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国外电力电容器技术发展综述、


前言 从二十世纪末至今的 10 多年期间,国外高压电力电容器技术总体上处于平 稳的发展阶段,大量提供市场的还是油浸全膜电容器,并没有突飞猛进的发展。 但技术进步的步伐在悄悄地进行着,有些方面已显现出新一代产品的端倪,也许 预示着一个电力电容器发展的新时代即将到来。 这里将得到的一些国外电容器信 息与同业者交流,主要介绍 ABB、COOPER 和 GE 三大电容器生产企业的产品发展 信息,同时也涉及到日本、印度和韩国的电容器发展信息。 相比之下,近 10 年来我国电力电容器制造业不论在技术上还是在生产规模 上都呈现出飞跃式的发展, 这是世人所公认的。 我们的高压电容器实现了全膜化, 产品技术经济指标和外观都有了今非昔比的变化, 尤其在实现直流输电用电容器 国产化方面做出了突出的业绩。但是在一定程度上,这些技术的进步是靠国外技 术进步尤其是中外合资企业的先进技术所带动的, 具有自主知识产权的技术并不 多;这些进步是追赶性的,而且我国电力电容器现在的技术水平总体上与国外先 进水平还有相当大的差距。所以,今天放眼看一看国外技术发展现状,探索国外 技术发展的新动向,也许对我国电力电容器今后的发展能起到某种启迪作用。 1 电容器的主要材料 1.1 固体介质 材质上现在都用双轴定向拉伸聚丙烯薄膜,它在电力电容器上的应用已有 40 年的历史了,目前还没有新的、更好的材料可以替代。从薄膜加工的方法来 分, 有管膜法和平膜法两种。 普遍认为管膜密度较高、 机械性能好、 耐电强度高、 厚度均匀性稍差;平膜生产效率高、厚度均匀性好、耐电强度高。在应用效果上 两者并无明显差别,只是各电容器制造企业习惯上的选择,ABB 用过管膜也用过 平膜,COOPER 和 GE 一直用管膜。生产管膜的都是老设备,新设备都是生产平膜 的,看来平膜可能是今后的发展趋势。值得注意的是,国外通常采用质量密度法 测量薄膜的厚度,国内则用千分尺法厚度。 薄膜的质量是至关重要的,包括聚丙烯树脂粒子来源、生产环境条件和整个 生产过程管理等方面都要严格加以控制。据说控制薄膜中氯离子含量(不大于 5 ×10-6)十分重要,在电容器心子材料中也要避免采用含氯化合物(如聚氯乙烯 等),氯离子含量过高就会使电容器在运行中的耐电强度降低。 1.2 液体介质 近 10 年来,国外电容器浸渍用液体介质基本上统一到 C101 和 SAS 两种。两 者都是混合物,C101 由单/双苄基甲苯组成,SAS 系列浸渍剂由二苯基乙烷和单 苄基甲苯组成,在性能上没有很大差异,以至于更换浸渍剂后电容器的设计都不 需改动。从价格因素考虑,国外三大电容器生产企业目前均采用了日本石油公司 在美国生产的 SAS 油。这两种浸渍剂的分子结构图见图 1,主要性能参数见表 1。

图 1 C101 和 SAS 浸渍剂的分子结构图 表 1 各种电容器浸渍剂的主要性能参数
项目 主要成分 SAS-70 二苯基乙烷 0.7 单苄基甲苯 0.3 0.997 0.693 51.1 SAS-40 二苯基乙烷 0.6 单苄基甲苯 0.4 1.000 0.686 51.1 C101 单苄基甲苯 0.75 双苄基甲苯 0.25 1.010 0.645 243 PXE 苯基二甲苯基 乙烷 PEPE 苯基乙苯基 乙烷

密度 g/cm3 芳香度 运动黏度 /-40℃ ×10-6m2/s 析气性/30℃ μL/min 闪点 ℃ 凝固点 ℃ 介电常数 /25℃

0.990 0.444 15000

0.973 0.500 80

-160 138 <-65 2.5

-160 132 -70 2.5

-140 135 -67 2.65

-120 148 -48 2.51

—— 140 -65 2.46

1.3 金属材料和电容器出线套管 作为电极的铝箔厚度为 4.5μm,主要是瑞士 NEHER 公司生产,厚度均匀、 清洁度高、致密性好、卷绕性能优良,但价格昂贵。COOPER 公司采用瑞士的激 光切割铝箔,价格就更高了,但该公司认为用激光切割铝箔比铝箔折边具有更多 好处。

