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《電力電容器絕緣缺陷產(chǎn)生原因及老化機理分析》
張晨萌1,2,文習山2,蘇少春1,劉凡1,謝施君1,譚思文3
(1.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，成都 610072; 2.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430072；3.重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院，重慶 400044)
摘 要: 電力電容器作為電力系統中重要的電力運行設備,主要起著(zhù)無(wú)功補償、交直流濾波等作用。因此首先對電力電容器的結構、絕緣材料進(jìn)行了介紹,然后分析了電力電容器中的幾種典型缺陷,梳理了電力電容器絕緣老化機理研究現狀,包括電老化、熱老化、空間電荷以及其他老化原因。最后對電力電容器生產(chǎn)過(guò)程中的生產(chǎn)工藝給出了建議,并對絕緣老化機理研究方向作出了展望。 關(guān)鍵詞 :電力電容器；絕緣材料；絕緣缺陷；絕緣老化
0 引言 隨著(zhù)電力系統的發(fā)展,電容器(本文中“電容器”均指“電力電容器”)的應用越來(lái)越廣泛。電容器在交流系統中主要用于無(wú)功補償,并和電感串聯(lián)兼具濾波作用；在直流輸電系統中電容器是直流場(chǎng)濾器波器的主要設備之一,用于濾除直流側諧波;在電氣設備中,電容器多用作脈沖電容器和儲能電容器。前者一般用于產(chǎn)生脈沖功率或沖擊電壓;后者也叫超級電容,用于儲存電場(chǎng)能。電容器的安全運行直接關(guān)系到電力系統的可靠性,但近年來(lái)電容器由于絕緣老化引起的故障時(shí)有發(fā)生,引起了各國學(xué)者的廣泛關(guān)注。 電容器一般分裝于外殼內,設計成免維護結構。電容器的基本結構由電極、電介質(zhì)、浸漬液、放電電阻、套管和外殼構成。其中,電極一般為直徑6um的自熱退火過(guò)的鋁箔,電極被電介質(zhì)和浸漬劑隔開(kāi),然后繞制成多卷結構,電氣連接線(xiàn)焊接在電極上,形成接線(xiàn)端,構成一個(gè)電容器單元,多個(gè)單元串并聯(lián)構成電容器本體。電容器中的電介質(zhì)用于隔離電極,電介質(zhì)材料一般需要具有較高的絕緣強度和介電常數,以及低介質(zhì)損耗。早期電容器介質(zhì)用絕緣紙,目前多采用膜(聚丙烯薄膜)一紙(絕緣紙)結構,甚至一些電容器采用了全膜型的絕緣介質(zhì)。聚丙烯薄膜自20世紀60年代用于電容器以來(lái),由于其低損耗和高介電常數特性,得到了快速廣泛應用,其厚度僅約10um,因此極大地降低了單位容量下的電容器體積。 電容器在生產(chǎn)過(guò)程中不可避免的會(huì )產(chǎn)生一些缺陷,如混入雜質(zhì)、引線(xiàn)片焊接毛刺等,在電容器長(cháng)期運行過(guò)程中,這些缺陷會(huì )逐步發(fā)展,造成電容絕緣介質(zhì)老化,以至于電介質(zhì)擊穿,造成電容器爆炸等事故。本文首先分析了電容器的典型缺陷類(lèi)型及其成因,并在此基礎上分析可能造成電容器老化的原因,對現有電容器絕緣老化機理研究成果進(jìn)行梳理,進(jìn)而得出提高電容器絕緣壽命的改進(jìn)措施和絕緣老化機理的研究方向。
