人操作和檢驗。
3 BSMJ型電容器的技術特性
3.1基本參數
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：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，環境溫度范圍是-25℃～+55℃。
如果電容器的使用環境超過以上要求，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電容器的結構外形尺寸和規格
（1）電容器的規格、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格
（2）BSMJ型電容器的外形尺寸圖號見圖4。
3.4技術要求
為了驗證BSMJ型電容器的結構設計和生產工藝是否正確合理，確定產品的使用壽命和可靠性[18]，產品應符合以下技術要求。技術要求依據于GB/T12747—2017國家標準。
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：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：（70±2）℃，2h后不出現滲漏現象。
（5）熱穩定性試驗：在（50±2）℃下，施加電壓使電容器無功功率Q=1.44Qn48h，在后6h內溫度增加不超過1℃，試驗后ΔC/C≤±2%；tanδ≤2×10-4。
（6）放電試驗：電容器充上2Un.DC，10min內短路放電5次，試驗后ΔC/C≤±2%；tanδ≤3×10-3。
（7）破壞性試驗。
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，使其發生擊穿而短路（回路中直流短路電流應保持為300mA），并保持5s。
c在發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下流經的電流為零或低于初始值的66%，則中斷試驗；否則重復以上步驟直至交流試驗電流低于初始值的66%。
e端子與外殼間施加1500VAC，歷時10s。試驗后，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：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，則升高電壓直至發生5次自愈擊穿，或電壓達到3.5Un.AC（r.m.s）或4.95Un.DC為止；當電壓達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，試驗后ΔC/C＜0.5%；tanδ≤1.1tanδ0+1×10-4。
（9）老化試驗。
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，每次持續時間≥30s。
c重復a的試驗1次。
試驗中溫度均保持在（45±2）℃。試驗后，要求電容器無性擊穿、開路或閃絡，試驗后ΔC/C≤±3%、tanδ≤4×10-3、端子與外殼間3kV.AC（rms），密封性合格。
3.5產品型式試驗
某公司于2018年10月制作5臺BSMJ型電容器（BSMJ-0.45-50-3）產品，并委托國內知名檢測機構進行型式試驗，依據GB/T12747.1—2017《標稱電壓1kV及以下交流電力系統用自愈式并聯電容器第1部分：總則》[19]和GB/T12747.2—2017《標稱電壓1kV及以下交流電力系統用自愈式并聯電容器第2部分：老化試驗、自愈性試驗和破壞試驗》[20]國家標準，產品目前已通過各項試驗，現將關鍵試驗項目加以說明。關鍵試驗項目與產品編號見表2。
表2關鍵試驗項目與產品編號
3.5.1熱穩定性試驗
（1）試驗方法：見3.4技術要求中熱穩定性試驗。
（2）試驗數據：熱穩定試驗后，試驗數據見表3。
表3熱穩定性試驗數據
3.5.2自愈性試驗
（1）試驗方法：見3.4技術要求中自愈性試驗。
（2）試驗數據：自愈試驗后，電容值變化及損耗角正切值見表4。
表4自愈性試驗數據
3.5.3破壞性試驗
（1）試驗方法：見3.4技術要求中破壞性試驗。
（2）試驗數據：破壞試驗后，電流、電容值變化及試驗情況見表5。
表5破壞性試驗數據
3.5.4老化試驗
（1）試驗方法：見3.4技術要求中老化試驗。
（2）試驗數據：老化試驗后，詳細試驗數據見表6。
表6老化試驗數據
3.5.5試驗結論
該批試品一次性通過各項型式試驗，這些良好的試驗數據是和我們的產品設計、工藝過程的質量控制是分不開的。
4 安科瑞AZC/AZCL智能集成式電容器介紹
4.1產品概述
AZC/AZCL系列智能電容器是應用于0.4kV、50Hz低壓配電中用于節省能源、降低線損、提高功率因數和電能質量的新一代無功補償設備。它由智能測控單元，晶閘管復合開關電路，線路保護單元，兩臺共補或一臺分補低壓電力電容器構成?？商娲Ｒ幱扇劢z、復合開關或機械式接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指示燈等散件在柜內和柜面由導線連接而組成的自動無功補償裝置。具有體積小，功耗低，維護方便，使用壽命長，可靠性高的特點，適應現代電網對無功補償的高要求。
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、頻率、電容器路數及投切狀態、有功功率、無功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等。通過內部晶閘管復合開關電路，自動尋找投入（切除）點，實現過零投切，具有過壓保護、缺相保護、過諧保護、過溫保護等保護功能。
4.2產品選型
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產品實物展示
ANBSMJ電容器 AZC系列智能電容模塊 AZCL系列智能電容模塊
安科瑞無功補償裝置智能電容方案
5結語
BSMJ型自愈式低壓并聯電容器用于50Hz交流電力系統改善功率因素的，與一般箔式并聯電容器比較，具有自愈特性，體積小、重量輕、安裝方便、耐過電壓能力強，并且溫度特性和頻率特性好，壽命長等特點。采用了具有性和安全性的過壓力防爆保護裝置；內裝自放電電阻，保證安全操作和減小沖擊電流。生產工藝合理，符合有關規定要求；結構設計較為，符合使用要求，并從型式試驗方面進行了驗證，產品性能完全達到了預期的設計要求。BSMJ型電容器廣泛應用于電網輸變電的關鍵設備，對于電子電容制造業來說，開拓了新的領域和市場，促使金屬化電容器的生產技術水平提高到一個新的階段，由于他是投資類的民用產品和為社會提供的無功節能產品，因而有較廣闊較穩定的市場，有明顯的經濟效益和社會效益。
【參考文獻】
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[2]王成章.淺談低壓配電系統的無功補償[J].電工文摘，2010（4）：1-3.
[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.6版.
作者簡介：
易允恒，男，本科 安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能電網供配電
Email：2851375246@qq.com ： QQ：2851375246