电容器外壳大都采用有磁不锈钢材料,通常为含铬的铁素体不锈钢,美国牌 号 AISI 409 比无磁的不锈钢 AISI 304 价格低得多。 电容器的出线套管各家有所不同,ABB 用机械滚压法兰套管氩弧焊接到箱盖 上, 而美国的 COOPER 公司和 GE 公司仍采用传统的烧结金属后再进行锡焊的套管。 据说欧盟从环保考虑,要求电容器套管不得含有重金属铅,看来无铅锡焊料的套 管是今后的使用方向。 2 油浸式电容器单元的设计和工艺特点 2.1 ABB 电容器 国内对 ABB 公司的电容器产品了解较多。 其电容器设计和工艺特点可概括如 下: (1) 元件设计 采用质量密度法厚度为 9μm~18μm 的 3 层双面粗化聚丙烯薄膜,额定场强 最高达 78MV/m。铝箔折边/凸出,钎焊连接。薄膜宽度 322mm、铝箔宽度 320mm, 与外壳的配合比较紧凑。 (2) 外壳尺寸 宽度 343mm、厚度 178mm 为统一的标准规格,高度也规定了若干尺寸。形成 了一张表,对每一个外壳给出一个代号,就作为电容器单元的型号。对 100kvar~1000kvar 的电容器,都可以从这张表中选用合适的外壳;同样,一看到 型号(例如 CHDB202),对照表格就知道外壳尺寸,外壳标准化程度很高。 (3) 熔丝设置 内熔丝是 ABB 公司的成熟技术,只要适用,都采用内部熔丝。熔丝结构为端 部多股缠绕、放置于元件之间。同时也少量生产外熔丝电容器和无熔丝电容器, 而且主张无熔丝电容器单元的内部元件先串后并连接。对内熔丝、外熔丝和无熔 丝电容器的适用范围分别在系统额定电压和电容器组额定容量上进行了划分。 (4) 器身制造 心子组装在自动线上进行, 与外界隔离。 元件平放压装, 压紧力为 1500N(按 千分尺法膜厚计算压紧系数为 0.86 左右)。 对壳绝缘采用电缆纸在专用设备上包 绕,在电缆纸的上下两端增加薄膜复合。 (5) 真浸处理 电容器卧放在真空罐内,采用一步法进行真空干燥和注油浸渍,并在罐外进 行补充浸渍,浸渍剂是 Faradol 810,即 SAS-70E。处理周期 30 h ~50h。

(6) 降低噪声的措施 ABB 常规电容器可装有专用的噪声阻尼器,据说能将噪声降低 18dB。 (7) 成套装置 除常规的多层构架装置外,还有单元立放、顶部加有防护罩的半封闭电容器 装置、可投切的柜式电容器装置以及柱上式并联及串联电容器装置,适用于电压 12 kV~36kV、容量 10Mvar 以下。 2.2 COOPER 电容器 美国 COOPER 公司高压电力电容器业务原属麦克劳·爱迪生公司,1980 年并 入 COOPER 公司。该公司对中国市场关注较早,在改革开放初期即向我国转让了 高压全膜电容器制造技术,近年又在上海建立了合资公司。其产品特点如下: (1) 元件设计 介质为两层薄膜(一层单面粗化膜加一层光膜)浸 Edisol ST(SAS 和 C101 的 混合油),额定场强大于 70MV/m。采用激光切割铝箔,边缘凸出但不折边,电气 连接采用机械压接,无焊点。主导产品采用大元件和长轴卷制机,元件在外壳内 立放,对于内熔丝电容器则为元件卧放。元件采用高占空系数设计。 (2) 熔丝设置 主张外熔丝和无熔丝设计,用户有要求时也生产内熔丝电容器。 (3) 真浸处理 电容器立放,按两步法实施,首先在干燥罐内进行单台抽真空;充氮后转入 敞开的注油浸渍系统,在室温下进行单台抽真空和注油、浸渍。 (4) 表面处理及老练 底漆是快干漆,喷过底漆后接着喷面漆,然后在提高温度下保持一定时间, 同时起到老练的作用。 2.3 GE 电容器 美国 GE 公司是老牌的电容器制造商,设备、工艺更为成熟,近年很重视中 国市场。其产品有以下特点: (1) 元件设计 介质为两层 GE 生产的单面粗化膜浸渍 SAS-70,场强最高达到 2000V/mil(78.7MV/m),通常 70MV/m~75MV/m。铝箔折边/凸出,超声波焊接。采

