楊 南 張 星 王建永 錢 迪 鄭 會 盧建業(yè)

（1.國家管網(wǎng)集團(tuán)北京管道有限公司 2.榮信匯科電氣股份有限公司）

0 引言

當(dāng)前，基于晶閘管的交-直-交電流型變頻器仍廣泛應(yīng)用于壓氣站、發(fā)電廠以及燒結(jié)廠等場合，有著電流和電壓等級高、內(nèi)在四象限運(yùn)行能力、不易出現(xiàn)換流失敗短路等優(yōu)點(diǎn)。然而，由于其換相過程中會產(chǎn)生很高的尖峰電壓，要求半導(dǎo)體器件具有較高的額定電壓，并且輸入和輸出諧波較大，污染電網(wǎng)，易引起電機(jī)發(fā)熱或轉(zhuǎn)矩脈動［1～2］。因此，有必要配置濾波裝置，而由高壓全膜交流電容器組構(gòu)成的無源濾波器因其穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，成為最常見的濾波方式之一。

經(jīng)過多年的技術(shù)發(fā)展和積累，國產(chǎn)電容器在介質(zhì)材料、設(shè)計(jì)能力、制造工藝以及產(chǎn)品性能方面都得到巨大提升，經(jīng)歷了從無到有，從有到精的發(fā)展過程后，不僅產(chǎn)品門類可以覆蓋進(jìn)口的產(chǎn)品，部分產(chǎn)品性能已達(dá)到國際先進(jìn)水平，一部分優(yōu)勢企業(yè)已開始問鼎國際市場并取得了不俗的業(yè)績。但由于起步較晚，國產(chǎn)高壓電容器可靠性提升及性能優(yōu)化仍在不斷探索中。

從電容器自身來講，影響其運(yùn)行可靠性的主要因素有損耗、耐壓、局放水平、設(shè)計(jì)場強(qiáng)、保護(hù)設(shè)計(jì)等。其中，損耗的大小直接決定了電容器的發(fā)熱。損耗大，電容器發(fā)熱勢必更加嚴(yán)重，過高的運(yùn)行溫度可能會產(chǎn)生熱擊穿，不僅影響電容器運(yùn)行可靠性，也直接影響其使用壽命；耐壓和局放指標(biāo)的提升要求高質(zhì)量的浸漬劑及高水平的浸漬工藝；設(shè)計(jì)場強(qiáng)取決于極間絕緣介質(zhì)的層數(shù)及厚度，較高的設(shè)計(jì)場強(qiáng)不僅增加極間擊穿的風(fēng)險(xiǎn)，也會影響使用壽命，而合理的設(shè)計(jì)場強(qiáng)不僅提高運(yùn)行可靠性，也使得其更能適應(yīng)高電壓畸變率的場合；電容器的保護(hù)機(jī)制包括熔絲和放電電阻，合理的設(shè)計(jì)能夠在保護(hù)作用前提下，盡量減少電容值損失，降低能耗，延長使用壽命。

本文提出了通過優(yōu)化電容器內(nèi)部元件設(shè)計(jì)、采用隱藏式雙并內(nèi)熔絲、選取合理的內(nèi)電阻設(shè)計(jì)，并且通過制造工藝優(yōu)化即適當(dāng)延長真空浸漬時間，使薄膜得到充分浸漬，降低了產(chǎn)品損耗等多個方面提高產(chǎn)品耐壓、局放等性能指標(biāo)，降低損耗，提升特性；采用鋁箔折邊凸出結(jié)構(gòu)，選擇適當(dāng)設(shè)計(jì)場強(qiáng)，使得國產(chǎn)化交流濾波電容器能夠滿足更高電壓畸變率，提升了電容器的輸出能力。

1 全膜電容器的應(yīng)用

1.1 電容器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及技術(shù)特點(diǎn)

圖1是電容內(nèi)部剖視圖，電容器主要由套管、浸漬劑、心子、外殼構(gòu)成。心子由一定串、并聯(lián)組合的元件及熔絲、電阻組成，再通過由絕緣電纜紙或與薄膜組成的復(fù)合絕緣層卷繞后裝入電容外殼體，通過聯(lián)接片與接線端子連接，最后填充以絕緣油。在浸漬處理過程中，排除電容器心子及箱殼間的水分和空氣，用經(jīng)凈化處理的浸漬劑在真空狀態(tài)下灌注浸漬，以填充心子及箱殼中的空隙，從而提高電容器的電氣性能。

