电力电容器制造技术进展设计.docx
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电力电容器制造技术进展设计
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电力电容器制造技术进展
摘要
电力电容器分为串联电容器和并联电容器,串联电容器可以提高线路末端电压、降低受端电压波动、提高线路输电能力、改善系统潮流分布、提高系统稳定性等作用。
并联电容器并联在系统的母线上,类似于系统母线上的一个容性负荷,它吸收系统的容性无功功率,这就相当于并联电容器向系统发出感性无功。
因此,并联电容器能向系统提供感性无功功率,系统运行的功率因数,提高受电端母线的电压水平,同时,它减少了线路上感性无功的输送,减少了电压和功率损耗,因而提高了线路的输电能力。
它们都可以改善电力系统的电压质量和提高输电线路的输电能力,是电力系统的重要设备。
本文介绍了我国电力电容器产品制造技术的发展现状。
分别对电力电容器的设计方法,绝缘材料,生产工艺,试验方法,应用等方面的技术进展做出了综合的分析,在与国外电力电容器产品先进水平对比的基础上,讨论了我国电力电容器产品的差距和某些对策,并对我国电力电容器技术发展趋势提出了一些看法。
关键词 电力电容器;制造技术;技术发展
Thedevelopmentofmanufacturingtechnologiesaboutpowercapacitor
Abstract
Powercapacitorsaredividedintoseriescapacitorandshuntcapacitor.Seriescapacitorscanincreasethelineterminalvoltage,decreasethefluctuationofvoltage,improvethelinetransmissioncapacity,changetheflowdistributionsystemandraisethestabilityofthesystem.Shuntcapacitorissimilartoacapacitiveloadonthesystem'sbus,whichisparallelonthesystembus.itabsorbsthesystemcapacitivereactivepower,whichisissuedtheequivalentofshuntcapacitorstothesystemofinductivepower.Therefore,theshuntcapacitorcanbeprovidedtothesysteminductivereactivepowerandraisetheelectricalsidebusvoltagelevel.Atthesametime,itreducesthelinesofinductivepowerdelivery,alsoreducesvoltageandpowerloss,thusincreasesthetransmissioncapacityoftheline.Theycanimprovethevoltagequalityofthepowersystemandincreasethetransmissioncapacityoftransmissionlines,andtheyareamajorpowersystemequipment.