用大元件结构和长轴卷制机,元件标准长度 650mm,留边 0.5 英寸。元件在外壳 内立放组装,压紧系数为 0.8(按质量密度法膜厚计算),按千分尺法膜厚计算则 为 0.88。 (2) 熔丝设置 GE 公司明确只生产无熔丝电容器和外熔丝电容器,不生产内熔丝电容器, 认为内熔丝电容器内部结构复杂、生产效率低、成本高。 (3) 关于无熔丝电容器 所谓无熔丝电容器是指在电容器组中单元的接线方式为先串后并, 在单元内 部的元件连接方式上则与外熔丝电容器的单元完全相同,都是先并后串。无熔丝 电容器是原西屋公司 Harder 先生首创的,在美国已普遍应用。全膜介质电容器 击穿后介质融化、两极板形成良好短接。在元件串联数较多的情况下,个别元件 击穿,使其他完好元件电压提高不多,整组电容器电容量的变化也不大,因而还 可继续运行。在使用效果上,无熔丝电容器与内熔丝电容器很类似,但电容器单 元内部结构简单了。 无熔丝电容器在使用上的限制条件是: 系统电压不能太低(一 般在 35kV 以上)、通过电容器单元的额定电流不能太大(小于 60A)、电容器元件 的极间介质不能太厚(质量密度法厚度不超过 30.5μm )。 (4) 真浸处理 执行两步法工艺,首先在真空罐内进行加热干燥和整体抽真空处理,结束后 充氮;然后在敞开的装置上进行抽真空和室温下的压力注油、浸渍。 (5) 成套装置 组架的材质全部为铝合金,成本很高。因美国对环保要求严格,钢材电镀很 难实施。 2.4 典型产品参数 现将收集到的国外高压电容器产品主要技术参数列于表 2。 从表 2 可以看出, 国外先进的电容器技术经济指标明显优于国产电容器。 表 2 国外高压电容器典型技术参数

公司

系列/型号

容量 kvar

外壳尺寸 mm 343×178×460 343×178×635 343×178×750

重量 kg 44 59 67

比特性 L/kvar 0.078 0.072 0.069

比特性 kg/kvar 0.122 0.109 0.102

瑞典 ABB

并联/HiQ

360 540 660

1000 HVDC 交流滤波 串联 美国 COOPER 串联 并联/EX-7L 854.3 736.7 334 417 521 664 美国 GE 芬兰 NOKIAN 印度 Shreem 韩国 SAMWHA 并联 并联/TAF 并联、滤波/TILP 并联 250 334 500 823 736.64 500

343×178×1140 343×178×1140 343×178×1140 343×127×470 343×140×572 343×178×699 —— 343×150×439 343×150×566 350×200×620 350×200×1060 —— ——

100 100 100 34.5 44.5 62 88 35.1 44.6 63 —— 114 91

0.070 0.081 0.094 0.061 0.066 0.082 —— 0.090 0.087 0.087 0.090 ——

0.100 0.117 0.136 0.103 0.107 0.119 0.133 0.140 0.134 0.126 —— 0.155 0.182

3 干式及难燃油浸电容器 3.1 ABB 高压干式电容器 (1)开发及应用 1998 年成立项目小组,开始高压干式电容器的研制。1999 年,首批直流干 式电容器交付给一个 HVDC light 工程应用。 2002 年在瑞典 ABB 电容器公司建成高压干式电容器生产线,形成规模化生 产。最初生产的是户内用直流电容器,主要用于 HVDC light 和 SVC light 装置 中,取代传统油浸电容器。 2003 年以后开始生产 DryQ 型交流干式电容器,用于无功补偿和谐波滤波。 2008 年对 IEC 60871 标准提出修改草案,建议将高压自愈式干式电容器列入标 准的适用范围,并补充相应技术要求,目前 IEC TC33 正在审议中。 (2)介质和电极 采用金属化聚丙烯薄膜作介质。 电极非常薄(0.01μm), “压扁的熔丝” 类似 , 介质击穿后,在击穿点附近远小于 1cm2 的范围内电极烧熔蒸发,绝缘性能自愈 恢复,仅有微小的电容损失。 金属化膜上的电极具有网格式结构,即所谓“安全膜”。电极被分割成许多切 块(尺寸大约 1cm2),通过电流门互相连接,就相当于熔丝连接,参见图 2。