圖1 電容器內(nèi)部剖視圖

油浸式電容器的內(nèi)部絕緣主要是依靠聚丙烯薄膜或絕緣紙。與干式電容器相比，油的熱傳遞過程快，在流動過程中帶走熱量，但其缺點(diǎn)是存在漏油的風(fēng)險(xiǎn)。但隨著電容器制造水平的進(jìn)步，除外力因素外，漏油的情況在運(yùn)行現(xiàn)場已經(jīng)很少出現(xiàn)。

圖2是典型的帶內(nèi)熔絲電容器內(nèi)部聯(lián)接電氣原理圖，圖中內(nèi)部元件電氣聯(lián)接方式為m并n串，串段間采用聯(lián)接片聯(lián)接，元件之間通常用襯墊隔開，內(nèi)熔絲安裝于心子大面或者元件之間，并與元件串聯(lián)，電阻通常置于心子大面或心子頂部。對于單臺額定電壓較低、容量較大的交流濾波電容器一般采用此種結(jié)構(gòu)。對于單臺額定電壓較高、容量較小的電容器一般采用圖3所示的無內(nèi)熔絲結(jié)構(gòu)。這主要是考慮到內(nèi)熔絲動作的可靠性及電容器元件損壞造成的電容變化率等因素。

圖2 帶內(nèi)熔絲電容器典型內(nèi)部接線原理圖

圖3 無內(nèi)熔絲電容器典型內(nèi)部接線原理圖

1.2 濾波電容器應(yīng)用拓?fù)?/h3>

圖4是典型的濾波電容器組應(yīng)用拓?fù)?，電容器組可采用單星、雙星接線，根據(jù)不同的電壓等級及安裝容量采取不同的保護(hù)方式，如開口三角電壓保護(hù)、相電壓差動保護(hù)、橋差電流保護(hù)、中性點(diǎn)不平衡電流保護(hù)［3］。以圖5為例，電容器組采用的是雙星型中性點(diǎn)不平衡電流保護(hù)接線方式。

圖4 濾波器系統(tǒng)典型拓?fù)鋱D

圖5 電容器組接線原理圖

2 可靠性提升技術(shù)

2.1 電容器元件優(yōu)化設(shè)計(jì)

電容器元件是電容器的重要組成部分，電容器內(nèi)部是由多個元件通過特定的串并聯(lián)接構(gòu)成的。因此提高電容器運(yùn)行可靠性，必須從元件的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)著手。以下主要從元件極板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元件極間介質(zhì)厚度選取、元件邊緣距離選取三方面進(jìn)行闡述。

2.1.1 元件極板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

元件極板通常采用4.5～6μm厚的鋁箔，極板多采用圖6所示的折邊凸出結(jié)構(gòu)。即鋁箔一端折邊，隱藏薄膜間，另一端不折邊凸出在薄膜外部，方便極板引線操作。

圖6 電容器元件結(jié)構(gòu)示意圖

用ANSYS軟件熱電比擬法對圖6模型開展仿真，其中，鋁箔厚度為5μm，介質(zhì)厚度27～33μm，元件內(nèi)油膜厚度34μm，外圍電極設(shè)定為地電位，中間電極施加8000V高電位，計(jì)算得到的結(jié)果如圖7所示。

圖7 鋁箔起始處電場強(qiáng)度分布

圖7可以看出，鋁箔起始位置位于圓弧中間時，電場強(qiáng)度比位于平行區(qū)域場強(qiáng)要高。所以，為改善元件首末端極板邊緣電場結(jié)構(gòu)，元件首末端的鋁箔也應(yīng)該折邊，且盡量避開圓弧位置，這樣可以降低元件的最大場強(qiáng)。鋁箔折邊后，可明顯提高產(chǎn)品的局部放電性能，從而使電容器能在較高過電壓下可靠地運(yùn)行。鋁箔厚度的選擇需結(jié)合自身生產(chǎn)工藝水平，且能滿足大容量交流濾波電容器單元電流密度的要求。適合的鋁箔厚度及折邊凸出結(jié)構(gòu)的使用也使得國產(chǎn)化交流濾波電容器能夠滿足更高電壓畸變率，提升了電容器的輸出能力。

