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關于低壓并聯電容器元件質量的探討
來源:中茵電力科技(蘇州)有限公司         發布時間:2015-05-27
 引言

  金屬化膜并聯電容器由于絕緣擊穿時具有自愈性能(即自行恢復絕緣的性能),因此又稱為自愈式并聯電容器。在低壓配電系統的無功補償中,自愈式低壓并聯電容器已被廣泛地使用,出現故障甚至損壞的情況也相當多。損壞原因很多,有時是因設計制造問題,有時因為使用不當,有時是因電網本身的原因造成。

  為了更好地提高產品質量,分析損壞的原因,在此簡單地介紹一下自愈式低壓并聯電容器的構成。自愈式低壓并聯電容器,是以單面電暈處理的聚丙烯膜為介質,單面真空蒸鍍金屬層為極板,采用無感繞法而形成圓柱體,在圓柱體兩端噴金,焊接引線,然后封裝成為電容元件,最后把元件裝在金屬外殼中,成為電容器成品。元件質量的好壞直接影響到電容器的質量,從對損壞電容器解剖來看,幾乎都是因元件的擊穿引起的;擊穿的部位又往往集中在元件的端面處;可見元件端面的質量至關重要。而噴金面的質量,不僅與設備有關,而且還與噴金料的成分、氣壓的大小、噴槍運行的速度及電容器本身的錯邊量大小等因素有關。這里主要從電容器元件的設計、生產工藝中的噴金設備各參數的控制、生產實踐中的經驗幾個方面來作以簡單的分析。

  1.元件線電流的選取

  金屬化電容器的元件是由兩張單面蒸鍍金屬層的膜卷而成。元件電流的引出是通過元件兩端面噴涂的金屬層來實現的。因此,元件端面的涌流能力要受到噴金層與元件端頭結合情況影響,也與元件設計時的線電流有關,我們根據下列公式:

  IC=I1*×L

  I1 ——線電流mA/m

  IC——通過元件端面的電流mA

  L——元件展開的金屬化膜的長度m

  所以在元件設計時一定要考慮不要把線電流設計的過大,否則無法保證元件端面質量,線電流選取過大,超過端面所承受的最大限度,元件端面就會被擊穿。當然從理論上講,線電流設計得越小,端面質量就越可靠,但實際設計中還應多方面考慮,選擇一個合理的值。通常情況下,線電流的設計值在50mA/m左右比較適宜。

       2.噴金層端面損耗的構成

  金屬化元件端面如圖1,等效電路圖如圖2:


 
  C為電容器元件電容,R為導電部分的電阻,包括噴金層本身的電阻R1,接觸電阻R2,膜上的電阻R3。元件的損耗tgδ=ωRC。從理論上講,噴金層的接觸電阻R2為0,實際是R1等于0,R2不等于0。這是由于元件端面的噴金層與膜表面的金屬層之間連結基本處于兩種金屬材料的歐姆接觸狀態,因而存在一定的接觸電阻。
 
  R3=2(R□/L)[W/3+(m+d)]
 
  其中:R□—膜上金屬層的方阻
 
  L—膜的有效長度cm
 
  W—膜的有效寬度cm
 
  m—留邊cm
 
  d—錯邊cm
 
  可見元件的損耗實際上由R2和R3決定,R2和R3的大小也就反映出元件損耗的大小。因此,元件端面的損壞過程實際上也就是R2的變化過程,R2直接反映元件端面的質量。
 
  (1)如果噴金層質量差,那么R2則增大。
 
  噴金顆粒的大小,壓縮空氣的干燥狀況、噴槍口與元件端面的距離,噴金鋅絲的氧化程度如果不符合工藝要求,就會導致噴金層與金屬層接觸電阻的增大,以致元件端面被擊穿。
 
  (2)實際上由于膜上的金屬層氧化引起方阻的增大,那么R3則增大。
 
  所以從工藝制作上,元件繞的太松,使膜與膜之間以及元件端面間存在微量水份和空氣,運行時因受到熱、電的綜合作用,使金屬層氧化,引起方阻增大,從而導致元件損耗的增大,使元件擊穿。
 
  從以上分析可以了解到,元件端面的質量不但同元件線電流的取值有關,而且元件的噴金工藝對其也起著至關重要的作用。因此一定要加強噴金工藝中各參數的設置,控制好噴金工藝將直接影響金屬化電容器的元件質量。
 
  3.噴金設備各參數的影響因素
 
  如何提高噴金工藝的水平,應從噴金工藝參數的設定和設備改進等幾方面來考慮,目前所采用的噴金工藝有兩種:一是氧、乙炔火焰法;一是電弧法。電弧法自動噴金工藝參數容易控制和保證。我公司采用的是電弧法。噴金工藝主要參數設置包括:電壓和電流;噴金絲送絲速度及其平穩性;壓縮空氣的壓力;噴射方向與元件端面成的角度;噴金層的厚度和工件移動速度;除塵器的除塵強度和排出室內空氣流量;噴金室內的空氣成分等。這些因素互相制約地影響噴金質量,要綜合考慮各工藝參數,并在大量試驗的基礎上,進行工藝參數的選擇。
 
