電氣工程及其自動(dòng)化畢業(yè)設(shè)計(jì)-電力電容器的絕緣故障監(jiān)測(cè)與壽命評(píng)估(含外文翻譯)

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　電力電容器的絕緣故障監(jiān)測(cè)與壽命評(píng)估</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專(zhuān)業(yè)班級(jí) 電氣工程及其

2、自動(dòng)化 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱(chēng) </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p>　　電力電容器的絕緣故障監(jiān)測(cè)與壽命評(píng)估</p>

3、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　電力電容器在電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償中起到重要作用，但近些年來(lái)，由于工作環(huán)境、人為因素以及設(shè)計(jì)方面的原因，電力電容器的絕緣故障嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，而其使用壽命對(duì)電網(wǎng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性起到重要的作用。因此必須對(duì)其絕緣故障進(jìn)行檢測(cè)和使用壽命評(píng)估。</p><p>　　本文主要是介紹了電力電容器絕緣故障檢測(cè)技

4、術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)電力電容器的典型故障進(jìn)行了電場(chǎng)仿真并分析該四種缺陷對(duì)電力電容器局部放電及絕緣擊穿的影響，同時(shí)也介紹了介質(zhì)損耗的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)與現(xiàn)階段主要的檢測(cè)方法及其影響因素，分析了影響電力電容器絕緣故障和壽命的因素，提出了實(shí)用的壽命評(píng)估方法。并根據(jù)實(shí)際情況有針對(duì)的采取適當(dāng)措施來(lái)提高電力電容器在電網(wǎng)中運(yùn)行的可靠性。</p><p>　　關(guān)鍵詞 電力電容器；絕緣故障；介質(zhì)損耗；在線(xiàn)監(jiān)測(cè)；壽命評(píng)估</p>

5、<p>　　The insulation fault monitoring and life assessment of power capacitors</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Power capacitors play an important role in reactive power compe

6、nsation, but in recent years, due to the work environment, human factors and design reasons, the insulation failure of the power capacitors serious threat to the safe operation of the power system its life on the gridre

7、liability and economy play an important role. So must do the insulation fault detection and service life assessment.</p><p>　　This paper describes the development status of the power capacitor insulation fau

8、lt detection technology, the typical failure of the power capacitors of the electric field simulation and analysis of power capacitors partial discharge and insulation breakdown of the four kinds of defects, but also des

9、cribes the dielectric loss online monitoring technology and at this stage the main detection method and its influencing factors, analyze the factors affecting the insulation failure and life expectan</p><p>

10、　　Keywords power capacitors；insulation failure；dielectric loss；ine monitoring；life assessment</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII<

11、;/p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 電力電容器的概述1</p><p>　　1.2 電力電容器檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀2</p><p>　　1.2.1 電容器極間絕緣檢測(cè)2</p><p>　　1.2.2 集合式電容器的檢測(cè)3</p><

12、p>　　1.2.3 自愈式交流電容器“放炮”的有效防止方法3</p><p>　　1.2.4 電力電容器局部放電檢測(cè)技術(shù)4</p><p>　　1.3 電力電容器絕緣檢測(cè)與壽命評(píng)估的意義4</p><p>　　1.4 論文研究的內(nèi)容5</p><p>　　第2章 電力電容器存在的有關(guān)絕緣的典型缺陷及其有限元分析6</p&

13、gt;<p>　　2.1 研究電力電容器典型缺陷的意義6</p><p>　　2.2 并聯(lián)電容器生產(chǎn)制造中存在的典型質(zhì)量缺陷6</p><p>　　2.3 電容器典型質(zhì)量缺陷的有限元仿真分析7</p><p>　　2.3.1 電容器元件仿真模型的建立8</p><p>　　2.3.2 內(nèi)部缺陷仿真分析10</p&

14、gt;<p>　　2.3.3 接觸缺陷仿真分析12</p><p>　　2.3.4 重疊缺陷仿真分析14</p><p>　　2.3.5 油質(zhì)缺陷仿真16</p><p>　　2.4 本章小結(jié)19</p><p>　　第3章 電力電容器有關(guān)絕緣的故障及其在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)20</p><p>　　3.