1 電容器典型缺陷成因 由于目前生產(chǎn)工藝限制,電容器在生產(chǎn)過(guò)程中內部會(huì )帶有微小缺陷,這些缺陷的存在對電容器的外特性幾乎沒(méi)有影響,也不影響電容器的出廠(chǎng)試驗。但在長(cháng)期運行過(guò)程中這些缺陷會(huì )成為內部隱患,隨著(zhù)缺陷的發(fā)展擴大,最終可能造成比較嚴重的后果,因此有必要對電容器生產(chǎn)過(guò)程中可能出現的缺陷類(lèi)型和形成原因進(jìn)行分析。電容器的典型缺陷主要有重疊缺陷、內部缺陷、油質(zhì)缺陷和接觸缺陷。 1.1重疊缺陷 電容器由很多個(gè)電容器單元構成,單個(gè)單元是由鋁箔和膜介質(zhì)通過(guò)卷繞的方式生產(chǎn)的,介質(zhì)和電容器單元的生產(chǎn)工藝不合理將會(huì )產(chǎn)生重疊缺陷。從介質(zhì)生產(chǎn)的角度看,介質(zhì)生產(chǎn)工藝缺陷將導致介質(zhì)薄膜厚度不均勻;從電容器單元生產(chǎn)的角度看,當單元卷繞過(guò)程中卷制機床的各軸平行度較差,收卷臂位置不當,或當收卷壓力設置不合理,機床各軸壓力不一致,或生產(chǎn)過(guò)程中機床發(fā)生振動(dòng)時(shí),均會(huì )在電容器單元內形成絕緣介質(zhì)褶皺, 導致重疊缺陷 1.2 內部缺陷 內部缺陷是電容器生產(chǎn)過(guò)程中最常見(jiàn)、且不可避免的缺陷,其產(chǎn)生的主要原因是聚丙烯薄膜在生產(chǎn)過(guò)程中受到拉力不均勻,以至于膜上出現微小缺陷,或是由于膜的褶皺導致膜間出現氣限。 1.3 油質(zhì)缺陷 電容器在生產(chǎn)過(guò)程中都要經(jīng)過(guò)真空浸漬階段從而使得浸漬劑充分浸漬到電容器單元中。油質(zhì)缺陷產(chǎn)生的原因主要有三個(gè)：一是浸漬真空凈化處理不足,易導致浸漬劑本身混入雜質(zhì);二是浸漬過(guò)程中真空度不高或浸漬時(shí)間未達到要求而導致浸漬劑中含有氣泡;三是使用過(guò)程中產(chǎn)生絕緣老化,局部放電導致絕緣介質(zhì)分解,產(chǎn)生氣體,導致浸漬劑絕緣性能惡化。 1.4 接觸缺陷 電容器由多個(gè)電容器單元構成,每個(gè)電容器單元電極通過(guò)引線(xiàn)片和其他單元和外部連接,一般要求引線(xiàn)片平整,無(wú)毛刺。由于目前電容器單元電極多為鋁箔或金屬化膜,其與引出線(xiàn)接觸面積很小,當流過(guò)大電流時(shí),容易造成接觸處燒壞。電容器接觸缺陷主要原因是引線(xiàn)片邊緣存在毛刺或引線(xiàn)片和電極接觸部分氧化,造成接觸不良。
2 電容器絕緣老化機理 2.1 電老化 由于生產(chǎn)工藝的限制,電容器在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生微小缺陷,電容器運行過(guò)程中,在電場(chǎng)作用下,這些微小缺陷內可能發(fā)生局部放電。文獻研究了各類(lèi)典型缺陷下電容器內部的電場(chǎng)分布情況,通過(guò)有限元仿真說(shuō)明電容器內部電場(chǎng)在缺陷處會(huì )產(chǎn)生電場(chǎng)畸變,局部場(chǎng)強増強,勢必將導致局部放電更為嚴重。局部放電對絕緣造成損傷的機理主要有兩個(gè)方面:一是局部放電所導致的化學(xué)老化,如浸漬劑的分解,大分子聚合物的解裂等;二是局部放電所產(chǎn)生的帶電粒子對絕緣介質(zhì)的轟擊。微小缺陷內的局部放電逐漸發(fā)展會(huì )使缺陷逐漸擴大,或產(chǎn)生更多的絕緣缺陷點(diǎn),從而使得電容器發(fā)生早期絕緣失效故障。 1983年印度學(xué)者V. Krishnan研究表明,局部放電嚴重程度與聚丙烯介質(zhì)的老化程度密切相關(guān),隨著(zhù)局部放電的發(fā)展,聚丙烯介質(zhì)的絕緣強度逐漸下降,放電部位周?chē)橘|(zhì)的電導率也隨之發(fā)生變化。