Thisarticledescribesourpowercapacitorcurrentdevelopmentofmanufacturingtechnology.Itisacomprehensiveanalysisaboutinsulationmaterials,productionprocesses,testmethodsandapplicationoftechnicaladvances.Itdiscussesthegapofpowercapacitorproductsandcertainmeasures,andmakesafewcommentstothedevelopmenttrendsofchinapowercapacitortechnology.
Keywords:
powercapacitor;manufacturingtechnologies;technicaldevelopment
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摘要
Abstract
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第1章绪论
1.1课题背景
电力电容器是一种重要的基础工业产品,他是电力系统并联无功补偿、串联补偿、滤波装置的核心器件;主要由电容器组成的电容式电压互感器在高压电力系统的电能计量、电压测量、继电保护和自动控制等方面发挥着重要作用;储能和脉冲电容器还在国防装备和科研试验中有着重要用途。
改革开放30年来,我国的电力电容器制造业有了突飞猛进的发展,通过大量的科学研究实践活动和学习、消化吸收国外的先进技术,已经从根本上摆脱了大量进口国外产品的局面,逐步发展成为世界上的电容器生产大国。
随着改革开放的深入发展,国际著名的电力电容器生产企业ABB公司、美国的库柏公司和日本的日新电机公司纷纷来我国建立合资公司,这一方面增大了国内市场竞争的压力,同时也带来了先进的电力电容器制造技术,客观上促进了国产品牌电容器技术的发展。
电容器发展的核心是介质材料的进步,固体介质经历了由电容器纸—聚丙烯薄膜和纸复合—全薄膜的发展过程,液体浸渍剂经历了矿物油—硅油烷基苯—二芳基乙烷—卞基甲苯的发展过程,现在国产品牌电容器所用介质材料与国际先进水平的电容器所用材料是同类的。
目前,国产电容器生产所用设备在国际上也属一流,关键设备都是全自动的,生产环境的净化条件甚至比国外要求更高。
目前,国产电容器的技术性能与国外先进水平基本相当,但在经济指标上,除个别产品与国外先进水平比较接近外,大多数与国外先进水平有较大差距。
本文分别对电力电容器的设计方法、绝缘材料、生产工艺、试验方法、应用等方面的技术进展做出综合的分析。
对影响和制约我国电力电容器制造技术的主要问题做出初步的分析,提出解决问题的方法。
1.2我国电力电容器的发展历程
我国电力电容器制造业发展是从20世纪50年代开始的,发展至今已经有50多年的历史。
总体说来,我国电力电容器发展历史可分为3个阶段。
第1阶段,20世纪70年代以前,基本上以电容器纸为固体介质,以矿物油或PCB为液体介质。
第2阶段,20世纪70-80年代初,聚丙烯膜与电容器纸复合介质电容器取代了全纸电容器,它以十二烷基苯、硅油、二芳基乙烷、异丙基联苯等为液体介质。
这些新介质的采用,使膜纸复合介质电容器的损耗仅为全纸电容器的13约为0.8—1.5Wkvar。
产品发热问题得到改善,单台容量提高近20倍。
同时,由于新液体介质具有良好的吸气性能,使电容器运行及发生故障时外壳膨胀爆破的可能性大为减少,大大提高了电网安全运行的可靠性。
第3阶段,20世纪从80年代初开始,全膜电容器逐渐代替膜纸复合介质产品。
它以聚丙烯膜为固体介质,以二芳基乙烷、苄基甲苯或SAS-700.1-0.2Wkvar,可靠性得到了很大的提高。
我国电力电容器当前生产的主要品种有高、低压并联电容器及成套装置、滤波电容器及成套装置、电热电容器、耦合电容器及电容式电压互感器、试验室用电容器及成套装置等。
其中高、低压并联电容器及成套装置包括自愈式电容器、高压并联电容器、集合式电容器及成套装置。
1.2.1电容器行业的发展和生产规模的增长