15、1 有關(guān)絕緣故障產(chǎn)生的原因20</p><p>　　3.1.1 運(yùn)行電壓過(guò)高20</p><p>　　3.1.2 高次諧波引起過(guò)電流與危害20</p><p>　　3.1.3 老化性故障21</p><p>　　3.1.4 運(yùn)行溫度過(guò)高21</p><p>　　3.2 電容器介質(zhì)損耗在線(xiàn)監(jiān)測(cè)21</p

16、><p>　　3.2.1 介質(zhì)損耗基本概念22</p><p>　　3.2.2 現(xiàn)有介損測(cè)量方法23</p><p>　　3.2.3 影響介損測(cè)量準(zhǔn)確性的因素29</p><p>　　3.3 本章小結(jié)32</p><p>　　第4章 電力電容器壽命的評(píng)估及其影響因素33</p><p>　

17、　4.1 電力電容器使用壽命的估算33</p><p>　　4.1.1 估算電力電容器壽命的公式33</p><p>　　4.1.2 加速老化試驗(yàn)與壽命的引例[30]33</p><p>　　4.2 影響電容器使用壽命的因素34</p><p>　　4.2.1 電壓因素35</p><p>　　4.2.2 溫

18、度因素37</p><p>　　4.2.3 諧波因素38</p><p>　　4.2.4 產(chǎn)品制造因素39</p><p>　　4.2.5 電容器使用壽命與斷路器分?jǐn)嗖僮髻|(zhì)量的關(guān)系40</p><p>　　4.3 本章小結(jié)40</p><p><b>　　結(jié)論41</b></p&

19、gt;<p><b>　　致謝42</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)43</b></p><p><b>　　附錄45</b></p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　電力電容器的概述

20、</b></p><p>　　電能是現(xiàn)代社會(huì)不可缺少的能源，在21世紀(jì)，電力可持續(xù)發(fā)展已成為實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，并在社會(huì)經(jīng)濟(jì)、能源與環(huán)境發(fā)展中起著重要平衡作用。在電力系統(tǒng)中，為降低電網(wǎng)電能傳輸損耗，提高電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)型，電網(wǎng)中大量的負(fù)荷需要進(jìn)行容性無(wú)功功率就地補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)無(wú)功就地平衡。電網(wǎng)中輸電線(xiàn)路變壓器等設(shè)備也存在無(wú)功損耗，者需要在變壓所安裝無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，以維持電力系統(tǒng)無(wú)功功率的平衡。此外，

21、無(wú)功支持與電壓支撐已成大電網(wǎng)安全穩(wěn)定的決定因素。電力電容器所示是電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償裝置的基本元件。</p><p>　　第一批電容器單元是用牛皮紙作電介質(zhì)、用氯代聯(lián)苯作液體浸漬劑制作的，容量可達(dá)100kvar，常被稱(chēng)為紙電電容器。隨著電氣級(jí)塑料膜(又稱(chēng)聚丙烯)的引入，電容器的設(shè)計(jì)有了改進(jìn)，無(wú)功容量大的電容器使用牛皮紙和塑料薄膜相結(jié)合的電介質(zhì)。多氯化聯(lián)苯(PCB)由于沒(méi)有生物可降解性，會(huì)滯留在環(huán)境中，因而造成問(wèn)題。因

22、此，現(xiàn)在制造的電容器都采用非PCB的生物可降解電介質(zhì)液體[1]。全膜電容器是低損耗電容器，由于外殼爆裂可能性的降低，安全性得到了提高；又由于運(yùn)行溫度降低，增加了可靠性。各種設(shè)計(jì)形式電容器的單位無(wú)功平均損耗如表1-1：</p><p>　　表1-1不同型式電容器單位無(wú)功平均損耗</p><p>　　在電力系統(tǒng)及用戶(hù)變電所中，由于負(fù)荷的自然變化，電力電容器成為投入最頻繁的電氣設(shè)備。由于產(chǎn)品制作

23、原因或設(shè)計(jì)、運(yùn)行、維護(hù)不當(dāng)造成嚴(yán)重的電容器損壞事故，會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)巨大損失。因此，為了預(yù)防這類(lèi)惡性事故，除了提高產(chǎn)品質(zhì)量外，還應(yīng)合理進(jìn)行電容器的設(shè)計(jì)選型、安裝、試驗(yàn)，完善電容器的保護(hù)措施，以及使從事電容器運(yùn)行和管理的技術(shù)人員了解并掌握并聯(lián)電容器基本原理及運(yùn)行維護(hù)相關(guān)技術(shù)，做好電容器的運(yùn)行管理工作。</p><p>　　電力電容器檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀</p><p><b>　　電容器極間絕

24、緣檢測(cè)</b></p><p>　　并聯(lián)電容器在電力系統(tǒng)中主要用于無(wú)功補(bǔ)償，對(duì)提高電力系統(tǒng)的功率因數(shù)起主要作用，而且最為經(jīng)濟(jì)。并聯(lián)電容器的現(xiàn)場(chǎng)絕緣試驗(yàn)對(duì)保證電力電容器的正常運(yùn)行有著重要意義。檢測(cè)電容器極間絕緣水平最常用的方法是耐壓試驗(yàn)，分為直流耐壓和交流耐壓兩種。但由于直流耐壓試驗(yàn)不能反映設(shè)備實(shí)際工作情況下的電場(chǎng)分布，難以準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)電容器的內(nèi)部缺陷。工頻交流耐壓試驗(yàn)符合運(yùn)行電壓的實(shí)際波形，與運(yùn)行中出現(xiàn)的