局部放電導致的粒子撞擊和分解產(chǎn)物沉淀同時(shí)也會(huì )導致絕緣介質(zhì)的表面形貌發(fā)生變化。西南交通大學(xué)吳廣寧教授研究團隊對脈沖電容器進(jìn)行加速電老化試驗,試驗過(guò)程中對電容器進(jìn)行局部放電檢測,得出局部放電各參量(最大放電量、平均放電量和放電重復率)與老化程度的關(guān)系曲線(xiàn),并利用電子顯微鏡對各老化階段的電容器表面微觀(guān)形貌進(jìn)行觀(guān)察和分析,指出電極邊緣區域存在的局部絕緣缺陷是電容器失效的主要原因。文獻搭建了脈沖電容器老化試驗平臺,設計了一種基于直流局部放電的測試系統,得到不同老化階段的局部放電統計特性。不同典型缺陷下局部放電的特點(diǎn)有所不同,以此可以作為判斷局部放電類(lèi)型的依據。文獻分析了直流下氣隙、表面和電暈放電模型下的局部放電,比較了3種模型的放電脈沖波形和直流電壓施加不同階段的放電情況, 并從放電機理角度分析了直流電壓施加不同階段局部放電特性的差異。法國學(xué)者R. Hammal討論了不同典型缺陷下電容器交流局部放電的特點(diǎn),對各類(lèi)典型缺陷下的局部放電圖譜進(jìn)行了分析。他同時(shí)指出,局部放電的發(fā)展分為兩個(gè)階段:一是發(fā) 生在液相中的小幅值負極性放電:二是在氣泡中發(fā)生的,正負極性均存在的放電。
2.2 熱老化 在熱的作用下,電介質(zhì)的老化過(guò)程會(huì )加速,熱老化在宏觀(guān)上可能導致絕緣介質(zhì)融化，介質(zhì)質(zhì)量減小;在微觀(guān)上會(huì )使得聚合物分子量降低,晶體結構發(fā)生變化,交聯(lián)程度降低。當介質(zhì)內發(fā)生局部放電時(shí),其放電釋放的能量會(huì )導致局部溫度升高,從而加速介質(zhì)的熱老化。 電容器絕緣介質(zhì)在高溫環(huán)境中時(shí),其機械特性和體積都會(huì )隨溫度相應改變,對于金屬化膜型電容器,由于介質(zhì)和金屬膜的溫度膨脹系數不同,在熱老化過(guò)程中會(huì )導致出現應力,影響金屬化膜結構。即使當溫度回到正常溫度時(shí),由于熱膨脹系數不同導致的應力仍然存在,可能會(huì )導致介質(zhì)中出現缺陷,從而增大介質(zhì)損耗。 有很多模型可用于判斷介質(zhì)的熱老化速度,由于電容器是一種儲能元件,其擊穿過(guò)程相當于發(fā)生了一次化學(xué)反應,根據 Arrhenius法則?,其老化速度ν可用式(1)表達,即
式中:為 Arrhenius系數;k為普朗克常量:E為活化能;T為絕對溫度。 文獻融合了電老化和熱老化效應,提出另一種評估電容器老化狀態(tài)的模型為
式中:で、為設備使用壽命;F為電老化因子;TR為環(huán)境溫度;為設備額定環(huán)境溫度。
2.3 空間電荷 絕緣材料從微觀(guān)上可分為很多個(gè)結構相同的單元,每個(gè)單元都應該是電中性的。但在某些情況下,單元內的正負電荷不能互相抵消,剩余電荷就被稱(chēng)作空間電荷。在電場(chǎng)的作用下,空間電荷的來(lái)源主要有3個(gè)方面。 1)雜質(zhì)的熱離子化。在絕緣介質(zhì)生產(chǎn)過(guò)程中,會(huì )摻入一定催化劑和抗氧化劑,這些添加劑將成為雜質(zhì),雜質(zhì)分子的熱離子化將產(chǎn)生正負電荷,這些電荷在電場(chǎng)作用下將向異極性電極方向運動(dòng),在運動(dòng)過(guò)程中一些電荷會(huì )被介質(zhì)中的陷阱捕獲,形成空間電荷。 2)界面極化。電介質(zhì)內部有很多界面,界面極化會(huì )導致界面處電荷的積累,繼而形成空間電荷。 