2.1.2 元件極間介質(zhì)厚度選取

現(xiàn)全膜電容器已普遍采用雙軸定向雙面粗化的聚丙烯薄膜，且大多采用三膜結(jié)構(gòu)，也有少數(shù)采用兩膜結(jié)構(gòu)。三膜結(jié)構(gòu)普遍使用的原因是三膜結(jié)構(gòu)不僅降低了電弱點(diǎn)的重合率，還提高了介質(zhì)的電氣強(qiáng)度［4］，延長了產(chǎn)品的運(yùn)行壽命。為了解極間不同厚度的三膜介質(zhì)組合與元件擊穿場強(qiáng)關(guān)系，掌握不同薄膜厚度組合的耐壓水平，提升產(chǎn)品的性能，專門設(shè)計(jì)了電容器元件極間三膜的總厚度為27～45μm的試品元件（心子壓緊系數(shù)為0.86左右，元件留邊距離按14mm）并進(jìn)行擊穿場強(qiáng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 元件擊穿場強(qiáng)與極間膜厚度的關(guān)系

從圖8可知，極間三膜厚度在27～45μm范圍內(nèi)，元件擊穿場強(qiáng)隨極間膜厚度減少而提高。在生產(chǎn)工藝等允許的條件下，電容器產(chǎn)品設(shè)計(jì)時，選擇適當(dāng)?shù)谋∧ず穸龋侠磉x擇設(shè)計(jì)場強(qiáng)并留有足夠的設(shè)計(jì)裕度，不僅可以大大提升國產(chǎn)化交流濾波電容器性能，使其可在更高電壓畸變率工況下安全可靠運(yùn)行。

圖8 元件擊穿場強(qiáng)與極間膜厚度的關(guān)系曲線

2.1.3 元件邊緣距離選取

元件的留邊距離越小，可利用的極板面積越大，單位體積的儲能越大。在保證留邊絕緣可靠裕度、產(chǎn)品可靠運(yùn)行的前提下，電容器單元元件的留邊選取最小距離，可達(dá)到最優(yōu)比特性。對此，進(jìn)行了邊緣距離6～12mm試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)情況如下：

（1）元件極間三膜厚度為36μm，邊緣距離為6～12mm試驗(yàn)驗(yàn)證

為保證極間的擊穿強(qiáng)度，減少極間擊穿對邊緣擊穿的影響，應(yīng)選取元件的極間耐壓比邊緣擊穿耐壓高的薄膜厚度進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)上文元件介質(zhì)厚度耐壓研究結(jié)果，邊緣距離試驗(yàn)選用了3層12μm，即極間為36μm的介質(zhì)，邊緣距離分別為6mm、8mm、10mm、12mm的元件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。元件試品的電容、tanδ和擊穿電壓與邊緣距離的關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果見表2，tanδ、擊穿場強(qiáng)與邊緣距離的關(guān)系見圖9。

圖9 元件擊穿位置示意圖

表2 不同留邊距離的試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果（極間介質(zhì)為36μm）

（續(xù)）

從表2和圖10可知，在元件邊緣距離為6～12mm范圍內(nèi)，電容變化率、tanδ、擊穿點(diǎn)分布位置沒有明顯差異，擊穿點(diǎn)基本分布在元件邊緣的位置。邊緣距離為6mm的元件未發(fā)現(xiàn)有沿邊緣爬電現(xiàn)象。邊緣距離為12mm的元件擊穿電壓為7.42kV，元件邊緣距離8mm和6mm的擊穿電壓分別為7.02 kV和7.06kV，這到底是規(guī)律性還是分散性，需進(jìn)一步研究。

圖10 元件邊緣距離與tanδ和擊穿場強(qiáng)的關(guān)系（極間介質(zhì)為36μm）

（2）元件不同極間厚度，邊緣距離為6mm和12mm試驗(yàn)驗(yàn)證

在前面研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)產(chǎn)品常用的介質(zhì)結(jié)構(gòu)，開展了極間厚度為11μm×3和13μm×3，邊緣距離為6mm和12mm的元件擊穿場強(qiáng)和tanδ的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)共制作了4組試品，每組試品42個元件，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 邊緣距離為6mm、12mm試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果（極間介質(zhì)為33間介、39間介）

從表3可知，同種介質(zhì)厚度的試品，邊緣距離6mm和12mm的元件，擊穿電壓和tanδ基本沒有差異，元件的擊穿電壓位置主要集中在“F”較多，“E”次之，解剖元件檢查擊穿位置時，大多數(shù)擊穿點(diǎn)均在電極邊緣，沒有看到元件有沿邊緣爬電擊穿現(xiàn)象。