25、工頻暫態(tài)電壓升高的情況較為符合，不存在等價(jià)性問(wèn)題[2]。所以交流耐壓試驗(yàn)成為了電力電容器極間絕緣測(cè)試的常用方法。對(duì)并聯(lián)電容器來(lái)說(shuō)，直接采用變壓器設(shè)備將電壓升到額定試驗(yàn)電壓進(jìn)行耐壓試驗(yàn)的方法會(huì)使實(shí)驗(yàn)設(shè)備體積過(guò)大，成本過(guò)高。因此通常采用串并聯(lián)諧振法進(jìn)行極間交流耐壓試驗(yàn)。</p><p>　　使用串聯(lián)諧振法進(jìn)行電容器極間交流耐壓試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是電源容量可以相對(duì)較小，同時(shí)當(dāng)試品擊穿時(shí)，諧振條件被破壞，可以減少對(duì)試品的破壞。但

26、由于試驗(yàn)必須在諧振的條件下進(jìn)行，故試驗(yàn)設(shè)備較復(fù)雜。使用并聯(lián)諧振法進(jìn)行電容器極間交流耐壓試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)設(shè)備較簡(jiǎn)單，但由于要求的電源容量相對(duì)較大，故當(dāng)試品擊穿時(shí)電源注入缺陷部位的能量相對(duì)較大，不利于試品的修復(fù)。對(duì)中壓大容量電力電容器而言，由于試驗(yàn)電壓相對(duì)較固定且偏低，而電容量的變化范圍卻非常大，針對(duì)這一特點(diǎn)，通常采用復(fù)合型諧振耐壓系統(tǒng)[3]。復(fù)合型諧振耐壓系統(tǒng)原理如圖1-2所為被試電容器示。T1為調(diào)壓器；T2為諧振變壓器；L1為電抗器；C

27、n為被試電容。</p><p>　　圖1-2復(fù)合型諧振耐壓系統(tǒng)原理圖</p><p>　　大容量電力電容器進(jìn)行極間交流耐壓試驗(yàn)時(shí)，利用一臺(tái)或數(shù)臺(tái)容量恒定的電抗器對(duì)電容器進(jìn)行有級(jí)初步補(bǔ)償；使諧振變壓器的等值容抗變小，調(diào)節(jié)諧振變壓器鐵芯氣隙連續(xù)調(diào)節(jié)電感量L2，使整套系統(tǒng)處于最佳諧振狀態(tài)。該系統(tǒng)具有很大的靈活性，容易實(shí)現(xiàn)調(diào)諧，適應(yīng)性強(qiáng)，覆蓋面廣，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多種規(guī)格的集合式電容器進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)。&

28、lt;/p><p><b>　　集合式電容器的檢測(cè)</b></p><p>　　集合式并聯(lián)電容器作為降損節(jié)能和改善電壓質(zhì)量的主要設(shè)備之一，在電網(wǎng)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。DLT596-199《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》，規(guī)定集合式電容器運(yùn)行中常規(guī)檢測(cè)項(xiàng)目有相間和極對(duì)殼絕緣電阻、電容值、絕緣油擊穿電壓和漏油檢查及相間和極對(duì)殼交流耐壓試驗(yàn)等，主要傾向于絕緣指標(biāo)和電容器出力特性的

29、檢測(cè)。對(duì)整體裝配工藝不嚴(yán)導(dǎo)致局部場(chǎng)強(qiáng)過(guò)高引起的放電以及連接部位松脫導(dǎo)致的過(guò)熱均無(wú)法檢測(cè)到。這些工藝缺陷一方面可能造成連接部位的嚴(yán)重?zé)g，另一方面可導(dǎo)致絕緣油的迅速劣化，這些缺陷在下次檢驗(yàn)前很有可能發(fā)展成重大事故。</p><p>　　DGA(Dissolved Gas Analysis)對(duì)變壓器故障檢測(cè)是非常成功的，是變壓器絕緣檢測(cè)中靈敏度較高的一種檢測(cè)手段。電容器絕緣油雖然和變壓器油成分不同，但基本組成仍為CH

