张晨萌^1,2,文习山²,苏少春¹,刘凡¹,谢施君¹,谭思文³

(1.国网四川省电力公司电力科学研究院，成都 610072; 2.武汉大学电气工程学院，武汉 430072；3.重庆大学电气工程学院，重庆 400044)

摘 要: 电力电容器作为电力系统中重要的电力运行设备,主要起着无功补偿、交直流滤波等作用。因此首先对电力电容器的结构、绝缘材料进行了介绍,然后分析了电力电容器中的几种典型缺陷,梳理了电力电容器绝缘老化机理研究现状,包括电老化、热老化、空间电荷以及其他老化原因。最后对电力电容器生产过程中的生产工艺给出了建议,并对绝缘老化机理研究方向作出了展望。

关键词 :电力电容器；绝缘材料；绝缘缺陷；绝缘老化

0  引言

随着电力系统的发展,电容器(本文中“电容器”均指“电力电容器”)的应用越来越广泛。电容器在交流系统中主要用于无功补偿,并和电感串联兼具滤波作用；在直流输电系统中电容器是直流场滤器波器的主要设备之一,用于滤除直流側谐波;在电气设备中,电容器多用作脉冲电容器和储能电容器。前者一般用于产生脉冲功率或冲击电压;后者也叫超级电容,用于储存电场能。电容器的安全运行直接关系到电力系统的可靠性,但近年来电容器由于绝缘老化引起的故障时有发生,引起了各国学者的广泛关注。

电容器一般分装于外壳内,设计成免维护结构。电容器的基本结构由电极、电介质、浸渍液、放电电阻、套管和外壳构成。其中,电极一般为直径6um的自热退火过的铝箔,电极被电介质和浸渍剂隔开,然后绕制成多卷结构,电气连接线焊接在电极上,形成接线端,构成一个电容器单元,多个单元串并联构成电容器本体。电容器中的电介质用于隔离电极,电介质材料一般需要具有较高的绝缘强度和介电常数,以及低介质损耗。早期电容器介质用绝缘纸,目前多采用膜(聚丙烯薄膜)一纸(绝缘纸)结构,甚至一些电容器采用了全膜型的绝缘介质。聚丙烯薄膜自20世纪60年代用于电容器以来,由于其低损耗和高介电常数特性,得到了快速广泛应用,其厚度仅约10um,因此极大地降低了单位容量下的电容器体积。

电容器在生产过程中不可避免的会产生一些缺陷,如混入杂质、引线片焊接毛刺等,在电容器长期运行过程中,这些缺陷会逐步发展,造成电容绝缘介质老化,以至于电介质击穿,造成电容器爆炸等事故。本文首先分析了电容器的典型缺陷类型及其成因,并在此基础上分析可能造成电容器老化的原因,对现有电容器绝缘老化机理研究成果进行梳理,进而得出提高电容器绝缘寿命的改进措施和绝缘老化机理的研究方向。

1  电容器典型缺陷成因

由于目前生产工艺限制,电容器在生产过程中内部会带有微小缺陷,这些缺陷的存在对电容器的外特性几乎没有影响,也不影响电容器的出厂试验。但在长期运行过程中这些缺陷会成为内部隐患,随着缺陷的发展扩大,最终可能造成比较严重的后果,因此有必要对电容器生产过程中可能出现的缺陷类型和形成原因进行分析。电容器的典型缺陷主要有重叠缺陷、内部缺陷、油质缺陷和接触缺陷。

1.1重叠缺陷

电容器由很多个电容器单元构成,单个单元是由铝箔和膜介质通过卷绕的方式生产的,介质和电容器单元的生产工艺不合理将会产生重叠缺陷。从介质生产的角度看,介质生产工艺缺陷将导致介质薄膜厚度不均匀;从电容器单元生产的角度看,当单元卷绕过程中卷制机床的各轴平行度较差,收卷臂位置不当,或当收卷压力设置不合理,机床各轴压力不一致,或生产过程中机床发生振动时,均会在电容器单元内形成绝缘介质褶皱,

导致重叠缺陷

1.2  内部缺陷

内部缺陷是电容器生产过程中最常见、且不可避免的缺陷,其产生的主要原因是聚丙烯薄膜在生产过程中受到拉力不均匀,以至于膜上出现微小缺陷,或是由于膜的褶皱导致膜间出现气限。