随着整个国民经济尤其是电力工业的迅速发展,我国电力电容器制造业发生了巨大的变化。
20世纪50年代,在原苏联技术的基础上实施国产化,生产单台容量50kvar以下的油浸电容器,电容器的综合年产量仅为700万kvar。
在改革开放的初期刚刚形成的弱小的电力电容器行业总共不超过十几个工厂,经过30年的发展,一跃成为世界上的电容器生产大国,全行业有100多家生产企业,采用世界上最先进的电容器生产技术和设备,产出了具有世界先进水平的电力电容器产品,年综合产量高达1.8亿kvar,产量是改革开放初期的25倍以上。
当前,我国电力电容器制造业正处于发展的大好时期,电力电容器在国民经济的各个领域获得了广泛的应用,国内市场占有率达95%以上,还有少量出口到亚洲和非洲市场。
值得关注的是,全球金融危机渐渐过去,这给我过电力电容器制造行业的市场也带来新的前景。
1.2.2企业改革和改制促使行业不断发展壮大
改革开放初期,我国电力电容器行业是是清一色的公有制企业,实行的是典型的计划经济体制,有21个机械行业定点企业进行生产。
20世纪80年代后期走向了市场经济,企业成为市场的主题,市场竞争有力地促使了产品技术进步和企业的发展,新的生产企业如“雨后春笋”般出生,原有老企业开始了大规模的技术引进和技术改造工程。
20世纪90年代末期,国际上的跨国公司看到了中国电力电容器市场的发展机遇,争先在我国建立合资企业,至今已有ABB、日本日新、西门子等在中国建立了生产电力电容器和电容式电压互感器的合资企业。
国外知名企业进入中国市场,一方面加剧了国内市场的竞争,同时也带来了先进的制造技术和管理理念,推动了我国电力电容器产品的技术进步。
在这期间,过内原有的国有企业也进行了大规模的改制,普遍实行了按《企业法》运作的公司制,而且绝大部分国有企业改制为民营企业,电力电容器制造企业的改制,极大的增添了企业的活力,促进了企业的发展。
1.2.3技术改造和新厂建设
2001年以来,我国电力电容器行业吸取国外先进技术,加快了企业的技术改造,大量进口国外一流的关键生产装备,淘汰原有陈旧落后的设备。
几年来全行业进口全自动电容器原件卷制机20多台,使美国专业制造卷制机的希尔顿公司生产爆满。
近年来还从世界著名制造商德国里希公司进口了全自动电容器油处理及真空干燥浸渍系统,使电容器生产中的两大关键工序所用的装备提高到国际先进水平。
更重要的是,进口设备的国产化已经取得突破性的进展,无锡先导公司试制成功的全自动卷制机的性能可以与美国的卷制机媲美;国产全自动真空浸渍设备和其它先进的配套设备也已经制造出来。
从此打破了电容器关键制造设备依赖进口的局面。
为满足我国电力建设对电力电容器需求量大、性能标准高的要求,近几年各个主要生产企业普遍制订了宏伟的发展规划,花费高额投资在采用世界先进技术装备的基础上扩建新厂或生产线,使我国电力电容器制造业跃居世界一流水平,为使我国从电力电容器的生产大国提升至世界生产强国打下了坚实的基础。
1.3近30年来我国电力电容器制造行业的发展
改革开放初期,我国电容器行业生产厂仅有3O多家,所谓“定点企业”有18家,电力电容器综合产量为771万kvar。
到2008年,生产企业达到100多家(其中年产量100万kvar以上规模的较大企业34家,中外合资企业4家,各类领头企业6家),电力电容器综合产量达31397万kvar,综合产量为改革开放初期的4O.7倍。
表1-1列出了各类电力电容器产品在各个发展阶段的年产量统计数据[1]。
表1-1各类电力电容器产品产量增长情况
类型
年份
1980
1990
2000
2005
2008
壳式高压并联及滤波电容器万kvar
193
430
865
4240
10802
集合式及箱式电容器万kvar
——
3
369
1419
1141
高压自愈式电容器万kvar
——
——
5
130
27
低压箔式电容器万kvar