30、O化合物，高能量下裂解部分產(chǎn)物應(yīng)相同。變壓器油的特征氣體對(duì)電容器油具有較強(qiáng)的適用性。因此從試驗(yàn)設(shè)備角度講應(yīng)不存在問(wèn)題，現(xiàn)有的色譜分析儀完全可用于電容器油中溶解氣體分析[4]，關(guān)鍵是判斷標(biāo)準(zhǔn)的建立。電容器油種類(lèi)雖較多，但在集合式電容器用外殼與內(nèi)部單元電容器外殼之間主要采用十二烷基苯油，這樣給標(biāo)準(zhǔn)的建立提供了一種比較方便的途徑，因此進(jìn)行小范圍的研究從而建立十二烷基苯油判斷標(biāo)準(zhǔn)是完全有可能的。</p><p>　　自愈

31、式交流電容器“放炮”的有效防止方法</p><p>　　自愈式金屬化交流電容器已普遍應(yīng)用于各種供電設(shè)備和家用電器。用此類(lèi)電容器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，對(duì)節(jié)電、增容和提高供電質(zhì)量均有明顯的效果，但在使用中由于引出端噴金層可能存在的缺陷，時(shí)有發(fā)生電容器“放炮”(發(fā)熱炸開(kāi))現(xiàn)象，或電參數(shù)惡化導(dǎo)致最后喪失工作能力，從而影響設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。北京七一八廠(chǎng)陳善利認(rèn)為采用大脈沖電流老化的手段是保證產(chǎn)品質(zhì)量卓有成效的方法，尤其適合于大容量電

32、力電容器。金屬化交流電容器芯子端面與噴金層引出端如果接觸不良，則電容器損耗較大，在交流負(fù)荷時(shí)因損耗大而發(fā)熱，接觸不良狀況會(huì)產(chǎn)生惡性循環(huán)，損耗繼續(xù)增大，在電容器芯子端面產(chǎn)生大量熱量而“放炮”，有的噴金層與電容器芯子端面脫開(kāi)造成電容器開(kāi)路，或容量甚小而失效。然而，在電容器芯子端面噴金時(shí)，很難做到各個(gè)顆粒都能與蒸發(fā)金屬膜接觸良好，總會(huì)有某些顆粒存在點(diǎn)接觸或有空隙。經(jīng)過(guò)大脈沖電流的沖擊，將使噴金層中有缺陷的部位熔化修補(bǔ)，從而改善電容器芯子的端面

33、與噴金層引出端的接觸狀況，優(yōu)化了電參數(shù)指標(biāo)，使損耗下降，電容量穩(wěn)定，同時(shí)經(jīng)過(guò)大脈沖電流的老化也能篩選早期失效及早剔除少數(shù)明顯缺陷的電容器，從而保證電容器在使用過(guò)程中的可靠性。他建議凡是10μf的自愈式</p><p>　　電力電容器局部放電檢測(cè)技術(shù)</p><p>　　電力電容器是工作在高電場(chǎng)強(qiáng)度下的電氣設(shè)備，若制造過(guò)程中存在工藝上的缺陷如浸漬不充分，存在雜質(zhì)，氣泡等，則運(yùn)行中會(huì)發(fā)生局部放

34、電，導(dǎo)致絕緣老化，大大縮短其使用壽命，從而影響電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。脈沖電流法是檢測(cè)局部放電最常用的方法，但該方法的抗電磁干擾能力不強(qiáng)，特別在檢測(cè)電力電容器等大容量試品的局部放電時(shí)，靈敏度會(huì)下降，信噪比很低，甚至信號(hào)完全被干擾湮沒(méi)而無(wú)法進(jìn)行測(cè)量。但局部放電會(huì)引起聲發(fā)射信號(hào)，通過(guò)測(cè)量聲信號(hào)來(lái)檢測(cè)局部放電，其靈敏度不會(huì)隨試品電容量的上升而下降，且隨著聲測(cè)技術(shù)的成熟和完善，聲測(cè)法的靈敏度也在不斷提高，因而電力電容器局部放電的測(cè)試常采用聲測(cè)法[6

35、]。清華大學(xué)電機(jī)工程系談克雄教授等開(kāi)發(fā)了一種微機(jī)化的電力電容器局部放電檢測(cè)裝置。該裝置采用壓電晶體檢測(cè)電力電容器內(nèi)局部放電所產(chǎn)生的聲脈沖信號(hào)，經(jīng)高增益、寬頻帶的前置放大器放大后，由高頻同軸電纜傳送至儀器本體。為了濾除干擾及研究聲發(fā)射信號(hào)在不同頻段的特性，設(shè)計(jì)了可靈活調(diào)節(jié)的組合式帶通濾波器，對(duì)信號(hào)進(jìn)一步處理，然后經(jīng)主放大器后由高速A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字量并存儲(chǔ)起來(lái)。從檢測(cè)到的放電聲信號(hào)可提取波形特征、幅頻特性、中φ-q-n三維譜圖等與局&

