高可靠性交流濾波電容器優化設計研究

楊 南 張 星 王建永 錢 迪 鄭 會 盧建業

（1.國家管網集團北京管道有限公司 2.榮信匯科電氣股份有限公司）

0 引言

當前，基于晶閘管的交-直-交電流型變頻器仍廣泛應用于壓氣站、發電廠以及燒結廠等場合，有著電流和電壓等級高、內在四象限運行能力、不易出現換流失敗短路等優點。然而，由于其換相過程中會產生很高的尖峰電壓，要求半導體器件具有較高的額定電壓，并且輸入和輸出諧波較大，污染電網，易引起電機發熱或轉矩脈動［1～2］。因此，有必要配置濾波裝置，而由高壓全膜交流電容器組構成的無源濾波器因其穩定性和經濟性，成為最常見的濾波方式之一。

經過多年的技術發展和積累，國產電容器在介質材料、設計能力、制造工藝以及產品性能方面都得到巨大提升，經歷了從無到有，從有到精的發展過程后，不僅產品門類可以覆蓋進口的產品，部分產品性能已達到國際先進水平，一部分優勢企業已開始問鼎國際市場并取得了不俗的業績。但由于起步較晚，國產高壓電容器可靠性提升及性能優化仍在不斷探索中。

從電容器自身來講，影響其運行可靠性的主要因素有損耗、耐壓、局放水平、設計場強、保護設計等。其中，損耗的大小直接決定了電容器的發熱。損耗大，電容器發熱勢必更加嚴重，過高的運行溫度可能會產生熱擊穿，不僅影響電容器運行可靠性，也直接影響其使用壽命；耐壓和局放指標的提升要求高質量的浸漬劑及高水平的浸漬工藝；設計場強取決于極間絕緣介質的層數及厚度，較高的設計場強不僅增加極間擊穿的風險，也會影響使用壽命，而合理的設計場強不僅提高運行可靠性，也使得其更能適應高電壓畸變率的場合；電容器的保護機制包括熔絲和放電電阻，合理的設計能夠在保護作用前提下，盡量減少電容值損失，降低能耗，延長使用壽命。

本文提出了通過優化電容器內部元件設計、采用隱藏式雙并內熔絲、選取合理的內電阻設計，并且通過制造工藝優化即適當延長真空浸漬時間，使薄膜得到充分浸漬，降低了產品損耗等多個方面提高產品耐壓、局放等性能指標，降低損耗，提升特性；采用鋁箔折邊凸出結構，選擇適當設計場強，使得國產化交流濾波電容器能夠滿足更高電壓畸變率，提升了電容器的輸出能力。

1 全膜電容器的應用

1.1 電容器的內部結構及技術特點

圖1是電容內部剖視圖，電容器主要由套管、浸漬劑、心子、外殼構成。心子由一定串、并聯組合的元件及熔絲、電阻組成，再通過由絕緣電纜紙或與薄膜組成的復合絕緣層卷繞后裝入電容外殼體，通過聯接片與接線端子連接，最后填充以絕緣油。在浸漬處理過程中，排除電容器心子及箱殼間的水分和空氣，用經凈化處理的浸漬劑在真空狀態下灌注浸漬，以填充心子及箱殼中的空隙，從而提高電容器的電氣性能。

圖1 電容器內部剖視圖

油浸式電容器的內部絕緣主要是依靠聚丙烯薄膜或絕緣紙。與干式電容器相比，油的熱傳遞過程快，在流動過程中帶走熱量，但其缺點是存在漏油的風險。但隨著電容器制造水平的進步，除外力因素外，漏油的情況在運行現場已經很少出現。

圖2是典型的帶內熔絲電容器內部聯接電氣原理圖，圖中內部元件電氣聯接方式為m并n串，串段間采用聯接片聯接，元件之間通常用襯墊隔開，內熔絲安裝于心子大面或者元件之間，并與元件串聯，電阻通常置于心子大面或心子頂部。對于單臺額定電壓較低、容量較大的交流濾波電容器一般采用此種結構。對于單臺額定電壓較高、容量較小的電容器一般采用圖3所示的無內熔絲結構。這主要是考慮到內熔絲動作的可靠性及電容器元件損壞造成的電容變化率等因素。

