对电力电容器局部放电的理解与对策.pdf

3 收稿日期:2008210231对电力电容器局部放电的理解与对策夏建中,李洪臣(新东北电气(锦州)电力电容器有限公司,辽宁 锦州121000)摘 要:电力电容器产品的局部放电特性可以较客观的反映产品设计、工艺水平、制造质量。所以加深对局部放电特性的理解,采取提高局部放电起始和熄灭电压的措施,使产品设计、制造工艺更趋于合理、完善。关键词:局部放电;制造工艺;工作场强中图分类号:T M531.4 文献标识码:B 文章编号:167421757(2009)0220007203Research and Countermeasure on PartialD ischarge of Power CapacitorXI A Jian2zhong,L IHong2chen(New Northeast Electric(Jinzhou)Power Capacitor Co.,Ltd,Jinzhou Liaoning 121000,China)Abstract:The partial discharge ofpower capacitor can objectively reflect the product design,processlevel and fabrication quality.Therefore,deeply researching on characteristics of partial dischargeand taking the measures to increase inception and extinction voltage,will make the product designand fabrication technology more rational.Keywords:Partial discharge;Fabrication technology;Operation field strength0 引言电力行业标准DL/T 840-2003对单台出厂及抽查试验中要求:“加压至2.15倍Un保持1 s,将电压降到1.2Un并保持1 min,然后将电压升到1.5Un保持1 min,不应观察到局部放电水平增加。极对壳放电熄灭电压,应不低于1.2倍最高运行线电压。”高电压电容器绝缘内部因工艺条件、生产环境、绝缘介质质量等条件限制,不可避免地存在有缺陷(例如固体介质中的气隙,液体介质中的气泡)和电场分布的不均匀性,这些气隙气泡或局部固体绝缘沿面上的场强达到一定值以上时,就会发生局部放电,这种放电一般不会引起绝缘的穿透性击穿,不会立即形成贯穿性通道,但长期的局部放电使绝缘的劣化损伤逐步扩大,最终可使整个绝缘击穿或沿面闪络。所以分析各种因素对电容器局部放电特性的影响有助于提高产品制造质量、延长电力电容器的使用寿命。1 局部放电与介质厚度的关系在极不均匀的电场中,例如在电容器元件极板边缘处,电极间的介质厚度决定着发生局部放电时的电压值Ud及其平均场强Ed=Ad-0.5,常数A与局部放电的类别有关。这个公式已通过试验得到很好的证明,由上式可见,局部放电的场强随绝缘厚度的减小而增大。因此为了提高电极边缘处局部放电的电压及平均场强,采用较薄的聚丙烯膜是有利的。但聚丙烯膜的电气弱点是随着厚度d的减小而增加,厚度更小时,由于每层膜中弱点(孔隙或导电点)对整个绝缘影响随层数的减少而变得显著,会使绝缘的电气强度下降。所以电容器的元件设计往往都采用n层厚度为d/n的薄膜绝缘,如果随着薄膜制造工艺水平的提高,薄膜的弱点更少,则电容器可以选用更薄的膜制作,用以提高产品的局部放电水平。2 局部放电与浸渍剂压力的关系增加电容器浸渍剂压力的方法可显著提高电容器局部放电的起始电压(见图1)。因为压力增加时,气体在油中的溶解量增大,油中气体的溶解度与外界压力成正比,并且气泡的7第30卷 第2期2009年4月电力电容器与无功补偿Power Capacitor&Reactive Power CompensationVol.30No.2Apr.2009局部放电电压也提高。但经验表明,把浸渍剂压力提高到一定限度之上也是不适当的,因为电力电容器浸渍剂运行时的热胀冷缩是靠薄板箱壁补偿,过高的压力会使电容器补偿能力减弱。通常制造的电容器内部过剩油压应保持在2104Pa左右。压力低于大气压时可能导致局部放电电压下降,在寒冷地区运行的电容器,由于温度下降而使压力降低就会发生这种现象,所以控制电容器真空浸渍出罐温度是一很重要的环节。图1 临界局部放电电压与油压的关系1 3 局部放电与温度的关系电容器介质中的局部放电场强与温度有关,而且对于不同浸 剂其温度变化的影响也是不同的。