低压自愈式并联电容器的研究探讨
摘要：低压无功补偿控制是配电网降损节能的主要措施，是配电网的一个重要组成部分，对提高功率因数、保证供电质量、降低能耗、增强供电安全性起到重要作用，市场容量相当大，同时民用供配电也占有很大的比重。BSMJ型低压自愈式并联电容器作为无功补偿的重要元器件，具有不可替代的作用，本文着重于BSMJ型电容器的结构设计、工艺特点、性能、质量、技术特性及产品研发、制造、使用等方面将作出初步的探讨。
关键词：BSMJ型；自愈；无功补偿控制；并联电容器
0引言
低压配电系统的无功补偿中，BSMJ型电容器被广泛应用，但普遍存在着早期失效率高，使用寿命短等质量问题。我国电力电容器制造行业单就生产设备、原材料和技术来说，并不比国际上先进水平逊色，该类产品的需求量在逐年增加，其国产化进程不断加快。
本文主要针对某公司BSMJ型电容器在应用过程中存在的质量问题进行了分析，并对产品的设计进行优化与探讨；在生产工艺中，通过加强工艺过程控制、调整工艺参数等改进措施的实施，电容器的寿命性能得到了提高，产品符合技术要求且通过各项型式试验。
1BSMJ型电容器的设计过程
1.1存在的问题
1.1.1早期失效率高
（1）采用的薄膜质量差、设计场强又高，金属层方阻控制不好，电容器会因击穿-自愈-再击穿，鼓肚失效。
（2）局部放电严重：生产工艺不良，电容器内水份含量高，局部放电严重，会造成薄膜介质早期老化击穿。
（3）端头接触层不良导致性能恶化，tanδ增大：电容器在长期交流负载下和瞬时电流的冲击之后，接触电阻增加，导致整个电容器损耗增加，以至开路。端头接触性能好坏与很多因素有关，如电极金属材料、温度、喷金层的材料，工艺、原件的卷绕情况、热处理工艺及浸渍剂的性能等有关。
1.1.2使用寿命不如预期的长
（1）电容器各相电容值不平衡，产品在运行过程中因补偿不当容量损耗受损，影响产品使用寿命。
（2）电容器的设计不符合所要求的工作环境，使电容器的电容值衰减、介质损耗角正切值增大、绝缘性能下降等参数的恶化，对电容器的使用寿命有极为显著的影响。
（3）浸渍剂因使用不当或处理效果不好，导致水分含量多，水分在电流的作用下对薄膜的金属层进行氧化和腐蚀，引起产品的容量值下降，损耗上升，产品的寿命缩短。
针对以上存在的问题，我们在结构的设计上对金属化薄膜的选取、心子结构和引出方式、浸渍剂的使用以及采用过压力防爆保护装置方面的分析与探讨，得到了较为满意的效果。
1.2金属化薄膜的选取
（1）采用聚丙烯薄膜为电介质，金属化锌铝合金镀层为电极。
金属化膜电容器采用聚丙烯薄膜为介质，自愈性能优越，耐电强度高，储能因数大。铝金属化膜制成电容器之后，在交流电压下电容器里的金属化层发生氧化，引起严重的电容损失，限制了电容器的使用寿命；锌金属化膜虽然对电化学腐蚀不敏感，但对于大气腐蚀却很敏感，因而极易分解而损坏。金属化锌铝合金膜，克服了纯锌膜和纯铝膜的缺点。锌铝合金在聚丙烯薄膜上先镀一层铝，紧接着再蒸镀一层锌。由于两种金属原子会相互扩散，下层的铝原子会穿过上层的锌向镀层表面扩散，到达锌层表面的铝增强了上层锌层抗大气腐蚀的能力。另外锌铝合金膜中的主要成分是锌，因此在长期交流负载下电容量的下降与纯锌膜相同，克服了铝膜在长期运行中电容下降的缺点。
（2）为提高电容器的抗涌流、抗电能力，采用了边缘加厚技术，增加喷金层与金属化极板的结合强度，减小喷金层与金属层的接触电阻，电容器自身能耗降低。