圖2 帶內熔絲電容器典型內部接線原理圖

圖3 無內熔絲電容器典型內部接線原理圖

1.2 濾波電容器應用拓撲

圖4是典型的濾波電容器組應用拓撲，電容器組可采用單星、雙星接線，根據不同的電壓等級及安裝容量采取不同的保護方式，如開口三角電壓保護、相電壓差動保護、橋差電流保護、中性點不平衡電流保護［3］。以圖5為例，電容器組采用的是雙星型中性點不平衡電流保護接線方式。

圖4 濾波器系統典型拓撲圖

圖5 電容器組接線原理圖

2 可靠性提升技術

2.1 電容器元件優化設計

電容器元件是電容器的重要組成部分，電容器內部是由多個元件通過特定的串并聯接構成的。因此提高電容器運行可靠性，必須從元件的絕緣結構設計著手。以下主要從元件極板結構設計、元件極間介質厚度選取、元件邊緣距離選取三方面進行闡述。

2.1.1 元件極板結構設計

元件極板通常采用4.5～6μm厚的鋁箔，極板多采用圖6所示的折邊凸出結構。即鋁箔一端折邊，隱藏薄膜間，另一端不折邊凸出在薄膜外部，方便極板引線操作。

圖6 電容器元件結構示意圖

用ANSYS軟件熱電比擬法對圖6模型開展仿真，其中，鋁箔厚度為5μm，介質厚度27～33μm，元件內油膜厚度34μm，外圍電極設定為地電位，中間電極施加8000V高電位，計算得到的結果如圖7所示。

圖7 鋁箔起始處電場強度分布

圖7可以看出，鋁箔起始位置位于圓弧中間時，電場強度比位于平行區域場強要高。所以，為改善元件首末端極板邊緣電場結構，元件首末端的鋁箔也應該折邊，且盡量避開圓弧位置，這樣可以降低元件的最大場強。鋁箔折邊后，可明顯提高產品的局部放電性能，從而使電容器能在較高過電壓下可靠地運行。鋁箔厚度的選擇需結合自身生產工藝水平，且能滿足大容量交流濾波電容器單元電流密度的要求。適合的鋁箔厚度及折邊凸出結構的使用也使得國產化交流濾波電容器能夠滿足更高電壓畸變率，提升了電容器的輸出能力。

2.1.2 元件極間介質厚度選取

現全膜電容器已普遍采用雙軸定向雙面粗化的聚丙烯薄膜，且大多采用三膜結構，也有少數采用兩膜結構。三膜結構普遍使用的原因是三膜結構不僅降低了電弱點的重合率，還提高了介質的電氣強度［4］，延長了產品的運行壽命。為了解極間不同厚度的三膜介質組合與元件擊穿場強關系，掌握不同薄膜厚度組合的耐壓水平，提升產品的性能，專門設計了電容器元件極間三膜的總厚度為27～45μm的試品元件（心子壓緊系數為0.86左右，元件留邊距離按14mm）并進行擊穿場強試驗，試驗結果見表1。

表1 元件擊穿場強與極間膜厚度的關系

從圖8可知，極間三膜厚度在27～45μm范圍內，元件擊穿場強隨極間膜厚度減少而提高。在生產工藝等允許的條件下，電容器產品設計時，選擇適當的薄膜厚度，合理選擇設計場強并留有足夠的設計裕度，不僅可以大大提升國產化交流濾波電容器性能，使其可在更高電壓畸變率工況下安全可靠運行。

圖8 元件擊穿場強與極間膜厚度的關系曲線

2.1.3 元件邊緣距離選取

元件的留邊距離越小，可利用的極板面積越大，單位體積的儲能越大。在保證留邊絕緣可靠裕度、產品可靠運行的前提下，電容器單元元件的留邊選取最小距離，可達到最優比特性。對此，進行了邊緣距離6～12mm試驗驗證，試驗情況如下：

（1）元件極間三膜厚度為36μm，邊緣距離為6～12mm試驗驗證

為保證極間的擊穿強度，減少極間擊穿對邊緣擊穿的影響，應選取元件的極間耐壓比邊緣擊穿耐壓高的薄膜厚度進行驗證。根據上文元件介質厚度耐壓研究結果，邊緣距離試驗選用了3層12μm，即極間為36μm的介質，邊緣距離分別為6mm、8mm、10mm、12mm的元件進行試驗驗證。元件試品的電容、tanδ和擊穿電壓與邊緣距離的關系試驗結果見表2，tanδ、擊穿場強與邊緣距離的關系見圖9。