36、lt;/p><p>　　電力電容器絕緣檢測(cè)與壽命評(píng)估的意義</p><p>　　電力電容器在電力系統(tǒng)中用途廣泛，是電力系統(tǒng)中最重要的元件之一。電力電容器主要的兩種形式為并聯(lián)電容器和耦合電容器。并聯(lián)電容器作為一種極為重要的無(wú)功電源，對(duì)于改善電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高電能質(zhì)量起著決定性的作用。耦合電容器主要承擔(dān)電力系統(tǒng)濾波、載波和高頻保護(hù)的任務(wù)。電力電容器在運(yùn)行中除長(zhǎng)時(shí)間承受工作電壓外，還受到各種內(nèi)外過(guò)電

37、壓作用而使絕緣逐漸老化。運(yùn)行條件下電力電容器與輸電線(xiàn)路直接連接，采用常規(guī)檢測(cè)方法對(duì)電力電容器進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，必須使整個(gè)輸電線(xiàn)路停止運(yùn)行才能進(jìn)行，影響了生產(chǎn)，而且每年都曾因停電困難造成電力電容器預(yù)防性漏試，這給輸電線(xiàn)路的安全運(yùn)行留下了隱患。而且電力電容器直完全密封性設(shè)備，不易受環(huán)境的影響，無(wú)故障工作時(shí)間長(zhǎng)，可靠性高。但由于運(yùn)行受過(guò)電壓和熱劣化的作用，會(huì)使絕緣介質(zhì)強(qiáng)度下降。明顯的表現(xiàn)為局部放電起始電壓的降低，最后導(dǎo)致絕緣擊穿。由于電容器密封性和

38、絕緣破壞最終導(dǎo)致電容器爆炸的事故時(shí)有發(fā)生。例如：2003年，江蘇東臺(tái)供電局一個(gè)110kV變電所發(fā)生一起10kV并聯(lián)電容器爆炸起火，造成該電容器組一側(cè)的墻壁灼傷，另一側(cè)兩個(gè)電容器燒壞?？梢?jiàn)電容器絕緣劣化的后果相當(dāng)嚴(yán)重。而電容器的使用壽命更是影響電</p><p>　　因此，研究電力電容器的絕緣狀態(tài)測(cè)技術(shù)和壽命評(píng)估對(duì)改善電力系統(tǒng)向電力用戶(hù)提供的電能質(zhì)量，以及提高電網(wǎng)自身運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性均有重要的意義。</p

39、><p><b>　　論文研究的內(nèi)容</b></p><p>　　本文主要分4章圍繞電力電容器絕緣檢測(cè)和壽命評(píng)估這一主題展開(kāi)，各章內(nèi)容如下：</p><p>　　第1章，緒論。概述了電力電容器，闡述了電力電容器檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀，電力電容器絕緣檢測(cè)與壽命評(píng)估的意義以及論文的總結(jié)。</p><p>　　第2章，電力電容器有關(guān)絕緣典

40、型缺陷及有限元分析。分析了四種典型缺陷，并分別對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行電場(chǎng)仿真，分析該四種缺陷對(duì)電力電容器局部放電及絕緣擊穿的影響。</p><p>　　第3章，有關(guān)絕緣故障產(chǎn)生的原因及其在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)。闡述了主要引起絕緣故障的四種因素，分析了電力電容器介質(zhì)損耗在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的方法及其影響因素。</p><p>　　第4章，電力電容器壽命評(píng)估及其影響因素。介紹了電力電容器壽命評(píng)估的方法及引例計(jì)算進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行闡

41、述，分析了影響電力電容器使用壽命的相關(guān)因素。</p><p>　　電力電容器存在的有關(guān)絕緣的典型缺陷及其有限元分析</p><p>　　研究電力電容器典型缺陷的意義</p><p>　　缺陷是影響電容器絕緣老化及其故障的主要因素，在絕緣性能研究中，常常建立所研究對(duì)象的缺陷類(lèi)別模型，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試或電場(chǎng)分布的有限元仿真分析，討論其老化原因?qū)υu(píng)估電容器絕緣性能檢測(cè)及其壽命

42、評(píng)估起到非常關(guān)鍵的作用。因此以下內(nèi)容進(jìn)行電容器生產(chǎn)和制造過(guò)程中的典型缺陷進(jìn)行合理的分析和研究。</p><p>　　并聯(lián)電容器生產(chǎn)制造中存在的典型質(zhì)量缺陷</p><p>　　電容器安全可靠運(yùn)行與其本身的設(shè)計(jì)、原料、制造工藝和生產(chǎn)過(guò)程中的管理密切相關(guān)。其中，原材料的質(zhì)量與制造工藝是電容器合格可靠的決定性因素。雖然各大電容器廠(chǎng)家十分重視上述因素，但不可避免的還是會(huì)存在真空干燥不足和浸漬時(shí)間不

