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《電力電容器絕緣缺陷產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.國網四川省電力公司電力科學研究院,成都 610072; 2.武漢大學電氣工程學院,武漢 430072;3.重慶大學電氣工程學院,重慶 400044)


 : 電力電容器作為電力系統中重要的電力運行設備,主要起著無功補償、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過程中的生產工藝給出了建議,并對絕緣老化機理研究方向作出了展望。

關鍵詞 :電力電容器;絕緣材料;絕緣缺陷;絕緣老化


0  引言

隨著電力系統的發展,電容器(本文中“電容器”均指“電力電容器”)的應用越來越廣泛。電容器在交流系統中主要用于無功補償,并和電感串聯兼具濾波作用;在直流輸電系統中電容器是直流場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。前者一般用于產生脈沖功率或沖擊電壓;后者也叫超級電容,用于儲存電場能。電容器的安全運行直接關系到電力系統的可靠性,但近年來電容器由于絕緣老化引起的故障時有發生,引起了各國學者的廣泛關注。

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、浸漬液、放電電阻、套管和外殼構成。其中,電極一般為直徑6um的自熱退火過的鋁箔,電極被電介質和浸漬劑隔開,然后繞制成多卷結構,電氣連接線焊接在電極上,形成接線端,構成一個電容器單元,多個單元串并聯構成電容器本體。電容器中的電介質用于隔離電極,電介質材料一般需要具有較高的絕緣強度和介電常數,以及低介質損耗。早期電容器介質用絕緣紙,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。聚丙烯薄膜自20世紀60年代用于電容器以來,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。

電容器在生產過程中不可避免的會產生一些缺陷,如混入雜質、引線片焊接毛刺等,在電容器長期運行過程中,這些缺陷會逐步發展,造成電容絕緣介質老化,以至于電介質擊穿,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行梳理,進而得出提高電容器絕緣壽命的改進措施和絕緣老化機理的研究方向。


1  電容器典型缺陷成因

由于目前生產工藝限制,電容器在生產過程中內部會帶有微小缺陷,這些缺陷的存在對電容器的外特性幾乎沒有影響,也不影響電容器的出廠試驗。但在長期運行過程中這些缺陷會成為內部隱患,隨著缺陷的發展擴大,最終可能造成比較嚴重的后果,因此有必要對電容器生產過程中可能出現的缺陷類型和形成原因進行分析。電容器的典型缺陷主要有重疊缺陷、內部缺陷、油質缺陷和接觸缺陷。

1.1重疊缺陷

電容器由很多個電容器單元構成,單個單元是由鋁箔和膜介質通過卷繞的方式生產的,介質和電容器單元的生產工藝不合理將會產生重疊缺陷。從介質生產的角度看,介質生產工藝缺陷將導致介質薄膜厚度不均勻;從電容器單元生產的角度看,當單元卷繞過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,或生產過程中機床發生振動時,均會在電容器單元內形成絕緣介質褶皺,

導致重疊缺陷

1.2  內部缺陷

內部缺陷是電容器生產過程中最常見、且不可避免的缺陷,其產生的主要原因是聚丙烯薄膜在生產過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  油質缺陷

電容器在生產過程中都要經過真空浸漬階段從而使得浸漬劑充分浸漬到電容器單元中。油質缺陷產生的原因主要有三個:一是浸漬真空凈化處理不足,易導致浸漬劑本身混入雜質;二是浸漬過程中真空度不高或浸漬時間未達到要求而導致浸漬劑中含有氣泡;三是使用過程中產生絕緣老化,局部放電導致絕緣介質分解,產生氣體,導致浸漬劑絕緣性能惡化。

1.4  接觸缺陷

電容器由多個電容器單元構成,每個電容器單元電極通過引線片和其他單元和外部連接,一般要求引線片平整,無毛刺。由于目前電容器單元電極多為鋁箔或金屬化膜,其與引出線接觸面積很小,當流過大電流時,容易造成接觸處燒壞。電容器接觸缺陷主要原因是引線片邊緣存在毛刺或引線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

由于生產工藝的限制,電容器在生產過程中會產生微小缺陷,電容器運行過程中,在電場作用下,這些微小缺陷內可能發生局部放電。文獻研究了各類典型缺陷下電容器內部的電場分布情況,通過有限元仿真說明電容器內部電場在缺陷處會產生電場畸變,局部場強増強,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方面:一是局部放電所導致的化學老化,如浸漬劑的分解,大分子聚合物的解裂等;二是局部放電所產生的帶電粒子對絕緣介質的轟擊。微小缺陷內的局部放電逐漸發展會使缺陷逐漸擴大,或產生更多的絕緣缺陷點,從而使得電容器發生早期絕緣失效故障。