192
99
3
——
——
低压自愈式电容器万kvar
——
76
369
4075
7542
电容式电压互感器万kvar
133
789
5247
13771
22139
电容器全品种综量万kvar
771
1039
6191
13346
31397
从表1可以看出:
2008年与1980年相比,壳式高压并联及滤波电容器产量增长到56倍;集合式及箱式电容器从零发展到1141万kvar;在低压并联电容器领域,先进的自愈式电容器完全取代了传统的箔式电容器。
尤其是电容式电压互感器(CVT),则从发展初期的年产133台,逐步发展到成长期和成熟期,目前年产量已达到22139台,增长到166倍,应用范围覆盖到35kV~1000kV电压等级,在110~220kV范围,市场占有率为80%以上,在330—1000kV的超高压和特高压领域市场占有率为100%,在我国电力系统的电能计量、电压测量、继电保护和自动控制等方面发挥着重要的作用。
近年来,我国电力电容器制造业的工艺装备水平有了大幅度提升,广泛采用了国际上最先进的全自动卷制机、全自动真空浸渍设备以及国际一流的电容器芯子生产线,有的还采用了机器人焊接箱壳、机器人喷漆等先进设备和工艺,使电容器的质量水平有了明显提高。
过去多年困扰着制造企业和用户的老大难问题—电容器的渗漏油问题得到了基本解决。
国内企业的工艺装备总体上说已达到了国际一流水平,这一方面是市场竞争的促进作用,同时也有中外合资企业的带动作用。
电容器制造装备的进步也带动了国内相关机械制造业的发展,我国电力电容器行业走过了大量从国外进口设备到广泛采用具有同样技术水平的国产设备的路子。
近年来,随着电容器设计、制造水平的提高,高性能绝缘油和双面粗化膜等介质的选用,铝箔折边、压力注油、压力浸渍等工艺的广泛采用,使整个国内电力电容器行业已形成了以全膜电力电容器产品为主导、多种新产品并存的主要格局。
目前国外可以生产的产品品种,国内企业基本都可生产,并且有一部分产品已达到国际先进水平,一部分优势企业已开始问鼎国际市场并取得了不俗的战绩。
过去,制造厂仅提供电容器单元散件,由用户组装成套;现在,电容器制造企业提供的是整体解决方案、完整成套产品和全过程的技术服务。
第2章各类电容器的技术发展现状
2.1壳式高压并联及滤波电容器
1.主导产品单台容量由334kvar跨越到500kvar以上,并研制出1000kvar的样机。
2.主导产品的体积比特性:
0.13Lkvar左右,最好的达到0.1Lkvar。
3.电容器单元的电容偏差普遍达到-3%~+5%,有的可达到更严格的要求。
4.电容器损耗≤0.02%。
5.局部放电量可达到:
≤20Pc。
6.介质材料:
聚丙烯薄膜浸渍苄基甲苯(MDBT)。
7.普遍采用新型的隐藏式内熔丝。
8.普遍采用不锈钢外壳、滚压式套管。
9.电容器的年故障率降低到0.2%以下。
10.成套装置的电压等级为6~110kV,1000kV特高压变电站用110kV并联电容器装置已经投入运行。
制造企业普遍实现了工厂组装,整体发运的供货模式[5]。
2.2集合式及箱式电容器技术现状
1.集合式电容器电压为6~66kV,单台容量1000—10000kvar;箱式电容器电压为6~35kV,单台容量已达26000kvar。
2.具有结构紧凑、占地省、安装和运行维护简单等优点。
对环境污秽、鸟害、虫害的防护性能好,对冰雪、地震、台风等自然灾害的抵御能力强。
3.近几年在制造工艺装备水平和产品技术性能上与前述壳式电容器取得了同样的进步,从2005年全行业实施质量改进措施以来,产品质量有了明显提高。
2.3高压自愈式电容器
我国在1998年自行开发了干式高压自愈式电容器,投放市场后,逐步发现故障率较高,之后在保护方面作了很多有效的研究和改进工作,恶性故障得到了控制,但还存在着电容损失较大的问题。