1.3  油质缺陷

电容器在生产过程中都要经过真空浸渍阶段从而使得浸渍剂充分浸渍到电容器单元中。油质缺陷产生的原因主要有三个：一是浸渍真空净化处理不足,易导致浸渍剂本身混入杂质;二是浸渍过程中真空度不高或浸渍时间未达到要求而导致浸渍剂中含有气泡;三是使用过程中产生绝缘老化,局部放电导致绝缘介质分解,产生气体,导致浸渍剂绝缘性能恶化。

1.4  接触缺陷

电容器由多个电容器单元构成,每个电容器单元电极通过引线片和其他单元和外部连接,一般要求引线片平整,无毛刺。由于目前电容器单元电极多为铝箔或金属化膜,其与引出线接触面积很小,当流过大电流时,容易造成接触处烧坏。电容器接触缺陷主要原因是引线片边缘存在毛刺或引线片和电极接触部分氧化,造成接触不良。

2  电容器绝缘老化机理

2.1  电老化

由于生产工艺的限制,电容器在生产过程中会产生微小缺陷,电容器运行过程中,在电场作用下,这些微小缺陷内可能发生局部放电。文献研究了各类典型缺陷下电容器内部的电场分布情况,通过有限元仿真说明电容器内部电场在缺陷处会产生电场畸变,局部场强増强,势必将导致局部放电更为严重。局部放电对绝缘造成损伤的机理主要有两个方面:一是局部放电所导致的化学老化,如浸渍剂的分解,大分子聚合物的解裂等;二是局部放电所产生的带电粒子对绝缘介质的轰击。微小缺陷内的局部放电逐渐发展会使缺陷逐渐扩大,或产生更多的绝缘缺陷点,从而使得电容器发生早期绝缘失效故障。

1983年印度学者V. Krishnan研究表明,局部放电严重程度与聚丙烯介质的老化程度密切相关,随着局部放电的发展,聚丙烯介质的绝缘强度逐渐下降,放电部位周围介质的电导率也随之发生变化。局部放电导致的粒子撞击和分解产物沉淀同时也会导致绝缘介质的表面形貌发生变化。西南交通大学吴广宁教授研究团队对脉冲电容器进行加速电老化试验,试验过程中对电容器进行局部放电检测,得出局部放电各参量(最大放电量、平均放电量和放电重复率)与老化程度的关系曲线,并利用电子显微镜对各老化阶段的电容器表面微观形貌进行观察和分析,指出电极边缘区域存在的局部绝缘缺陷是电容器失效的主要原因。文献搭建了脉冲电容器老化试验平台,设计了一种基于直流局部放电的测试系统,得到不同老化阶段的局部放电统计特性。不同典型缺陷下局部放电的特点有所不同,以此可以作为判断局部放电类型的依据。文献分析了直流下气隙、表面和电晕放电模型下的局部放电,比较了3种模型的放电脉冲波形和直流电压施加不同阶段的放电情况, 并从放电机理角度分析了直流电压施加不同阶段局部放电特性的差异。法国学者R. Hammal讨论了不同典型缺陷下电容器交流局部放电的特点,对各类典型缺陷下的局部放电图谱进行了分析。他同时指出,局部放电的发展分为两个阶段:一是发

生在液相中的小幅值负极性放电:二是在气泡中发生的,正负极性均存在的放电。

2.2  热老化

在热的作用下,电介质的老化过程会加速,热老化在宏观上可能导致绝缘介质融化，介质质量减小;在微观上会使得聚合物分子量降低,晶体结构发生变化,交联程度降低。当介质内发生局部放电时,其放电释放的能量会导致局部温度升高,从而加速介质的热老化。

电容器绝缘介质在高温环境中时,其机械特性和体积都会随温度相应改变,对于金属化膜型电容器,由于介质和金属膜的温度膨胀系数不同,在热老化过程中会导致出现应力,影响金属化膜结构。即使当温度回到正常温度时,由于热膨胀系数不同导致的应力仍然存在,可能会导致介质中出现缺陷,从而增大介质损耗。

有很多模型可用于判断介质的热老化速度,由于电容器是一种储能元件,其击穿过程相当于发生了一次化学反应,根据 Arrhenius法则이,其老化速度ν可用式(1)表达,即