1983年印度學者V. Krishnan研究表明,局部放電嚴重程度與聚丙烯介質的老化程度密切相關,隨著局部放電的發展,聚丙烯介質的絕緣強度逐漸下降,放電部位周圍介質的電導率也隨之發生變化。局部放電導致的粒子撞擊和分解產物沉淀同時也會導致絕緣介質的表面形貌發生變化。西南交通大學吳廣寧教授研究團隊對脈沖電容器進行加速電老化試驗,試驗過程中對電容器進行局部放電檢測,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)與老化程度的關系曲線,并利用電子顯微鏡對各老化階段的電容器表面微觀形貌進行觀察和分析,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有所不同,以此可以作為判斷局部放電類型的依據。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,對各類典型缺陷下的局部放電圖譜進行了分析。他同時指出,局部放電的發展分為兩個階段:一是發

生在液相中的小幅值負極性放電:二是在氣泡中發生的,正負極性均存在的放電。


2.2  熱老化

在熱的作用下,電介質的老化過程會加速,熱老化在宏觀上可能導致絕緣介質融化,介質質量減小;在微觀上會使得聚合物分子量降低,晶體結構發生變化,交聯程度降低。當介質內發生局部放電時,其放電釋放的能量會導致局部溫度升高,從而加速介質的熱老化。

電容器絕緣介質在高溫環境中時,其機械特性和體積都會隨溫度相應改變,對于金屬化膜型電容器,由于介質和金屬膜的溫度膨脹系數不同,在熱老化過程中會導致出現應力,影響金屬化膜結構。即使當溫度回到正常溫度時,由于熱膨脹系數不同導致的應力仍然存在,可能會導致介質中出現缺陷,從而增大介質損耗。

有很多模型可用于判斷介質的熱老化速度,由于電容器是一種儲能元件,其擊穿過程相當于發生了一次化學反應,根據 Arrhenius法則?,其老化速度ν可用式(1)表達,

式中: 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的模型為

式中:で、為設備使用壽命;F為電老化因子;TR為環境溫度;為設備額定環境溫度。


2.3  空間電荷

絕緣材料從微觀上可分為很多個結構相同的單元,每個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,剩余電荷就被稱作空間電荷。在電場的作用下,空間電荷的來源主要有3個方面。

1)雜質的熱離子化。在絕緣介質生產過程中,會摻入一定催化劑和抗氧化劑,這些添加劑將成為雜質,雜質分子的熱離子化將產生正負電荷,這些電荷在電場作用下將向異極性電極方向運動,在運動過程中一些電荷會被介質中的陷阱捕獲,形成空間電荷。

2)界面極化。電介質內部有很多界面,界面極化會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,當電場強度到達一定值時,電荷會從電極注入絕緣介質中,從而形成空間電荷。

在不同電場強度下,以上3種產生空間電荷的方法所占比重也有所不同。當電場強度較低時,雜質的離子化占主導地位,當電場強度較高時,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對電介質的擊穿產生直接影響。

電容器在運行過程中,空間電荷會存在于介質表面和內部,空間電荷的累積會導致內部空間電場產生畸變,其內部電場可能會升高至外加電場的810倍。隨著電容器的老化,絕緣介質的性能逐漸降低,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伴隨產生高能粒子和射線,這些粒子和射線將導致聚合物的分解并在介質內部形成微小孔洞。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局部放電特性的影響,分析結果表明機械應力的作用會導致聚丙烯薄膜介質內部微孔增大以及分子鏈的斷裂,介質內部電場嚴重畸變,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、短、盤形)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,其老化速度越快。


3  結論

1)從降低局部放電的角度,應加強絕緣介質膜的生產工藝把控,應使得絕緣膜盡量均勻、無缺陷在電容器單元繞制過程中,應提高工藝水平,減少膜因受力不均引起的褶皺:電容器單元浸漬過程中,應當保證浸漬劑的純度、浸漬時間和真空度, 減小浸漬劑中雜質和氣泡。

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,能夠將運行過程中產生的熱量快速傳導到外殼,避免單元局部過熱,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,減小由電極進入介質的電荷數量。

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過度拉伸,也應避免介質材料過度松散,以保證介質的電氣強度。

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多老化因子共同作用的結果,在老化的過程中,各種老化因素相互影響,互相促進,共同導致了絕緣老化以致擊穿。目前對電容器絕緣老化試驗環境往往不能反映絕緣介質經受的實際工況,所得到的數據也和實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行更加深入的研究。



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