（3）为了改善薄膜的耐温性，必须对聚丙烯性能进行温度改性。例如：增加α晶型晶体含量，减小β晶型含量；提高等规度和结晶度、增加了添加剂，提高了膜的耐温性等。
1.3设计心子结构和引出方式
为适应大电流冲击和提高电容器心子的机械强度，确定了较为合理的方阻，改进了心子的结构和引出方式，从而提高了产品的性能，质量和效率。某公司根据生产实际情况，选用现有的外壳、绝缘子、引出头和焊接等工艺手段，改进适合该电容器的外部密封结构，节省了投资，加快了试制进度，而且由于每一类型中不同容量的产品其安装尺寸和接地柱位置都是完全相同的，因此极大地方便了用户的设计、安装和维修。
1.4浸渍剂的使用
电容器元件内添加浸渍剂主要是为了填充元件端面的空隙，改善产品局部放电现象，浸渍剂进入电容器心子两端后，有效阻止空气、水分侵入电容器心子。各生产厂家选用的浸渍剂种类不一样，某公司使用的是进口聚异丁烯等组份合成，有效地提高了电容器的局部放电起始场强、降低了金属化电极的腐蚀现象，使电容量损失明显减小，因此增加了产品的可靠性和使用寿命。电容器的外壳与元件之间，以阻燃物质充填，在电容器内部发生故障时，起灭弧、防火和隔热作用。
1.5采用过压力防爆保护装置
尽管产品的结构设计中，选用了较好的介质材料和浸渍料，并且着重提高介质的起始游离电场强度和击穿电场强高，以及选择适当的工作电场强度，采取必要的、严格的工艺措施，以及提高电容器心子本身的固有可靠性，但是，工艺上和使用上的偶然因素必定存在，即使这些因素可以排除，而交流金属化电容器在寿命终结时，往往以“鼓胀”、漏油、爆炸以致燃烧而告终，因此，对于这种中功率的电力电容器就不能不考虑他的防爆安全措施。
过压力防爆保护装置见图1。过压力防爆保护装置是这种电容器防爆安全方法之一，作用是当电容器在某种因素下，内部压力过高时断开这种电容器的通路以达到防爆的目的。
图1电容器过压力防爆保护装置
这种过压力防爆保护装置的作用原理是：当电容器内部压力升高时，外壳壁膨胀变形产生位移，当位移量达到一定的程度瞬间拉断铜保险片，接线端子电源被切断，起到了安全防爆的保护作用，见图2。如果电流切断是控制在电容器密封性破坏之前，电容器就不会爆炸和燃烧，更不会引起二次性的灾害了。
图2电容器过压力防爆保护示意图
这种过压力防爆保护装置通常用于自愈式的金属化交流电容器中。能否正确起作用，关键取决于外壳在电容器寿命期间的密封性，他不是限流熔断器，不能取代电容器外部电路的保护措施。
2BSMJ型电容器的工艺特点
为了使BSMJ型电容器符合产品标准和满足使用的要求，提高产品性能，设计时在工艺上主要有以下特点和措施：
（1）元件在卷绕过程中，错边量、张力大小应符合工艺规定的参数，能够使喷金质量提高，便于焊接引线，降低接触电阻，减少损耗。
（2）喷金工艺通过空气压力、喷枪距离、移动速度、电流等参数的调整，使喷金层与金属化膜接触牢靠，减少损耗值和热击穿、电击穿发生的概率，提高产品的使用寿命。
（3）焊接时必须控制好焊接的时间、焊点的大小、焊接表面的平整度等焊接的状态，焊接质量不好，会造成接触电阻变大，增加电容器损耗，使电容器运行时发热量增多，电容器可能提前失效，达不到寿命要求。
（4）调整热处理工艺的时间与温度，热处理时要确保烘箱内部温度分布循环均匀。能够较好地消除心子薄膜间隙，提高心子的紧密度和电容的稳定性，改善产品的电气性能。
（5）电容器心子和心组采取了特殊绝缘措施，增加了心子和心组间的绝缘强度。
（6）根据采用的介质和浸渍料，确定了较为合理的真空干燥和浸渍装配工艺，确保电容器在交流下的高绝缘性能，保证了电容器的电容量等级要求。