式中:为 Arrhenius系数;k为普朗克常量:E为活化能;T为绝对温度。

文献融合了电老化和热老化效应,提出另一种评估电容器老化状态的模型为

式中:で、为设备使用寿命;F为电老化因子;T_R为环境温度;为设备额定环境温度。

2.3  空间电荷

绝缘材料从微观上可分为很多个结构相同的单元,每个单元都应该是电中性的。但在某些情况下,单元内的正负电荷不能互相抵消,剩余电荷就被称作空间电荷。在电场的作用下,空间电荷的来源主要有3个方面。

1)杂质的热离子化。在绝缘介质生产过程中,会掺入一定催化剂和抗氧化剂,这些添加剂将成为杂质,杂质分子的热离子化将产生正负电荷,这些电荷在电场作用下将向异极性电极方向运动,在运动过程中一些电荷会被介质中的陷阱捕获,形成空间电荷。

2)界面极化。电介质内部有很多界面,界面极化会导致界面处电荷的积累,继而形成空间电荷。

3)电荷注入。由于肖特基效应和蒲尔一弗朗克效应,当电场强度到达一定值时,电荷会从电极注入绝缘介质中,从而形成空间电荷。

在不同电场强度下,以上3种产生空间电荷的方法所占比重也有所不同。当电场强度较低时,杂质的离子化占主导地位,当电场强度较高时,电荷注入占据主导地位。文献研究表明,不仅电的荷注入,空间电荷的脱陷同样会对电介质的击穿产生直接影响。

电容器在运行过程中,空间电荷会存在于介质表面和内部,空间电荷的累积会导致内部空间电场产生畸变,其内部电场可能会升高至外加电场的8～10倍。随着电容器的老化,绝缘介质的性能逐渐降低,其内部陷阱数量逐渐增多,由分子松弛引起的脱陷将加剧,因此其内部空间电荷的入陷和脱陷现象更为频繁。文献指出,空间电荷的入陷和脱陷会伴随产生高能粒子和射线,这些粒子和射线将导致聚合物的分解并在介质内部形成微小孔洞。因此,空间电荷的存在是导致聚合物绝缘老化并击穿的主要原因之一。

2.4  其他老化原因

除以上三种最主要的老化原因外,近年研究表明还有一些其他因素导致电容器老化。文献研究了电力电容器使用回收绝缘油中抗氧化剂缺失对其热稳定性的影响,结果表明回油中抗氧剂的缺失是造成电容器损耗异常增大以及热不稳定的主要因素。文献研究了机械应力对电容器绝缘介质局部放电特性的影响,分析结果表明机械应力的作用会导致聚丙烯薄膜介质内部微孔增大以及分子链的断裂,介质内部电场严重畸变,从而导致直流局部放电性能的恶化。文献研究了不同几何外形(长、短、盘形)金属氧化膜电容器老化前后等效阻抗(ESR)变化情况,研究表明电容器外形越长,其老化速度越快。

3  结论

1)从降低局部放电的角度,应加强绝缘介质膜的生产工艺把控,应使得绝缘膜尽量均匀、无缺陷在电容器单元绕制过程中,应提高工艺水平,减少膜因受力不均引起的褶皱:电容器单元浸渍过程中,应当保证浸渍剂的纯度、浸渍时间和真空度, 减小浸渍剂中杂质和气泡。

2）从增强电容器散热的角度,电容器的浸渍剂应选择导热性好的浸渍剂,能够将运行过程中产生的热量快速传导到外壳,避免单元局部过热,造成热击穿。

3)从降低空间电荷影响角度,电容器应尽量选择具有高逸出功的金属电极,减小由电极进入介质的电荷数量。

4)从机械结构的角度,电极边缘应作包边处理, 确保电极边缘不存在金属拉丝,减少电容器电极边缘的缺陷:电容器芯子应避免介质过度拉伸,也应避免介质材料过度松散,以保证介质的电气强度。

从本文的分析可以看出,目前对电容器绝缘老化机理的分析仅针对单老化因子。但电容器绝缘老化是一个多老化因子共同作用的结果,在老化的过程中,各种老化因素相互影响,互相促进,共同导致了绝缘老化以致击穿。目前对电容器绝缘老化试验环境往往不能反映绝缘介质经受的实际工况，所得到的数据也和实际运行数据存在差距。因此，在下一步的工作中，有必要对多种老化银子共同作用的电容器绝缘老化机理进行更加深入的研究。