從上面的試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)來看，邊緣距離6mm不會引起元件的延面擊穿，也未導(dǎo)致元件耐電強(qiáng)度下降，所以選用6mm邊緣距離是可以的。但在實(shí)際電容器元件卷制過程中，會有一定的卷繞偏差，其次在心子的引線焊接元件端面時，焊接的熱應(yīng)力會對邊緣距離有不同程度影響，為保證有足夠的裕度，建議元件留邊距離選取不小于10mm，杜絕生產(chǎn)過程因素的影響，在提高產(chǎn)品運(yùn)行可靠性前提下優(yōu)化元件邊緣距離，提高產(chǎn)品比特性。尤其對于進(jìn)口交流濾波電容器的替換，可以在可靠運(yùn)行前提下，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場的順利安裝或替換。

2.2 內(nèi)熔絲優(yōu)化

高壓內(nèi)熔絲交流濾波電容器組設(shè)計(jì)時，應(yīng)當(dāng)充分考慮最大允許并聯(lián)數(shù)，一方面要考慮電容器外殼的耐爆能力，另一方面還要考慮電容器內(nèi)熔絲的上限隔離能力。

按照GB／T 11024［5～6］對內(nèi)熔絲的性能要求，在選擇內(nèi)熔絲時要考慮4個主要參數(shù)，即短路放電試驗(yàn)電壓、下限隔離試驗(yàn)電壓、上限隔離試驗(yàn)電壓、斷口殘壓。

1）短路放電試驗(yàn)電壓：2.5UN直流電壓下短路放電時不熔斷；

3）斷口殘壓：熔絲斷口殘壓應(yīng)大于70%，熔斷的熔絲兩端施加2.15UNe交流試驗(yàn)電壓或3.5UNe直流試驗(yàn)電壓，歷時10s，斷口應(yīng)無擊穿。

目前行業(yè)上使用的內(nèi)熔絲主要有單根絞線結(jié)構(gòu)和雙并結(jié)構(gòu)。常用熔絲直徑范圍為0.2～0.5mm。單根熔絲端部通常為多股絞線纏繞結(jié)構(gòu)，雙并熔絲結(jié)構(gòu)端部則靠引線片引出。單根結(jié)構(gòu)具有操作簡便、工藝簡單的特點(diǎn)。而“隱藏式”雙并結(jié)構(gòu)內(nèi)熔絲在滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定性能的前提下，具有動作范圍廣、殘壓高、耐充放電能力強(qiáng)、動作可靠性高的特點(diǎn)。尤其在特高壓串補(bǔ)等對內(nèi)熔絲要求極高的運(yùn)行工況下，雙并內(nèi)熔絲結(jié)構(gòu)相對于單根熔絲結(jié)構(gòu)產(chǎn)品運(yùn)行可靠性更高，在更低電壓下可以可靠熔斷，更能耐受由于其他因素導(dǎo)致的突變電壓［7］。對于在更高電壓畸變率等復(fù)雜工況下運(yùn)行的交流濾波電容器，建議選取合適的熔絲直徑，采取可靠性更高的雙并結(jié)構(gòu)內(nèi)熔絲，提高產(chǎn)品運(yùn)行可靠性。

2.3 放電電阻

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB／T 11024.1附錄D.5單相單元中的放電電阻按下式計(jì)算：

式中，t為從放電到UR的時間，s；R為放電電阻，MΩ；C為電容，μF；UN為單元的額定電壓，kV；UR為允許的剩余電壓，kV。

GB／T 11024.1規(guī)定，電容器的內(nèi)放電電阻能使電容器的剩余電壓在10min內(nèi)自降至75V以下；DL／T 840［8］規(guī)定應(yīng)降至50V以下，一般電容器設(shè)計(jì)都滿足DL／T 840要求，有些甚至滿足IEEE Std 18［9］，5min內(nèi)自降至50V以下的放電要求。但后者按式（1）計(jì)算電阻值會較小，也就是說，產(chǎn)品內(nèi)電阻實(shí)際消耗的功率會較前者大，這就要求設(shè)計(jì)時對電阻的損耗進(jìn)行核算，選取阻值更適合的電阻。

對于帶有內(nèi)熔絲的電容器，熔絲動作時，在故障段元件電容上會存在一定的直流電壓分量，這個過電壓會影響元件的耐壓水平，需要在每一個串段上并聯(lián)電阻進(jìn)行放電才能消除這個直流電壓。所以對于帶有內(nèi)熔絲的電容器，一般在每個串段上都并有電阻（如圖2所示）。這種結(jié)構(gòu)在滿足放電要求的同時，還可以進(jìn)一步改善內(nèi)熔絲的性能，消除每個串聯(lián)段上的殘余電荷，抑制熔絲動作產(chǎn)生的電?。?0］。另外，電阻分散布置在芯子最外側(cè)，可以方便散發(fā)電阻本身消耗有功功率產(chǎn)生的熱量，減小心子發(fā)熱的影響。