（7）电容器的主要参数都有较高的内控标准，确保电容器的性能符合和优于有关标准。
（8）制造过程中加强产品节点、工艺卫生等质量控制与信息反馈，关键工序由专人操作和检验。
3BSMJ型电容器的技术特性
3.1基本参数
额定频率Fn：50Hz；额定电压Un：0.25～0.525kV；额定电流In：20～100A；额定无功功率Qn：1～60kvar；相数：单相/三相；接法：三相接法为“△”形或“Y”形。
3.2使用条件
只有满足BSMJ型电容器的使用条件，才能保证电容器的使用寿命。使用条件为：海拔高度不超过2000m，环境温度范围是-25℃～+55℃。
BSMJ型电容器在使用中负荷不能超过以下极限值：允许过电压为110%Un，允许过电流为130%In。
3.3电容器的结构外形尺寸和规格
（1）电容器的规格、额定电压、额定无功功率、额定频率和外形尺寸见表1。
表1 BSMJ型电容器的外形尺寸和规格
（2）BSMJ型电容器的外形尺寸图号见图4。
3.4技术要求
为了验证BSMJ型电容器的结构设计和生产工艺是否正确合理，确定产品的使用寿命和可靠性[18]，产品应符合以下技术要求。技术要求依据于GB/T12747—2017国家标准。
图3BSMJ型电容器的外形尺寸图号
（1）电容量允许偏差：±5%；相间大与小值之比≤1.08。
（2）损耗角正切值：tanδ≤3×10-3。
（3）电压试验：端子间交流电压：2.15Un.AC（r.m.s）；端子与外壳间交流电压：3kV.AC（r.m.s）。
（4）密封性试验：（70±2）℃，2h后不出现渗漏现象。
（5）热稳定性试验：在（50±2）℃下，施加电压使电容器无功功率Q=1.44Qn48h，在后6h内温度增加不超过1℃，试验后ΔC/C≤±2%；tanδ≤2×10-4。
（6）放电试验：电容器充上2Un.DC，10min内短路放电5次，试验后ΔC/C≤±2%；tanδ≤3×10-3。
（7）破坏性试验。
a在（50±2）℃下，保持8h，施加1.3Un.AC（r.m.s），并测量电流。
b给端子间施加10Un.DC，使其发生击穿而短路（回路中直流短路电流应保持为300mA），并保持5s。
c在发生短路的试品端子间施加1.3Un.AC（r.m.s），保持3min，再次测量电流。
d如果在1.3Un下流经的电流为零或低于初始值的66%，则中断试验；否则重复以上步骤直至交流试验电流低于初始值的66%。
e端子与外壳间施加1500VAC，历时10s。试验后，要求电容器逸出的液体材料不得成滴下落且外壳可以变形和损伤，但不能爆裂。
（8）自愈性试验：试品能承受电压2.15Un.AC（r.m.s）或3.04Un.DC10s，如果击穿少于5次，则升高电压直至发生5次自愈击穿，或电压达到3.5Un.AC（r.m.s）或4.95Un.DC为止；当电压达到上述电压限值并历时10s后，自愈击穿少于5次，则可终止试验，试验后ΔC/C＜0.5%；tanδ≤1.1tanδ0+1×10-4。
（9）老化试验。
a在（45±2）℃下，施加1.25Un.AC（rms），750h。
b电容器充上2Un.DC，通过电感L=1000.μH/C.μF±20%，放电1000次，每次持续时间≥30s。
c重复a的试验1次。
试验中温度均保持在（45±2）℃。试验后，要求电容器无永久性击穿、开路或闪络，试验后ΔC/C≤±3%、tanδ≤4×10-3、端子与外壳间3kV.AC（rms），密封性合格。