  3.1噴金設備電壓、電流大小的影響
 
  由于噴金設備所用的設備為電噴法,設備電壓經過長期的試驗一般控制在空載時26V,工作時20V左右,工作電流(260~270)A;當施加電壓為20幾伏時,斷續電流峰值達150A以上,金屬粒子變粗,成團濺射。為了能更好的增加附著力,采用先噴細晶,后噴粗晶的加工方法,這樣既有利于焊接,而且增加了噴金層的附著力。在設備運行過程中,一定要選擇合適的電壓和電流,使設備噴出的粒子符合工藝要求。
 
  3.2噴金絲送絲速度的影響
 
  一般來說,噴金絲直徑一般為2.0mm左右的鋅絲,平均進絲速度為10.40m/min;送絲速度要恰當,過快不能使噴金絲充分熔化,過慢則熔化溫度過高,且要求速度平穩,否則,噴金層顆粒均勻度較差。
 
  3.3壓縮空氣壓力的調整
 
  壓縮空氣的壓力粗晶(4.5~5)bar,細晶5.5 bar,這樣的壓力能將熔化的噴金顆粒形成霧狀,噴射到電容器端面,并介質牢固結合,且噴金層顆粒細小,若氣壓過高,將使錯位伸出的聚丙烯薄膜發生傾斜,這樣不僅不能噴上金屬層,而且影響端面的接觸牢固程度,大大減小接觸面積。另外,噴金層含有較高雜質,將增加接觸損耗。尤其是壓縮空氣的油分,在電弧的作用下,分解成各種有害成分,腐蝕氧化噴金層,大大增加接觸損耗。因此在調整好壓縮空氣壓力的同時,對壓縮空氣的質量也應該給予更多的重視,確保到達元件端面的壓縮空氣質量干凈,無雜質、油、水等成分。
 
  3.4噴槍噴射方向的影響
 
  經過多年的經驗,并通過大量的試驗驗證,噴金槍的噴射方向與元件端面成110°夾角如下圖:
  

 
  這樣噴金熔化顆粒能進入層與層之間的縫隙、比較結實的附著在薄膜的金屬化層上,增加接觸面積和增強結合層的牢固程度。但是,距離不能太小,和相對角不能太大,否則,熔化顆粒增大,影響產品質量。

  3.5噴金層的厚度和工件移動速度的影響

  根據經驗噴金層厚度一般在(0.5-0.6) mm,噴金層厚度要求: 粗晶(0.23+0.02)mm ; 細晶(0.23+0.02)mm;因為太薄焊接時容易燙傷膜層,太厚成本高,而且小卷芯在噴金后分離時易引起噴金層剝落。噴金厚度的控制一般可通過調節送絲速度和工件移動速度來實現。但調快送絲速度可能影響金屬粒度。工件移動速度控制在(0.5-2.3)m/min范圍內,為使電容器端面控制在0.46mm,移動速度不能過快,否則噴金層太薄會增加接觸損耗,也不利于引線焊接。

  3.6除塵器的除塵強度和排出室內空氣流量的影響

  除塵器的除塵強度大則能把懸浮在噴金室內的顆粒雜質除掉,避免噴金層帶有雜質及顆粒。同時排出噴金室內的流量應大于壓縮空氣流量的20%左右,能把電弧所產生的大量臭氧充分排出噴金室,防止臭氧氧化融熔的噴金料滯留在噴金室內,使接觸損耗增大。噴金室內的空氣必須清潔,無水和油的含量,以增加噴金層的純度和結合力,減少損耗。

  4.為提高噴金質量對設備采取的改進措施

  4.1減少端面污染,提高噴金層與芯子端面的附著力

  芯子端面的污染造成噴金層與端面的粘接強度嚴重下降,等效串聯電阻增大,致使電容器的tgδ增大,載流能力下降,可靠性降低。通過對失效產品的解剖看,有一定比例失效產品是由端面受污染引起的。對芯子端面的污染主要是來自對芯子第一端噴金時,反射金屬灰對另外一端的污染,并且這種污染不宜清除。由于它們附著在芯子表面上,當對此面噴金時它們阻擋了噴金粒子進入到膜間,因而降低了噴金層與芯子端面的附著力。

  通過觀察發現這種污染主要是由氣流紊亂引起的。氣流紊亂的原因有二:一是集塵裝置的引風口在噴金機的一側引風,其中氣流與壓

  縮空氣的噴射氣流成直角,造成氣流紊亂;二是放芯子的托架空心面積不夠,噴金氣流噴射到托架底部產生一定的反射造成芯子下端面的污染。

  針對上述兩個問題我們采取如下措施:(1)噴金機的引風口位置,由側引風改為底部引風,使噴射氣流與引風氣流方向一致;(2)對托架進行改進增大空心,減少噴射氣的阻力。

  采取上述兩項措施后,增強了噴金層與芯子端面的附著力。改進后的電容器芯子噴金質量通過作充放電實驗來看取得了明顯效果(見表1),后來的元件芯子端面沒有出現污染而產生失效。

  
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