充SF6气体高压自愈式并联电容器探讨

1　国内外干式高压自愈式并联电容器发展概况

　　在国外，日本日新电机公司于1986年推出电压6.6kV、容量50～100kvar的充SF6气体的干式高压自愈式并联电容器，已有十年以上批量生产和运行经验。美国电器厂商自然不甘落后，GE公司积极投入到干式高压自愈式并联电容器研制中来。在进行大量基础研究之后，制成了用聚氨脂浇注的7.2kV、100kvar电容器，试运行成功。由于成本过高，未投入批量生产。
　　在高压自愈式并联电容器研制的潮流中，我国研究人员也在默默前进着，许多人为此奉献了无数精力和汗水，进行了大量基础研究，为后来者打下了成功的基础。到1996年，终于取得了突破性进展。桂林电力电容器厂金膜分厂在郭大德主持下开发了积木式无油高压自愈式并联电容器。
　　锦州电力电容器厂开发了由较低电压等级的电容器单元组成的干式自愈式并联电容器组。
　　西安电力电容器研究所走的是另一条道路。在成熟的低压自愈式并联电容器制造技术的基础上，我们吸取国内外先进技术和经验，进行了大量基础实验研究，成功地解决了高电压下局部放电问题，研制出了充SF6气体的干式高压自愈式并联电容器，通过了严格的型式试验考核。试制模型在1.35Un下经过1500h的老化试验后性能依然良好。
　　为适应不同需要，我们开发了多种结构的产品，既有外壳为零电位的矩形双套管产品，又有可用绝缘子支撑的单套管产品（单台电压即达11/kV，只用单层绝缘子支撑即可）。另外，在壳内灵活组装的箱式产品技术也已成熟。
　　在总结前人得失的基础上，我们采用非内串元件，在高真空下对元件进行热处理；每个元件上都加有技术非常成熟的熔丝，在元件自愈失效后能顺利切除。作为后备保护，还在箱壳上增加了完善的压力保护和压力释放装置，以求确保安全。

2　充SF6气体高压自愈式并联电容器的研制

2.1　主要技术指标
　　a． 矩形外壳产品
　　额定电压：（6～10）/ kV
　　额定容量：100～334 kvar
　　极间耐压：2.15Un
　　tgδ：≤0.03%
　　电容偏差：0～+10%
　　局部放电：≤100 pC
　　比特性：0.22 kg/kvar
　　安装地点海拔可达2000m，使用环境温度一般类别为-25/B，可根据用户需要生产更苛刻环境下的产品。
　　b． 灵活的箱式产品
　　箱式产品基本性能同矩形壳式产品。电压、容量组合更灵活，电压可达35kV，容量在334～3334kvar范围可灵活选择。
2.2　密封性试验
　　根据GB/T11023-1989将试品装入塑料密封罩中，封闭24h，前后测量气体浓度。测得年泄漏率为0.143%。
2.3　热稳定试验
　　45±2℃，1.2Un，运行48 h，试品温升为9℃。
　　测试数据见表1

表1　热稳定试验前后测试数据比较

表2　BLMJ6.6/-100-1起始及熄灭局放测试 编号电容
（μF）PDIV
（kV）起始局放场强
（MV/m）PDEV
（kV）熄灭局放场强
（MV/m） 16.817.583.36.268.8 26.807.280.06.370.0 36.807.482.26.370.0

表3　BLMJ11/-100-1局放测试

编号电容（μF）2.15Un（pC）1.2 Un（pC）1.5 Un（pC）复测电容（μF） 18.16有40708.15 28.15有<10158.14 2.5　老化性能测试
　　(1)试验条件：39.5±2℃，1.35Un
　　(2)试验程序
　　试品在1.35Un下运行750h后，进行Un下的1000次充放电；接着再运行750h，1.35Un。试验数据见表4、表5、表6、表7。表4　第一次750h测试数据 编
号试验前试验后 C(μF)tgδ（%）C（μF）tgδ（%） 16.860.0266.840.025 26.850.0266.840.026 36.870.0246.850.025