目前,有的公司正在开发研制新型干式高压自愈式电容器。
2.4低压自愈式电容器
介质材料为金属化聚丙烯薄膜,普遍采用自动卷制机进行元件卷制。
有的浸渍电容器蜡,有的浸渍菜籽油,比较先进的是真空下经硅油浸渍后再环氧封装。
常规单台容量为30kvar,最大到60kvar。
目前,国内技术总体上与国外先进技术水平还有一定差距,各制造企业一方面正在努力提高电容器的产品质量,同时也在与补偿装置和配套件制造单位合作,力求完善控制和保护功能,以适应广大用户投切频繁、电网谐波含量高等日益严酷的使用条件,确保产品运行可靠。
2.5电容式电压互感器
近年来,开发出了765kV和1000kV电容式电压互感器,并在电网中成功运行。
为适应电力市场高精度电能计量的需要,开发出了0.1级高精度产品,已经投入市场。
研制出SF6气体绝缘CVT,电压等级覆盖110~500kV,投人电网运行达3年以上。
由于电力系统广泛采用微机保护和数字化仪表,使CVT的二次负荷大幅度下降。
目前,正在改进设计和制造工艺,使产品的绝缘裕度和测量精度进一步提高。
第3章电容器产品设计的进展
3.1电容器设计思路
目前广泛采用的设计结构是全膜介质(既可以是三层粗化膜介质,也可以是两层双面粗化膜介质)、铝箔突出折边。
新结构介质耐电强度高,损耗小,铝箔折边改善边缘场强,改善局部放电性能。
铝箔突出焊接引出,不插引线片,排除了引线片对介质造成的机械损伤。
同时,就产品内部来说,现在先进的国产大容量电容器已经采用新型内熔丝技术。
3.1.1采用金属化全膜结构
针对电容器的特点,电容器的固体介质采用安全型聚丙烯锌铝金属化薄膜,即全膜结构。
产品的介质损耗极小,以确保电容器工作时很低的温升。
薄膜的介电强度高,电容器的工作场强则大大提高。
采用安全防爆型金属化聚丙烯膜,又在普通金属化膜的基础上提高电容器的工作场强10%~20%。
电容器的工作场强可达到200VDCμm,300VDCμm。
因此电容器的体积大大缩小,减轻了电容器的重量,容量体积比最大可达到0.48μF。
为了能够更进一步的减少体积,电容器芯子还采用扁平式卷绕设计,更大程度的减少了电容器芯子占据的空间。
同时电容器具有优异的自愈功能,不影响电容器的正常工作。
3.1.2采用金属极板内熔丝保护
电容器设计摒弃了原有老式的机械防爆式结构设计,改用新型的安全防爆金属化极板熔丝保护膜,即安全防爆金属化膜。
目前其它的国产机车用电力电容器均采用普通型油浸膜箔复合式电容器,元件全部并联,一般用金属熔断丝保护。
当一个元件击穿时,熔丝熔断,电容器的电容量将发生变化,若单个元件的电容量为50μF,总容量为6000μF时,容量变化将达到0.833%。
此种电容器失效率高、可靠性差,而且没有自愈功能。
采用安全防爆型金属化膜以及合理的安全防爆型金属化极板结构设计,金属化极板上局部范围的金属化熔断丝熔断,发生自愈击穿的局部面积与其周围的金属化极板断开,电容量变化极小。
薄膜的一个局部范围内发生自愈击穿,电容量的损失率一般不会超过50PPM。
电容器完成自愈后,照常工作,提高了运行可靠性,大大提高了电容器的寿命。
安全防爆型金属化膜金属化极板结构设计如图3-1所示。
图3-1安全防爆型金属化膜金属化极板结构设计示意图
3.1.3采用特殊设计的边缘加厚及波浪边技术
电容器的抗涌流能力大小直接和电容器芯子和芯组端面金属接触牢度有关。
端面接触面积大,接触电阻小,通过电流及涌流的能力就很强。
所以电容器根据特定要求,采用了特殊设计边缘加厚、波浪边金属化膜。
如图3-2、图3-3[2]。
图3-2波浪分切金属化膜电容器心子展开图
图3-3波浪边膜增大喷金接触面积示意图
波浪边金属化膜有两种结构形式:
边缘加厚区或留边区波浪边。
两者取其一,与直边分切的薄膜配套进行卷绕。
适当控制好错边量,可以显著减小由于卷绕错边引起的金属化膜的边缘收缩效应。