3)電荷注入。由于肖特基效應和蒲爾一弗朗克效應,當電場(chǎng)強度到達一定值時(shí),電荷會(huì )從電極注入絕緣介質(zhì)中,從而形成空間電荷。 在不同電場(chǎng)強度下,以上3種產(chǎn)生空間電荷的方法所占比重也有所不同。當電場(chǎng)強度較低時(shí),雜質(zhì)的離子化占主導地位,當電場(chǎng)強度較高時(shí),電荷注入占據主導地位。文獻研究表明,不僅電的荷注入,空間電荷的脫陷同樣會(huì )對電介質(zhì)的擊穿產(chǎn)生直接影響。 電容器在運行過(guò)程中,空間電荷會(huì )存在于介質(zhì)表面和內部,空間電荷的累積會(huì )導致內部空間電場(chǎng)產(chǎn)生畸變,其內部電場(chǎng)可能會(huì )升高至外加電場(chǎng)的8～10倍。隨著(zhù)電容器的老化,絕緣介質(zhì)的性能逐漸降低,其內部陷阱數量逐漸增多,由分子松弛引起的脫陷將加劇,因此其內部空間電荷的入陷和脫陷現象更為頻繁。文獻指出,空間電荷的入陷和脫陷會(huì )伴隨產(chǎn)生高能粒子和射線(xiàn),這些粒子和射線(xiàn)將導致聚合物的分解并在介質(zhì)內部形成微小孔洞。因此,空間電荷的存在是導致聚合物絕緣老化并擊穿的主要原因之一。
2.4 其他老化原因 除以上三種最主要的老化原因外,近年研究表明還有一些其他因素導致電容器老化。文獻研究了電力電容器使用回收絕緣油中抗氧化劑缺失對其熱穩定性的影響,結果表明回油中抗氧劑的缺失是造成電容器損耗異常增大以及熱不穩定的主要因素。文獻研究了機械應力對電容器絕緣介質(zhì)局部放電特性的影響,分析結果表明機械應力的作用會(huì )導致聚丙烯薄膜介質(zhì)內部微孔增大以及分子鏈的斷裂,介質(zhì)內部電場(chǎng)嚴重畸變,從而導致直流局部放電性能的惡化。文獻研究了不同幾何外形(長(cháng)、短、盤(pán)形)金屬氧化膜電容器老化前后等效阻抗(ESR)變化情況,研究表明電容器外形越長(cháng),其老化速度越快。
3 結論 1)從降低局部放電的角度,應加強絕緣介質(zhì)膜的生產(chǎn)工藝把控,應使得絕緣膜盡量均勻、無(wú)缺陷在電容器單元繞制過(guò)程中,應提高工藝水平,減少膜因受力不均引起的褶皺:電容器單元浸漬過(guò)程中,應當保證浸漬劑的純度、浸漬時(shí)間和真空度, 減小浸漬劑中雜質(zhì)和氣泡。 2）從增強電容器散熱的角度,電容器的浸漬劑應選擇導熱性好的浸漬劑,能夠將運行過(guò)程中產(chǎn)生的熱量快速傳導到外殼,避免單元局部過(guò)熱,造成熱擊穿。 3)從降低空間電荷影響角度,電容器應盡量選擇具有高逸出功的金屬電極,減小由電極進(jìn)入介質(zhì)的電荷數量。 4)從機械結構的角度,電極邊緣應作包邊處理, 確保電極邊緣不存在金屬拉絲,減少電容器電極邊緣的缺陷:電容器芯子應避免介質(zhì)過(guò)度拉伸,也應避免介質(zhì)材料過(guò)度松散,以保證介質(zhì)的電氣強度。 從本文的分析可以看出,目前對電容器絕緣老化機理的分析僅針對單老化因子。但電容器絕緣老化是一個(gè)多老化因子共同作用的結果,在老化的過(guò)程中,各種老化因素相互影響,互相促進(jìn),共同導致了絕緣老化以致?lián)舸?。目前對電容器絕緣老化試驗環(huán)境往往不能反映絕緣介質(zhì)經(jīng)受的實(shí)際工況，所得到的數據也和實(shí)際運行數據存在差距。因此，在下一步的工作中，有必要對多種老化銀子共同作用的電容器絕緣老化機理進(jìn)行更加深入的研究。
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