3.5产品型式试验
某公司于2018年10月制作5台BSMJ型电容器（BSMJ-0.45-50-3）产品，并委托国内知名检测机构进行型式试验，依据GB/T12747.1—2017《标称电压1kV及以下交流电力系统用自愈式并联电容器第1部分：总则》[19]和GB/T12747.2—2017《标称电压1kV及以下交流电力系统用自愈式并联电容器第2部分：老化试验、自愈性试验和破坏试验》[20]国家标准，产品目前已通过各项试验，现将关键试验项目加以说明。关键试验项目与产品编号见表2。
表2关键试验项目与产品编号
3.5.1热稳定性试验
（1）试验方法：见3.4技术要求中热稳定性试验。
（2）试验数据：热稳定试验后，试验数据见表3。
表3热稳定性试验数据
3.5.2自愈性试验
（1）试验方法：见3.4技术要求中自愈性试验。
（2）试验数据：自愈试验后，电容值变化及损耗角正切值见表4。
表4自愈性试验数据
3.5.3破坏性试验
（1）试验方法：见3.4技术要求中破坏性试验。
（2）试验数据：破坏试验后，电流、电容值变化及试验情况见表5。
表5破坏性试验数据
3.5.4老化试验
（1）试验方法：见3.4技术要求中老化试验。
（2）试验数据：老化试验后，详细试验数据见表6。
表6老化试验数据
3.5.5试验结论
该批试品一次性通过各项型式试验，这些良好的试验数据是和我们的产品设计、工艺过程的质量控制是分不开的。
4 安科瑞AZC/AZCL智能集成式电容器介绍
4.1产品概述
AZC/AZCL系列智能电容器是应用于0.4kV、50Hz低压配电中用于节省能源、降低线损、提高功率因数和电能质量的新一代无功补偿设备。它由智能测控单元，晶闸管复合开关电路，线路保护单元，两台共补或一台分补低压电力电容器构成。可替代常规由熔丝、复合开关或机械式接触器、热继电器、低压电力电容器、指示灯等散件在柜内和柜面由导线连接而组成的自动无功补偿装置。具有体积更小，功耗更低，维护方便，使用寿命长，可靠性高的特点，适应现代电网对无功补偿的更高要求。
AZC/AZCL系列智能电容器采用定式LCD液晶显示器，可显示三相母线电压、三相母线电流、三相功率因数、频率、电容器路数及投切状态、有功功率、无功功率、谐波电压总畸变率、电容器温度等。通过内部晶闸管复合开关电路，自动寻找投入（切除）点，实现过零投切，具有过压保护、缺相保护、过谐保护、过温保护等保护功能。
4.2产品选型
AZC系列智能电容器选型：
AZC系列智能电容器选型：
AZCL系列智能电容器选型：
4.3产品实物展示
ANBSMJ电容器AZC系列智能电容模块AZCL系列智能电容模块
安科瑞无功补偿装置智能电容方案
5结语
BSMJ型自愈式低压并联电容器用于50Hz交流电力系统改善功率因素的，与一般箔式并联电容器比较，具有自愈特性，体积小、重量轻、安装方便、耐过电压能力强，并且温度特性和频率特性好，寿命长等特点。采用了具有先进性和安全性的过压力防爆保护装置；内装自放电电阻，保证安全操作和减小冲击电流。生产工艺合理，符合有关规定要求；结构设计较为先进，符合使用要求，并从型式试验方面进行了验证，产品性能完全达到了预期的设计要求。BSMJ型电容器广泛应用于电网输变电的关键设备，对于电子电容制造业来说，开拓了新的领域和市场，促使金属化电容器的生产技术水平提高到一个新的阶段，由于他是投资类的民用产品和为社会提供的无功节能产品，因而有较广阔较稳定的市场，有明显的经济效益和社会效益。