图 2 干式电容器用网格式金属化膜

图 3 干式电容器外形结构 (3)结构设计和制造工艺特点 外形为圆筒状,高度随额定电压的提高而增加,参见图 3。圆筒状外形、没 有尖角、电场均匀,同时也有利于散热,必要时,还可采用强迫空气通过电容器 内部通孔的方法来加强冷却。 外壳材料为聚合物管,其成本低、重量轻。 电容器元件采用内串结构, 同时利用元件的相互串联叠装方式达到所要求的 电压等级。

DryQ 型交流电容器,基本设计与早期研制的 HVDC 用直流电容器相同。但外 壳加装硅橡胶伞,以满足户外绝缘的要求。 DryQ 电容器与 HVDC 用干式直流电容器最主要的区别是介质损耗大,散热设 计成为主要问题。为此,ABB 开发了独特的冷却方式。 针对典型寿命 30 年的要求,进行了加速老化设计试验。试验过程中监测电 容变化,根据电容损失随时间的变化,可精确、快速给出电容器性能的预测。 电气连接在绝缘筒的顶上和底部,套管和盖子制成一个整体,不需要单独的 绝缘套管。 工艺过程为:卷绕—组装—装箱—真空处理—试验,比常规油浸电容器工艺 过程简单。 交流电容器可用于并联、滤波、串联电容器装置,电容器组的保护,与常规 电容器相同。干式电容器装置布置见图 4 和图 5。

图 4 户外干式电容器装置 吊装的干式电容器 (4)主要优越性

图 5 户内天花板上

电容器单元能量密度高、体积小、重量轻,电容器装置结构紧凑。 干式无油,防火灾:电容器没有渗漏问题,当发生火灾时,没有可燃液体造 成火灾蔓延的可能。 噪声低:其噪声水平与 ABB 带噪声阻尼器的油浸电容器相当。 环境友好: 聚合物外壳不锈蚀, 不需要对电容器喷漆。 在电容器生产过程中, 不使用浸渍剂、油漆等对环境有害的化学品。LCA(生命周期评价)表明,从原材 料、生产过程、能量消耗、生命周期中的性能,以及运输和最终废弃处理来综合

考虑,干式电容器的各项环境影响评价指标均优于常规油浸电容器,可称为环境 友好的电容器产品。 3.2 日本的充气和难燃油电容器 (1)NICHICON 公司生产充难燃油(燃点高的菜子油加添加剂)的和充氮气的 高压自愈式电容器,介质为内 3 串双面金属化纸,中间夹一层 PP 膜,体积比常 规油浸全膜介质电容器大。内部保护装置为拉断式,保护板两边焊到箱壳的内壁 上,电容器故障时箱壳鼓胀,即将保护片拉断。向中国地铁工程等项目提供过一 定数量的难燃油电容器; (2)日本日新也生产难燃油浸渍的高压电容器,浸渍剂称作 PFPE,最大的优 点是燃点极高; (3)日本工业标准 JIS C4902:1998 高压及特别高压进相电容器及其附属设 备,适用于油浸及干式高压自愈式电容器,是世界上唯一的适用于高压自愈式电 容器的国家标准。 3.3 德国干式高压电容器 德国生产高压干式电容器,有一定的市场需求。用户要求干式电容器不得浸 任何液体绝缘油,全膜介质和金属化膜介质均可接受。对干式电容器最主要的要 求是检测局放,放电量不大于 10pC 才能接受。要求自愈式电容器的 tanδ不大 于全膜电容器的 2 倍,耐久性试验后增加值不大于 2×10-4。德国认为自愈式电 容器不平衡保护不灵敏,主要靠内部灵敏开关(sensor)来保护。 4 结语 在常规油浸电容器方面,国外近 10 年来没有飞跃性的发展。但产品质量有 稳定提高,比特性也有进一步改善,在熔丝保护上基本形成了内熔丝、外熔丝和 无熔丝电容器并存的局面。尤其值得注意的是,为适应环境保护的要求,出现了 干式的和难燃油浸渍的高压电容器,其中 ABB 公司的干式电容器有了长足的发 展,是电容器制造技术上的重大突破。从我国实际情况出发,借助国外经验,国 产电容器应在以下方面加速发展: (1)在提高油浸电容器运行质量的基础上,改善技术经济指标,在比特性上 逐步缩小与国外先进水平的差距; (2)开展无熔丝电容器的研究及应用,以便根据工程的实际需要,向用户提 供内熔丝、外熔丝和无熔丝电容器; (3)要十分重视节能、环保的要求,开发资源节约型、环境友好型的新产品: 例如低噪声电容器、 干式电容器、 难燃油电容器等。 电容器装置也要向结构紧凑、 占地省、高可靠、免维护方向发展。


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