王晶晶
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(jié)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(fā)、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(yè)單就生產設備、原材料和技術來說，并不比國際上先進水平遜色，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(yōu)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(huán)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，自愈性能*，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(fā)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(guī)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(jié)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*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(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，更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(guī)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(fā)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(tài)，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(fā)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(huán)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(wěn)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(yōu)于有關標準。
（8）制造過程中加強產品節(jié)點、工藝衛(wèi)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(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(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(wěn)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(fā)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(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(fā)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(xù)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(wěn)定性試驗
（1）試驗方法：見3.4技術要求中熱穩(wěn)定性試驗。
（2）試驗數據：熱穩(wěn)定試驗后，試驗數據見表3。
表3熱穩(wěn)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(jié)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?guī)由熔絲、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。具有體積更小，功耗更低，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更高要求。
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(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。采用了具有先進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(guī)定要求；結構設計較為先進，符合使用要求，并從型式試驗方面進行了驗證，產品性能*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(yè)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(jié)能產品，因而有較廣闊較穩(wěn)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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[3]安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊.2020.6版.
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