PXE浸聚丙烯膜模型电容器试验数据证明,在规定条件下测得的局部放电起始电压和熄灭电压都随温度的升高而增大。温度升高时,由于浸渍剂溶解气泡能力的增加而使交流下的局部放电场强上升,因为油隙及气隙的耐压强度比浸渍膜的耐压强度低得多,所以局部放电首先在那里发生。由电容器模型试验数据可知,“C101”浸渍的电容器局部放电起始电压和熄灭电压都比PXE浸渍的产品要好许多,以上两种浸制剂均为芳环含量高的液体介质,其吸气系数基本相同,但“C101”在-40低温下粘度比PXE低近6倍(见表1)。不同介质浸渍全膜电容器随温度变化其局部放电起始和熄灭电压的特性见表2,试验单元额定电压1.695 kV(工作场强54.7 kV/mm)210+11m聚丙烯膜,局放量值规定为10 pC。液体介质的粘度决定气泡留在高场强区域附近的时间。一种液体的气体吸收性能与它的粘度一起决定液体浸渍系统的局部放电性能。浸渍液体具有低粘度和高气体吸收能力时局部放电性能达到最佳的优点。表1 液体介质的一些物理性质3,4温度油样-40/(mm2/s)25/(mm2/s)析气吸收系数凝固点/PXE15256.5-430(mm油柱/100min)-45C1012805.6-780(mm油柱/100min)-60表2 不同介质浸渍全膜电容器局部放电起始电压和熄灭电压的温度特性液体介质PD I V场强kv/mmPDEV场强kv/mmPD I V场强kV/mmPDEV场强kV/mm2540PXE887594.0576.65C101968398.7584.33-25-40PXE80.3262.4668.2942.57C10188.6769.3384.353.334 局部放电特性与制造工艺的关系局部放电特性与制造工艺有着重要关系,其中最重要的是真空干燥工艺。全膜电容器外包绝缘多采用电缆纸包封,所以解决纸绝缘及浸渍液体介质的微水含量是至关重要的。提高浸渍真空度是为了保证绝缘具有较低的tan,此外还可以大量减少绝缘中残存的气体。在液体介质中不允许含有大量的溶解空气,8第30卷 第2期2009年4月电力电容器与无功补偿Power Capacitor&Reactive Power CompensationVol.30No.2Apr.2009因为温度变化将产生气体渗入物,致使局部放电电压急剧下降。为了获得较好的局部放电特性,还需要降低电容器的绝缘含水量,要做到这一点,浸渍剂的微水含量应 10 ppm,并保证真空干燥结束时剩余压力 1 Pa。由于纸中的残余水分分解可能排出气体,这在真空热处理不良的绝缘中表现特别明显,而改善干燥和浸渍过程后则显著减弱。电容器元件卷制车间的净化条件对电容器的局放特性起着非常重要的作用,此时局部放电强度取决于固体导电掺入物的出现,大小不同的导电颗粒,包括电容器纸中的固定颗粒和移动颗粒,在绕制时可能进入电容器元件或漂浮在浸渍液体中。在介质中由于厚度方向上的局部差异,会产生由混合物颗粒组成的浮桥,从而使电场畸变,局部放电性能变坏。尤其心组中元件串并联接、引线及浸渍结束后封口锡焊,很容易将焊锡渣落入壳内或未清理干净,造成悬浮电位,引发局部放电量增大,甚至使元件击穿,最常见是极对壳1.2倍线电压试验时局放不能熄灭,导致电容器长期挂网运行时,在颗粒和电极间的路径上发生持续放电,使液体介质分解 析出气体,所以固体导电颗粒的出现会缩短电容器的寿命。在交流电压作用下,电容器绝缘中的局部放电首先在场强较高的电极边缘产生,采用铝箔折边结构可以有效地提高电容器局部放电的起始电压和熄灭电压。5 电容器的制造和试验间隔对局部放电的影响目前电力电容器中的浸渍剂通常采用与聚丙烯膜相溶性好、芳香度高、粘度小、凝固点低、吸气性好的卞基甲苯绝缘油。产品在浸渍后不宜很快就做电气性能试验,因为产品在浸渍过程中有好多气体分子未能溶于液体介质中,而单卞基甲苯绝缘油良好的吸气性会逐渐将溢出的气体分子充分吸收,这需要一定的时间完成。有试验证明聚丙烯膜电容器在存放五天以后会达到最高的局部放电电压。一些电容器制造厂依旧保持着全膜电容器的热老炼工艺,其目的就是为了进一步完善聚丙烯膜的浸渍过程,使浸渍剂渗透到薄膜内部,并达到溶胀的稳定,而使电气性能达到最佳。6 电力电容器工作场强的选取选择电容器绝缘中的工作场强时,既要考虑到电容器在工作电压下长期运行,也要考虑到可能遇到的各种短暂过电压作用。按长时间工作电压选择工作场强,需要保证其所要求的使用寿命(而使用寿命首先决定于允许的起始局部放电特性)和电容器的损耗不使介质过热。按短时间过电压选择工作场强时,需保证绝缘不被击穿和在过电压作用下不产生绝缘的不可逆损坏和性能劣化。