43、足產(chǎn)生氣泡、薄膜發(fā)生皺褶、引線(xiàn)片光滑度不夠有毛刺、芯子壓裝過(guò)程產(chǎn)生絕緣損傷等缺陷。結(jié)合多年的生產(chǎn)制造經(jīng)驗(yàn)，可以把電容器質(zhì)量缺陷分為典型的四種：內(nèi)部缺陷，接觸缺陷，重疊缺陷、油質(zhì)缺陷，如圖2-1至2-4。</p><p>　　圖2-1內(nèi)部缺陷 圖2-2接觸缺陷</p><p>　　圖2-3 重疊缺陷 圖2-4油質(zhì)缺陷&

44、lt;/p><p><b>　　內(nèi)部缺陷</b></p><p>　　內(nèi)部缺陷是絕緣介質(zhì)中最普遍，且無(wú)法完全避免的缺陷，主要考慮薄膜介質(zhì)內(nèi)部的缺陷及層間出現(xiàn)的氣隙或氣泡。</p><p><b>　　接觸缺陷</b></p><p>　　引線(xiàn)片是用來(lái)連接電容器元件電極和外面導(dǎo)電部分的。正常的電容器制作要

45、求引線(xiàn)片必須柔軟平整，邊緣光滑無(wú)毛刺，毛刺會(huì)刺破電容器紙或薄膜而使元件短路或施加電壓時(shí)造成擊穿，即使不擊穿也會(huì)由于電場(chǎng)集中而產(chǎn)生局部放電，嚴(yán)重影響絕緣性能和使用壽命。由于電極為鋁箔或金屬化膜，與引出線(xiàn)的接觸面積非常小，如遇大電流即可能將引出線(xiàn)與電極的接觸處燒壞，嚴(yán)重者形成擊穿點(diǎn)。從而，接觸缺陷是指引線(xiàn)片邊緣存在毛刺，或是引線(xiàn)片和電極部分氧化，導(dǎo)致接觸不良產(chǎn)生的缺陷。</p><p><b>　　重疊缺陷

46、</b></p><p>　　重疊缺陷主要是指電容器中復(fù)合介質(zhì)厚度不均勻或褶皺引起的缺陷。產(chǎn)生褶皺的主要原因有：材料保管不善，紙卷所含水分的變化過(guò)快；元件卷繞過(guò)程中卷制機(jī)機(jī)床各軸平行度差；機(jī)床各軸的拉力不一致；機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)較大。如果元件具有較嚴(yán)重皺紋，能使元件的擊穿電壓下降5~10%，起始局部放電電壓下降一半，容易造成電容器的早期膨脹和擊穿，而降低產(chǎn)品的使用壽命。</p><p&

47、gt;<b>　　油質(zhì)缺陷</b></p><p>　　油質(zhì)缺陷是指絕緣油中含有氣隙或雜質(zhì)。油質(zhì)缺陷一方面可能是由于真空凈化處理不好，導(dǎo)致絕緣油質(zhì)本身純度出現(xiàn)問(wèn)題，另一方面也有可能是電容器在浸漬過(guò)程中，由于真空度不夠高或者浸漬時(shí)間未達(dá)到要求而導(dǎo)致浸漬劑中含有氣泡；抑或是電容器外殼密封性不好，由于溫度變化產(chǎn)生呼吸作用而吸潮造成的。以上四種典型質(zhì)量缺陷均易導(dǎo)致電容器發(fā)生早期失效故障，最終導(dǎo)致絕緣

48、故障。嚴(yán)重影響電容器的安全可靠運(yùn)行。為了延長(zhǎng)電容器的使用壽命，應(yīng)該提高電容器的生產(chǎn)工藝，嚴(yán)把原材料質(zhì)量檢測(cè)關(guān)，從根源處斷絕電容器本身的質(zhì)量問(wèn)題。為此，本章將針對(duì)該四個(gè)典型質(zhì)量缺陷進(jìn)行仿真分析，得到具體的影響程度，為電容器廠(chǎng)家與電網(wǎng)運(yùn)行部門(mén)提出防范重點(diǎn)。</p><p>　　電容器典型質(zhì)量缺陷的有限元仿真分析</p><p>　　本小節(jié)對(duì)電容器的仿真均是按靜電場(chǎng)來(lái)分析，由于有限元法對(duì)復(fù)合介質(zhì)