表5　1000次充放电测试

编　号123 试验前C（μF）6.846.846.85 tgδ（%）0.0250.0260.025 试验后C（μF）6.836.836.83 tgδ（%）0.0250.0250.024 变化量ΔC（μF）-0.01-0.01-0.02 Δtgδ（%）0-0.001-0.001

表6　第二次750h测试

编　号试验前试验后 C（μF）tgδ（%）C（μF）tgδ（%） 16.830.0256.810.024 26.830.0256.810.024 36.830.0246.800.022

表7　老化试验前后电容量变化比较

编号老化试验前C（μF）老化试验后C（μF）电容变化量（%） 16.866.81-0.73 26.856.81-0.58 36.876.80-1.0 　　由以上数据可知，电容量老化性能是优良的。
2.6　破坏试验
　　我们的产品既有熔丝保护，又有压力保护，因此我们做了单一保护的产品，按GB/T12747—1991分别做了破坏试验。
　　(1)熔丝保护
　　首先施加直流10Un，使试品击穿。施加交流1.3Un，不到1min，保护动作，试品开路。经拆开解剖，发现元件烧损开裂，部分薄膜烧黑。
　　(2)压力保护
　　对试品充以氮气，当气压达到0.1MPa时，压力开关及时动作。大侧面有鼓肚现象，电容器外壳无漏气点。
　　因此我们可以认为，两种保护并用的成品安全性能是不成问题的。

3　几点看法

　　经过几年的学习、探索，我们对干式高压自愈式并联电容器有了一些粗浅的认识。我们认为：对干式高压自愈式并联电容器而言，安全性既是用户最基本的要求，更应是生产者的首要目标。贸然采用没有完善保护的产品，其危险性和普通油浸式是同样的，甚至更甚。降低成本固然重要，但抛开了难燃防爆这个前提，则是毫无意义的。
　　其次，对产品保护不应作机械的简单理解，就保护而论保护；合理的、严格的元件加工工艺，合理的、可靠的电气连接，合理的、稳固的结构形式，能充分保证产品质量，大大降低失效的可能，这，才是治本之道。
　　以上认知，贯穿于我们产品研制的整个过程。首先，我们把提高元件起始局放电压作为最基本的目标，以求获得更佳的性能、更长的寿命。我们通过特殊工艺和充SF6气体解决了问题；同时，充SF6气体后，元件处于不燃烧、不助燃的SF6环境中，完全与外界隔绝，元件即使击穿，也不会有电弧直接暴露在空气中，有更好的难燃性。
　　第二步，就是确定元件结构了。我们觉得，采用内串结构虽然能减少加工环节，简化生产过程，但不利于保护。在电气连接上，内串式是两串后再并联，元件电压一般在900V以上甚至更高，在切除过程中，就有可能产生电弧，造成保护器件重击穿。因此，对保护器件要求更苛刻，不利于实施元件保护。即是勉强加了元件保护，一旦动作切除，受影响的将是两个串联段。我们认为，元件先并后串更合理一些；每个串联段上并联元件数应尽可能多一些（当然不能超过一定范围），这样在损坏元件切除后，因电容变化引起的电压升高会低一些。
　　电容器结构同样重要。如前所述，充SF6密封能提高难燃性，同时，金属化薄膜上的镀层在空气中极易出现的氧化现象也可避免。元件在隔绝空气条件下密封，必定会提升电容稳定性，延长寿命。
　　最后，我们尽可能采用最简单、最可靠、最成熟的保护方式。保护的基本要求应当是简单可靠，保护问题是关系到干式电容器能否在高压系统推广使用的关键，不可不慎重对待。以上这些，是我们向有志于生产干式高压自愈式并联电容器厂商的一点建议。
　　我们相信，在我们大家的共同努力下，消除城市电网中存在的干式变压器、断路器、干式电抗器与可能污染环境、存在火灾隐患的油浸式电容器共存现象的日子指日可待。随着金属化膜性能的提高、成本的下降，随着国家对环保的日益重视，干式高压自愈式并联电容器必将进入更广阔的市场。