前者取决于绝缘的短时间的电气强度,后者取决于临界局部放电特性。高的工作场强可使电容器过热失去热平衡,只有采取措施把绝缘的tan减小,或采用损耗低的绝缘,在浸制剂中加入环氧化物减轻污秽对tan的影响,才能选择高一级的工作场强。电容器的制造工艺水平、真空处理时的剩余压力和温度、工艺过程的清洁度等都对工作场强有显著影响。目前先进国家生产的电力电容器工作场强已达到80 kV/mm,比特性为0.1 kg/kvar。显然我国电容器行业制造水平与其相比还存在一定差距。但随着介质材料性能及加工工艺水平的提高,此差距正在逐步缩小。由于电弱点少、介损低的聚丙烯粗化膜及介电强度高、粘度低、析气性好浸渍剂的应用,电容器元件卷制、元件耐压、心组压装、熔丝及电阻焊接、绝缘包装、心组装壳、入罐浸渍等一系列自动化加工工艺的实施,国产电力电容器的技术水平将会有较大幅度的提高。8 总结对电力电容器产品的局部放电特性测试较客观地评价了产品的设计、工艺水平、制造质量。而且因为电力电容器的设计工作场强一般取决于绝缘在过电压下不发生局部损坏这一要求,其数值由局部放电特性所决定,所以加深对局部放电特性的了解,更有利于产品设计、工艺制造更趋于合理、完善。提高电力电容器产品的局部放电起始和熄灭电压应注意解决以下几个问题:选择电弱点小、厚度规格小的聚丙烯膜做介质。(下转第13页)9第30卷 第2期2009年4月电力电容器与无功补偿Power Capacitor&Reactive Power CompensationVol.30No.2Apr.20092)分散度b的取值:分散度b由于受到工艺条件的变化而变化,我们也可以称为工艺系数。通过统计产品在一段时间内的出厂试验合格率,再与计算机的模拟值进行比较,便可初步得到影响元件耐压水平分散程度的系数b。6 提高电容器元件极间绝缘水平的措施通过以上分析,可以看到,电容器的极间绝缘水平受到平均击穿场强及分散度两个因素的影响,我们可以从以下两方面着手,提高电容器元件的极间绝缘水平。6.1 提高电容器元件的平均击穿场强1)采用铝箔突出折边结构,降低元件边绝缘场强的集中;2)铝箔采用激光切割工艺;3)选用较薄的铝箔(在相同的压紧系数下可降低折边处的场强,见最后说明)和较薄的薄膜;4)选用介质优良的浸渍剂,浸渍剂中加入环氧添加剂;5)减少折皱,降低折皱处的场强集中度;6)合理布置心子结构,如大容量电容器宜于卧放布置,以防止电容器底部元件因受压太大,导致场强分布不均;7)加强引线片焊接工艺控制,以防止焊接处过热造成的元件绝缘介质受损,从而降低了击穿场强;8)加强真空浸渍工艺控制,提高电容器元件的局部放电水平,防止电容器长期运行中造成的绝缘水平降低情况发生;9)在大容量电容器上采用内熔丝结构,以甩开绝缘强度较低的元件。6.2 降低工艺的分散度1)加强原材料的控制,降低材料的分散性;2)加强膜空隙率及电弱点控制,提高聚丙烯膜的均匀性及耐电强度;3)提高加工水平的自动化程度,降低人为因素的影响;4)控制内熔丝及内放电电阻的分散性;5)提高机械加工精度,保证外壳的尺寸的偏差;6)尽可能降低电容器的串段间电容偏差及相间电容偏差;7)加强员工操作技能培训,缩小人为因素的偏差;8)加强设备的控制,缩小各设备间的加工偏差。作者简介:王 耀(19682),男,陕西合阳人,高工,主要从事电力电容器及成套装置的技术工作。刘 菁(19692),女,陕西西安人,工程师,主要从事电力电容器标准化技术工作。(上接第9页)浸渍剂选用介电强度高、析气性好、粘度低并加有抗老化添加剂的芳烃类绝缘油。封口后的电容器箱体内应保持一定压力。控制产品出罐封口温度,避免由于温差造成箱体内缺油。不断提高机械自动化加工水平,减少因手工操作引起的元件质量不良。参考文献:1 徐永喜,胡维新(译).高压电器设备局部放电M.北京:水利电力出版社,1984.2 朱德恒,严璋.高电压绝缘M.北京:清华大学出版社,1990.3 刘万松.HBT绝缘油性能的研究综述J.电力电容器技术,1994,(1).4 电力电容器手册M.西安:西安电力电容器研究所行业信息室,1998.作者简介:夏建中(19552),男,辽宁锦州人,高级工程师,主要从事电力电容器无功补偿、电容式电压互感器等技术研究。E2mail:李洪臣(19682),男,辽宁朝阳人,工程师,主要从事电力电容器无功补偿、金属化电容器等技术研究。31第30卷 第2期2009年4月电力电容器与无功补偿Power Capacitor&Reactive Power CompensationVol.30No.2Apr.2009