49、界面的處理方便、簡(jiǎn)單，故采用有限元方法計(jì)算。針對(duì)電容器缺陷類(lèi)型、所在位置和材料屬性，能有效分析電容器典型質(zhì)量缺陷在電壓作用下的電場(chǎng)分布情況，得出高場(chǎng)強(qiáng)、不均勻度高的區(qū)域及其對(duì)絕緣的影響。例如，是否到達(dá)了局部放電起始電壓或是超過(guò)了聚丙烯薄膜的擊穿電壓。</p><p>　　由于電容器的元件芯子是卷制而成，把元件芯子展開(kāi)來(lái)看，其就是一個(gè)面積非常大的平板電容。若按真實(shí)情況對(duì)整個(gè)元件芯子建模，其結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜。因此，為了更

50、直觀、方便的反映各典型缺陷對(duì)絕緣的影響，利用簡(jiǎn)化平板電容器模型就足以反映電容器的電場(chǎng)分布情況。</p><p>　　電容器元件仿真模型的建立</p><p><b>　　二維靜電場(chǎng)仿真概述</b></p><p>　　本模型的建立與仿真計(jì)算的步驟基本如下：建立電容器縱向截面的模型，首先對(duì)模型各部分區(qū)域定義材料單元及材料屬性，此處用到的四邊形二維

51、實(shí)體單元是PLANE121，材料的屬性主要包括相對(duì)介電常數(shù)。再根據(jù)平板電容器的樣式結(jié)合電力電容器元件的實(shí)際尺寸，再加其元件折邊與極板不對(duì)稱(chēng)的特點(diǎn)，建立仿真的模型。有限元計(jì)算時(shí)的網(wǎng)格劃分，劃分的越細(xì)，計(jì)算結(jié)果越精確，但是所花費(fèi)的時(shí)間就越長(zhǎng)。由于絕緣介質(zhì)每層的厚度對(duì)應(yīng)的區(qū)域很小，需要?jiǎng)澐州^小的單元，尤其是有缺陷的地方，單元更需要確定。本文中設(shè)置自動(dòng)網(wǎng)格劃分，軟件可以自動(dòng)調(diào)整網(wǎng)格劃分密度，在指定邊界條件的基礎(chǔ)上，有限元二維方程的求解可自動(dòng)收斂

52、。</p><p>　　電容器元件仿真模型該仿真模型基于BAM1班334-1W型號(hào)的并聯(lián)電容器，其固體電介質(zhì)由兩層厚度為15μm的聚丙烯薄膜構(gòu)成，上下極板為厚度6μm的鋁箔，兩層聚丙烯薄膜之間為2μm的油道，壓緊系數(shù)為0.8，采用真空干燥并在真空條件下浸漬己凈化過(guò)的二芳基乙烷(PXE)。為了盡可能接近內(nèi)部缺陷的實(shí)際情況，建立的模型需考慮以下幾點(diǎn)。</p><p>　　1)由于元件的寬度與厚

53、度的比值很大，為了方便建模，可以把元件模型的寬厚比控制在極板邊緣不會(huì)影響到元件中間段均勻電場(chǎng)的范圍內(nèi)；</p><p>　　2)為了考慮極板邊緣對(duì)內(nèi)部缺陷的影響，需要構(gòu)建出極板的不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。即極板一側(cè)采用折邊結(jié)構(gòu)，另一側(cè)需伸出聚丙烯薄膜。</p><p>　　3)需要考慮到雜質(zhì)與氣隙性質(zhì)上的不同，雜質(zhì)往往是如灰塵、金屬粒類(lèi)的固體小顆粒，其粒徑為微米級(jí)，可以等效的看成為圓形。而氣隙在聚丙烯薄

54、膜間或是極板與薄膜間的壓力以及氣隙自身的表面張力作用下，應(yīng)該是扁平狀。</p><p>　　4)元件卷制的過(guò)程中，由于聚丙烯薄膜表面存在靜電，易在薄膜表面吸附雜質(zhì)顆粒。所以，在芯子壓裝后，雜質(zhì)會(huì)緊貼薄膜表面甚至較淺地陷入到薄膜內(nèi)，而不會(huì)深深地陷入薄膜中。</p><p>　　由于各層絕緣的厚度尺寸相對(duì)它的長(zhǎng)度來(lái)說(shuō)很小，可認(rèn)為電容器介質(zhì)層的縱向截面中心軸對(duì)稱(chēng)，從而建立其半截面的二維模型，如圖

55、2-5所示</p><p>　　圖2-5全膜電容器二維模型</p><p>　　為了使聚丙烯薄膜工作在55V/μm設(shè)計(jì)電場(chǎng)強(qiáng)度下，上下極板之間施加1.65kV的電壓，即1.65kV電壓加載在上極板，下極板電勢(shì)加載為零。得到完好無(wú)內(nèi)部缺陷的元件電場(chǎng)分布，如圖2-6所示。</p><p>　　圖2-6仿真元件的電場(chǎng)分布</p><p>　　從元件