喷金层和金属化膜镀层接触面积增大,大大提高电容器芯子端面的喷金附着力,降低了其接触电阻,从而大大提高了电容器的通流及抗浪涌电流的能力。
3.1.4使用精炼菜籽油作为浸渍介质
精炼菜籽油作为电容器浸渍介质已经有很长时间了,但目前国内都基本上未采用菜籽油作为电容器浸渍介质,而国外电容器仍广泛采用精炼菜籽油作为浸渍介质。
电容器采用菜籽油有着显著的优点:
薄膜击穿强度可以提高25%以上。
通过浸渍,油渗透进薄膜内部,填充了薄膜内部的空隙,提高了薄膜的击穿强度。
菜籽油粘度很低,流动性好,对薄膜的溶胀率不超过2%~2.5%,所以不会对金属化镀层造成影响。
另外,菜籽油还具有良好的吸气性,能很好地吸收由于放电产生的气泡,电容器在较差的局部放电条件仍能正常工作。
菜籽油取材方便,价格低廉,绿色环保,不会对环境造成污染。
3.2小单元设计制造技术的进步
小单元是集合式电容器的核心部分,小单元的质量直接决定集合式产品的使用寿命。
近几年电力电容器技术发展迅速,介质、结构不断发生变化。
90年代生产的全膜电容器,普遍采用双面粗化的优质聚丙烯薄膜,铝箔采用折边,引线片(作为电极)引出结构,这种产品主要集中在1994—1999年,后来从返修产品解剖中发现,引线片结构存在很大缺陷,引线片本身的质量直接影响元件的质量,如引线片边缘存在尖角、毛刺(肉眼很难发现),则边缘电场集中,是元件击穿的主要原因,另外引线片结构接触电阻大、损耗大。
所以从2001年开始,国内电容器厂家借鉴国外技术,采用铝箔极板一边折边,一边突出结构,不仅改善了电极边缘的电场分布,降低损耗(现在电容器损耗可以做到小于0.2Wkvar),降低了电容器发热功率,直接提高了电容器的质量[3]。
小单元开始设计阶段普遍采用全并结构,每个元件串联一个内熔丝作保护。
内熔丝开始使用阶段缺乏研究经验,采用的纯铜熔丝在实际使用中不是很理想,经常在返修产品中发现熔丝群爆现象,所以近年来经过大量试验研究,终于取得了突破,从2003年以后采用了新型熔丝,熔丝的安秒特性很好,改进了熔丝在元件上的布置和绝缘结构,这种新型熔丝结构从根本上解决了熔丝群爆的问题。
但现有的熔丝结构还有缺陷,熔丝在熔断后,就会对绝缘油污染,影响电容器的质量。
如果内熔丝在一个封闭的结构中就不会影响绝缘油了,所以内熔丝结构还有待进一步研究。
在浸渍剂方面,国内电容器生产企业从2001年末开始使用了苯基乙苯基乙烷(PEPE)和苄基甲苯(MDBT)取代了苯基二甲苯基乙烷(PXE),因前两者在低温下粘度低、吸气性好、电气性能优于PXE,提高了电容器的电气性能和质量。
第4章绝缘材料方面的进展
4.1介质材料
全膜电容器的固体介质材料是聚丙烯薄膜,液体介质材料是芳香烃类的混合油,目前大多数企业使用苄基甲苯、苯基乙苯基乙烷,也有少数企业用二芳基乙烷。
4.1.1聚丙烯薄膜
聚丙烯薄膜最早由GE公司在20世纪70年代初应用在电容器上,而且GE公司首创了电力电容器用聚丙烯薄膜生产技术(管膜法)。
此后,西欧出现了平膜法生产技术。
目前,我国引进了10多条管膜法和平膜法生产线,可以生产粗化膜(单面粗化和双面粗化)和光膜(主要用于自愈式电容器),薄膜厚度最小可达4μm,全膜电容器所用的膜厚通常在10μm以上。
经过20多年的发展,国产的聚丙烯薄膜性能与先进国家的已经处于同一水平上,无论是电性能、机械性能还是工艺性能都基本接近,有的性能甚至超过先进国家的水平。
以国内电容器生产企业常用的15μm厚的粗化膜为例,国产膜与进口膜性能比较列于表1[9]。
性能
国产
进口
(元件法,DC,MVm)
365
342
tanδ
2.7x10-4
2.4x10-4
电弱点(个㎡)
≤0.04
≤0.01
ρ(Ω∙㎝)
2.2x1016
1.0x1016
随着全膜电容器
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