不論電容器是否帶有內(nèi)部熔絲，放電電阻的選用與設(shè)計(jì)不僅需要滿足放電電壓的要求，還應(yīng)同時滿足熱容量的要求。電阻一般有晶圓電阻和片式高壓玻璃釉電阻兩種，由于片式高壓玻璃釉電阻具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，被廣泛使用。

設(shè)計(jì)高壓電容器的高壓玻璃釉膜電阻時應(yīng)注意：①電阻擊穿電壓／使用電壓應(yīng)≥8。②在選取電阻的功率時，要考慮電阻所處的環(huán)境溫度對允許負(fù)荷的影響。③考慮電阻隨環(huán)境溫度的增加其允許功率下降，放電電阻長期允許功率P應(yīng)按2倍額定電壓以上的功率考慮，放電電阻的額定功率都按其額定電壓下消耗功率的2倍以上選用。瞬時功率P應(yīng)按18.5倍額定電壓下的功率考慮。選取合適的電阻，對電容器的長期可靠運(yùn)行至關(guān)重要。

2.4 制造工藝優(yōu)化

電容器的溫升是由電容器損耗引起的。損耗可引起電容器心子的發(fā)熱，再通過內(nèi)部熱傳導(dǎo)將熱量傳至金屬外殼，外殼與外部空氣通過對流和輻射進(jìn)行散熱，最后達(dá)到熱平衡［9］。而電容器與環(huán)境空氣間存在一定的溫度差即溫升。在內(nèi)部設(shè)計(jì)完全一致的情況下，損耗就取決于其制造工藝尤其是真空浸漬工藝的優(yōu)良。

當(dāng)下，油浸電容器主要采用加壓浸漬工藝，研究表明，對全膜電容器將干燥溫度適當(dāng)提高，可以大大縮短整個浸漬的時間，而且tanδ的最小值也減少約0.01%。如果真空浸漬工藝不好，殘留有氣泡，也會導(dǎo)致?lián)p耗角正切（tanδ）隨電壓增加而變大。而在工作場強(qiáng)附近，雜質(zhì)離子溶解于浸漬劑中，在電場作用下，它們會被液膜之間的陷阱陷住不參與導(dǎo)電，從而導(dǎo)致?lián)p耗角正切（tanδ）減小。因此，在正常情況下，電容器損耗和電壓的關(guān)系應(yīng)該是一個盆形曲線［11］。

另外，對于壓緊系數(shù)較大、體積較大的產(chǎn)品，為了保證元件的浸漬效果，可以采取適當(dāng)延長加壓浸漬及老練時間來改善浸漬狀況，降低損耗，提升產(chǎn)品局部放電特性。

3 結(jié)束語

電容器元件結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)、熔絲結(jié)構(gòu)的適當(dāng)選用、電阻的合理選取以及恰當(dāng)?shù)闹圃旃に囀墙涣鳛V波電容器安全可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。研究結(jié)論具有明確的現(xiàn)實(shí)意義和推廣價(jià)值。

1）在生產(chǎn)工藝等允許的條件下，電容器設(shè)計(jì)選擇適當(dāng)?shù)谋∧ず穸龋x擇合理的設(shè)計(jì)場強(qiáng)并留有足夠的設(shè)計(jì)裕度，可以大大提升國產(chǎn)化交流濾波電容器性能，使其可在更高電壓畸變率工況下安全可靠運(yùn)行。

2）邊緣距離為6～12mm，雖不會引起元件的延面擊穿和元件耐電強(qiáng)度下降，但為了杜絕生產(chǎn)過程因素的影響，保證足夠的裕度，建議元件留邊距離選取不小于10mm，可以優(yōu)化產(chǎn)品比特性，尤其對于進(jìn)口交流濾波電容器的替換。

3）對于在更高電壓畸變率等復(fù)雜工況下運(yùn)行的交流濾波電容器，建議選取可靠性更高的雙并結(jié)構(gòu)內(nèi)熔絲，提高產(chǎn)品運(yùn)行可靠性。

4）交流濾波電容器放電電阻的選用不僅需要滿足放電電壓的要求，還應(yīng)同時滿足熱容量的要求，對于放電要求高的，還需要進(jìn)行損耗核算。

5）對于壓緊系數(shù)較大、體積較大的產(chǎn)品，建議可以采取適當(dāng)延長加壓浸漬及老練時間來改善浸漬狀況，提升產(chǎn)品局部放電特性。