低压自愈式并联电容器的研究探讨
时间：2022-02-14 阅读：447
王晶晶
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
0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，因此极大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.