圖9 元件擊穿位置示意圖

表2 不同留邊距離的試驗驗證結果（極間介質為36μm）

（續）

從表2和圖10可知，在元件邊緣距離為6～12mm范圍內，電容變化率、tanδ、擊穿點分布位置沒有明顯差異，擊穿點基本分布在元件邊緣的位置。邊緣距離為6mm的元件未發現有沿邊緣爬電現象。邊緣距離為12mm的元件擊穿電壓為7.42kV，元件邊緣距離8mm和6mm的擊穿電壓分別為7.02 kV和7.06kV，這到底是規律性還是分散性，需進一步研究。

圖10 元件邊緣距離與tanδ和擊穿場強的關系（極間介質為36μm）

（2）元件不同極間厚度，邊緣距離為6mm和12mm試驗驗證

在前面研究的基礎上，結合國內產品常用的介質結構，開展了極間厚度為11μm×3和13μm×3，邊緣距離為6mm和12mm的元件擊穿場強和tanδ的試驗研究，試驗共制作了4組試品，每組試品42個元件，試驗結果見表3。

表3 邊緣距離為6mm、12mm試驗驗證結果（極間介質為33間介、39間介）

從表3可知，同種介質厚度的試品，邊緣距離6mm和12mm的元件，擊穿電壓和tanδ基本沒有差異，元件的擊穿電壓位置主要集中在“F”較多，“E”次之，解剖元件檢查擊穿位置時，大多數擊穿點均在電極邊緣，沒有看到元件有沿邊緣爬電擊穿現象。

從上面的試驗結果數據來看，邊緣距離6mm不會引起元件的延面擊穿，也未導致元件耐電強度下降，所以選用6mm邊緣距離是可以的。但在實際電容器元件卷制過程中，會有一定的卷繞偏差，其次在心子的引線焊接元件端面時，焊接的熱應力會對邊緣距離有不同程度影響，為保證有足夠的裕度，建議元件留邊距離選取不小于10mm，杜絕生產過程因素的影響，在提高產品運行可靠性前提下優化元件邊緣距離，提高產品比特性。尤其對于進口交流濾波電容器的替換，可以在可靠運行前提下，實現現場的順利安裝或替換。

2.2 內熔絲優化

高壓內熔絲交流濾波電容器組設計時，應當充分考慮最大允許并聯數，一方面要考慮電容器外殼的耐爆能力，另一方面還要考慮電容器內熔絲的上限隔離能力。

按照GB／T 11024［5～6］對內熔絲的性能要求，在選擇內熔絲時要考慮4個主要參數，即短路放電試驗電壓、下限隔離試驗電壓、上限隔離試驗電壓、斷口殘壓。

1）短路放電試驗電壓：2.5UN直流電壓下短路放電時不熔斷；

3）斷口殘壓：熔絲斷口殘壓應大于70%，熔斷的熔絲兩端施加2.15UNe交流試驗電壓或3.5UNe直流試驗電壓，歷時10s，斷口應無擊穿。

目前行業上使用的內熔絲主要有單根絞線結構和雙并結構。常用熔絲直徑范圍為0.2～0.5mm。單根熔絲端部通常為多股絞線纏繞結構，雙并熔絲結構端部則靠引線片引出。單根結構具有操作簡便、工藝簡單的特點。而“隱藏式”雙并結構內熔絲在滿足標準規定性能的前提下，具有動作范圍廣、殘壓高、耐充放電能力強、動作可靠性高的特點。尤其在特高壓串補等對內熔絲要求極高的運行工況下，雙并內熔絲結構相對于單根熔絲結構產品運行可靠性更高，在更低電壓下可以可靠熔斷，更能耐受由于其他因素導致的突變電壓［7］。對于在更高電壓畸變率等復雜工況下運行的交流濾波電容器，建議選取合適的熔絲直徑，采取可靠性更高的雙并結構內熔絲，提高產品運行可靠性。

2.3 放電電阻

根據標準GB／T 11024.1附錄D.5單相單元中的放電電阻按下式計算：

式中，t為從放電到UR的時間，s；R為放電電阻，MΩ；C為電容，μF；UN為單元的額定電壓，kV；UR為允許的剩余電壓，kV。

GB／T 11024.1規定，電容器的內放電電阻能使電容器的剩余電壓在10min內自降至75V以下；DL／T 840［8］規定應降至50V以下，一般電容器設計都滿足DL／T 840要求，有些甚至滿足IEEE Std 18［9］，5min內自降至50V以下的放電要求。但后者按式（1）計算電阻值會較小，也就是說，產品內電阻實際消耗的功率會較前者大，這就要求設計時對電阻的損耗進行核算，選取阻值更適合的電阻。

