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低壓自愈式并聯(lián)電容器的研究探討

更新時間:2021-10-12 點(diǎn)擊次數(shù): 903次

劉細(xì)鳳

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?,具有不可替代的作用,本文著重于BSMJ型電容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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
 
0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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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,因此極大地方便了用戶的設(shè)計(jì)、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(jì)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(jì)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(jì)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,要求電容器無性擊穿、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(jì)、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??商娲R?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?/div>
       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)性和性的過壓力防爆保護(hù)裝置;內(nèi)裝自放電電阻,保證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(jì)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(jì)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。
 
 
【參考文獻(xiàn)】
[1]袁靜,陳偉,江菊香,張麗梅.BSMJ型低壓自愈式并聯(lián)電容器的技術(shù)研究與探討.電力電容器與無功補(bǔ)償.2020-08-25
[2]王成章.淺談低壓配電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償[J].電工文摘,2010(4):1-3.
[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊.2020.6版.
作者簡介:劉細(xì)鳳,女,本科,安科瑞電氣股份有限公司,主要研究方向?yàn)橹悄茈娏﹄娙莓a(chǎn)品的研發(fā)與應(yīng)用


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