電容器組合介質介電常數與壓緊系數關系分析

2020-04-18 全永利 內蒙烏海電業局

  電力電容器的介質結構通常采用固體介質和液體介質組合的方式。由于壓緊系數的不同,會導致組合介質的介電常數發生變化。本文通過對組合介質介電常數和元件電容量計算公式的分析,得出了不同介質結構情況下壓緊系數變化與組合介電常數之間,以及元件電容與壓緊系數之間的關系,對電容器的設計起到一定的指導作用。

  電容器中的介質類型主要有固體介質、液體介質或氣體介質。固體介質是電力電容器的主要介質材料,液體介質和氣體介質在電力電容器中用作浸漬劑,以填充固體介質中的空隙。電容器中的介質通常是由兩種或多種介質材料組成的,即組合介質。組合方式多種多樣,如浸漬紙、浸漬膜紙、浸漬膜的組合介質等。由于液體介質具有擊穿場強高、介電常數大、析氣性好等優點,能夠提高組合介質的耐電強度,改善局部放電特性和散熱條件等,因此是現階段電容器設計制造的主要介質組合。

1、影響組合介質電氣性能的因素

  組合介質的電氣性能和許多因素有關。內部因素主要取決于所用的介質材料(紙、薄膜以及浸漬劑)的成份,不同材料的選取直接影響到介電常數、耐電強度等指標;而外部因素則包括溫度、電場強度、頻率、壓力等。此外制造工藝對它的電氣性能也有很大的影響。

  在諸多衡量電氣性能的指標中,一個重要指標就是介電常數ε。為了使電容器做到容量大,而尺寸小、重量輕,采用高介電常數的介質是很重要的一個方面。影響組合介質介電常數ε的因素主要有兩個方面:一是溫度,溫度的影響主要取決于各單一介質ε隨溫度的變化,這點在真空技術網(http://www.szlhcq.com/)前面發布的許多資料中都有介紹,本文不再討論;二是組合介質中各個材料本身的ε及在組合介質中所占的比例,現有資料多數介紹的是油浸電容器紙或油浸膜紙組合介質,而目前電力電容器行業普遍采用的是油浸薄膜,所以本文主要分析這種組合介質的介電常數。

2、電容器的壓緊系數

  電力電容器是由多個元件串并聯而成的,對于油浸薄膜介質的電容器,元件在設計制造中絕大多數采用的是鋁箔凸出折邊的,是壓扁式結構,如圖1所示。

元件結構圖

1-極板(鋁箔);2-薄膜

圖1 元件結構圖

  在壓扁式元件中,各介質層和鋁箔由于其彈性,彼此間不是嚴密緊貼而是留有一定空間的,改變元件壓緊程度,此空間便會變化。同時元件厚度、介質的介電常數ε、介質損耗角正切(tanδ)及其他特性也會改變。壓緊程度可用壓緊系數K來表示。對于油浸薄膜組合介質,其示意圖如圖2所示。

油浸薄膜組合介質示意圖

1-極板;2-薄膜;3-電容器油

圖2 油浸薄膜組合介質示意圖

  壓緊系數K可用下面的公式計算:

K=dm/d(1)

  式(1)中,dm為極板間薄膜介質的厚度;d為兩極板間的介質總厚度。

3、組合介質介電常數分析

  3.1、組合介質介電常數與壓緊系數的關系

  對于電力電容器,總希望所用介質的介電常數越大越好,這樣在相同體積里可以獲得更大的電容量,產生更多的效益。對于油浸薄膜介質,通常認為只要增大其中某一介質的介電常數,則組合介質的介電常數就增大,而提高壓緊系數就能增大介電常數。實際情況真是如此嗎?我們就根據這種組合介質介電常數的計算公式分析如下。油浸薄膜介質的介電常數εf的計算公式:

油浸薄膜介質的介電常數

  式(2)中,εm為膜的介電常數;εy為液體介質的介電常數;K為壓緊系數。由電容器設計中的基本公式(2)得出,影響ε的因素,并不只有εm、εy,還有前面提到的壓緊系數K。如果已經確定了組合介質材料,即組合介質中各個材料本身的ε已確定,影響組合介質ε的主要是壓緊系數K。

  將式(2)的分母重新整理,得到:

電容器組合介質介電常數與壓緊系數關系分析

  對式(3)進行分析,壓緊系數K的取值在0~1之間,如果εm和εy值給定,得出以下結果:

  1)當εy>εm時若K=1,εf最小,其值為εm,即組合介質為單一的膜;若K=0,εf最大,其值為εy,即組合介質為單一的油。這兩種情況在實際中不可能出現,εf的值只能在εm和εy之間,且隨K反向變化。

  2)當εy<εm時若K=1,εf最大,其值為εm,即組合介質為單一的膜;若K=0,εf最小,其值為εy,即組合介質為單一的油。同樣,這兩種情況在實際中也不可能出現,εf的值仍介于εm和εy之間,但隨K正向變化。如果介質組合是已知的,則εm和εy就變成固定數值了。目前電力電容器所用的固體介質主要是聚丙烯薄膜,液體介質主要為芐基甲苯,這兩種介質的介電常數分別為2.2和2.65(25℃時),將這兩個數值代入式(3)中,可以確定εf和K之間的關系。對于全膜介質考慮到其膨脹,采用0.75≤K≤0.90。我們在這兩個值之間每間隔0.02取K值,由此建立εf和K之間的關系曲線如圖3所示。

組合介電常數εf和壓緊系數K的關系曲線

圖3 組合介電常數εf和壓緊系數K的關系曲線

  從圖3中可以看出,在聚丙烯薄膜浸漬芐基甲苯的情況下,隨著K值的增大其組合介質的介電常數將減小,但電容量是否會隨之減小,還需進一步分析。

  3.2、元件電容量與壓緊系數的關系

  對于油浸薄膜介質電容器,其元件的電容量可用下面的公式計算:

電容器組合介質介電常數與壓緊系數關系分析

  式(4)中,Cy為元件的電容量;εf為組合介質的介電常數;bjb為鋁箔極板的厚度;Dp為元件卷繞心軸直徑;ωy為元件卷繞圈數;K為壓緊系數;dm為極板間薄膜介質的厚度。對于設計好的電容器元件,其bjb、Dp、ωy和dm均為固定值。將這些值與式(4)的數字統一合并為常數A,式(4)可轉換為:

Cy=AεfK(5)

  再將式(3)代入式(5),得到:

電容器組合介質介電常數與壓緊系數關系分析

  同樣,以聚丙烯薄膜浸漬芐基甲苯分析,將它們的介電常數代入式(6)中,得到:

電容器組合介質介電常數與壓緊系數關系分析

  對于式(7),繼續間隔0.02在0.75~0.90選取K值,由此建立Cy/A和K之間的關系曲線如圖4所示。

元件電容量Cy/A與壓緊系數K的關系

圖4 元件電容量Cy/A與壓緊系數K的關系

  從圖4可以看出,隨著壓緊系數的增大,元件電容量確實是向增大的方向變化的。但這并不意味著K值越大越好,K值過大,可能造成元件浸漬不良,導致介質強度下降、局部放電等問題的產生,因此在設計時,一定要根據實際情況進行計算,選取適當的K值。

4、結論

  從以上分析,可以得出如下結論:

  1)壓緊系數K對ε的影響主要取決于εm和εy的關系,并不是壓緊系數K越大ε越大,或者壓緊系數K越小ε越大,需根據具體的εm和εy的數值進行分析;

  2)在聚丙烯薄膜浸漬芐基甲苯的情況下,隨著K值的增大其組合介質的介電常數將減;

  3)在聚丙烯薄膜浸漬芐基甲苯的情況下,隨著K值的增大元件電容量將增大。