對于帶有內熔絲的電容器，熔絲動作時，在故障段元件電容上會存在一定的直流電壓分量，這個過電壓會影響元件的耐壓水平，需要在每一個串段上并聯電阻進行放電才能消除這個直流電壓。所以對于帶有內熔絲的電容器，一般在每個串段上都并有電阻（如圖2所示）。這種結構在滿足放電要求的同時，還可以進一步改善內熔絲的性能，消除每個串聯段上的殘余電荷，抑制熔絲動作產生的電弧［10］。另外，電阻分散布置在芯子最外側，可以方便散發電阻本身消耗有功功率產生的熱量，減小心子發熱的影響。

不論電容器是否帶有內部熔絲，放電電阻的選用與設計不僅需要滿足放電電壓的要求，還應同時滿足熱容量的要求。電阻一般有晶圓電阻和片式高壓玻璃釉電阻兩種，由于片式高壓玻璃釉電阻具有良好的穩定性和可靠性，被廣泛使用。

設計高壓電容器的高壓玻璃釉膜電阻時應注意：①電阻擊穿電壓／使用電壓應≥8。②在選取電阻的功率時，要考慮電阻所處的環境溫度對允許負荷的影響。③考慮電阻隨環境溫度的增加其允許功率下降，放電電阻長期允許功率P應按2倍額定電壓以上的功率考慮，放電電阻的額定功率都按其額定電壓下消耗功率的2倍以上選用。瞬時功率P應按18.5倍額定電壓下的功率考慮。選取合適的電阻，對電容器的長期可靠運行至關重要。

2.4 制造工藝優化

電容器的溫升是由電容器損耗引起的。損耗可引起電容器心子的發熱，再通過內部熱傳導將熱量傳至金屬外殼，外殼與外部空氣通過對流和輻射進行散熱，最后達到熱平衡［9］。而電容器與環境空氣間存在一定的溫度差即溫升。在內部設計完全一致的情況下，損耗就取決于其制造工藝尤其是真空浸漬工藝的優良。

當下，油浸電容器主要采用加壓浸漬工藝，研究表明，對全膜電容器將干燥溫度適當提高，可以大大縮短整個浸漬的時間，而且tanδ的最小值也減少約0.01%。如果真空浸漬工藝不好，殘留有氣泡，也會導致損耗角正切（tanδ）隨電壓增加而變大。而在工作場強附近，雜質離子溶解于浸漬劑中，在電場作用下，它們會被液膜之間的陷阱陷住不參與導電，從而導致損耗角正切（tanδ）減小。因此，在正常情況下，電容器損耗和電壓的關系應該是一個盆形曲線［11］。

另外，對于壓緊系數較大、體積較大的產品，為了保證元件的浸漬效果，可以采取適當延長加壓浸漬及老練時間來改善浸漬狀況，降低損耗，提升產品局部放電特性。

3 結束語

電容器元件結構的合理設計、熔絲結構的適當選用、電阻的合理選取以及恰當的制造工藝是交流濾波電容器安全可靠運行的基礎。研究結論具有明確的現實意義和推廣價值。

1）在生產工藝等允許的條件下，電容器設計選擇適當的薄膜厚度，選擇合理的設計場強并留有足夠的設計裕度，可以大大提升國產化交流濾波電容器性能，使其可在更高電壓畸變率工況下安全可靠運行。

2）邊緣距離為6～12mm，雖不會引起元件的延面擊穿和元件耐電強度下降，但為了杜絕生產過程因素的影響，保證足夠的裕度，建議元件留邊距離選取不小于10mm，可以優化產品比特性，尤其對于進口交流濾波電容器的替換。

3）對于在更高電壓畸變率等復雜工況下運行的交流濾波電容器，建議選取可靠性更高的雙并結構內熔絲，提高產品運行可靠性。

4）交流濾波電容器放電電阻的選用不僅需要滿足放電電壓的要求，還應同時滿足熱容量的要求，對于放電要求高的，還需要進行損耗核算。

5）對于壓緊系數較大、體積較大的產品，建議可以采取適當延長加壓浸漬及老練時間來改善浸漬狀況，提升產品局部放電特性。