56、的電場(chǎng)分布圖中可得知，電場(chǎng)集中的部位是極板的邊緣，特別是未伸出薄膜的折邊位置，其電場(chǎng)最為集中。計(jì)算出的最大電場(chǎng)強(qiáng)度為92.5V/μm，比元件中間段的均勻電場(chǎng)55.0V/μm高出了68.3%。結(jié)合表2-1中所示的不同層數(shù)和厚度固體介質(zhì)的起始局部放電場(chǎng)強(qiáng)Ei和熄滅電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)Ee。可知，即使元件工作在1.1Un的電壓下，不含內(nèi)部缺陷元件的折邊處電場(chǎng)強(qiáng)度為101.9V/μm，雖未達(dá)到15μm×2兩層薄膜結(jié)構(gòu)的起始局部放電場(chǎng)強(qiáng)103.2V

57、/μm，但也十分接近。</p><p>　　表2‐1不同膜層Ei、Ee與薄膜厚度的關(guān)系</p><p>　　結(jié)合我國(guó)GB/T110241-2001中規(guī)定的要求：作用在電容器端子上的電壓，在24h中允許有8h升高到1.1Un；在同樣情況下允許在24h中有30min電壓升高到1.15Un；在輕負(fù)荷條件下允許電容器端子上的電壓出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間不大于5min的其電壓有效值達(dá)1.2Un的過(guò)電壓；在同樣情

58、況下還允許在電容器端子上作用持續(xù)時(shí)間不大于1min的有效值達(dá)1.3Un的過(guò)電壓的作用，可以證實(shí)該電容器模型建立的有效性與合理性。也可以從計(jì)算出的畸變電場(chǎng)數(shù)值中較直觀地發(fā)現(xiàn)過(guò)電壓對(duì)電容器元件的危害。因此，為了延長(zhǎng)電容器的使用壽命，應(yīng)該嚴(yán)格控制施加在電容器端子上的過(guò)電壓在允許的范圍內(nèi)；在電抗器選型的過(guò)程中，要綜合考慮電網(wǎng)的諧波與其對(duì)電容器端子電壓抬升的作用。該電容器元件模型建立得合理且有效，從而可以應(yīng)用于接下來(lái)的各種典型缺陷仿真分析中，針對(duì)

59、不同缺陷對(duì)其進(jìn)行修改。例如：在聚丙烯薄膜層間、層中加入氣隙或是金屬粒雜質(zhì)；浸漬油中加入氣隙或雜質(zhì)等。電場(chǎng)分析的基本步驟為：定義單元和材料性能→建?！峙鋯卧⒉牧虾蛣澐志W(wǎng)格→加載邊界條件→選擇求解器→后處理。</p><p><b>　　內(nèi)部缺陷仿真分析</b></p><p>　　從80年代初期開(kāi)始，全膜電容器就逐漸替代膜紙復(fù)合介質(zhì)電容器，隨著20多年的發(fā)展，全膜電

60、容器的生產(chǎn)制造工藝不斷提升，并且逐漸普及開(kāi)來(lái)。因此，本小結(jié)分析的內(nèi)部缺陷主要是指聚丙烯薄膜中存在的有關(guān)絕緣的缺陷。</p><p><b>　　缺陷產(chǎn)生原因</b></p><p>　　芯子制造在聚丙烯原料的采集、加工凈化、卷制、壓裝、引線(xiàn)與烘烤處理的過(guò)程中，會(huì)遇到各種問(wèn)題導(dǎo)致薄膜里或?qū)娱g混有氣隙、雜質(zhì)或是因薄膜厚度不均產(chǎn)生電弱點(diǎn)。這些因素都將加速電容器老化，減短其壽

61、命。薄膜上電弱點(diǎn)產(chǎn)生原因我國(guó)聚丙烯的原料一般是催化裂化產(chǎn)物分離的丙烯，也有石油裂解氣分離的丙烯。雖然原料都經(jīng)過(guò)來(lái)初步的凈化處理，但是還存在一定量的硫、CO、CO2、H2O、As等雜質(zhì)。其雜質(zhì)將會(huì)影響到聚合反應(yīng)中催化劑的活性，使催化劑中毒活性下降，這將使聚丙烯薄膜的一些主要性能，如結(jié)晶度、熔體流動(dòng)速率和拉伸強(qiáng)度等受到較大的影響。結(jié)晶度差、拉伸強(qiáng)度不高的聚丙烯薄膜在芯子壓裝時(shí)容易使薄膜過(guò)度拉升產(chǎn)生低于薄膜規(guī)定厚度的點(diǎn)，這種較薄的點(diǎn)所承受的壓

62、力要比薄膜其他部分大，如果壓差足夠大，薄膜將從這點(diǎn)向外蠕變，使這點(diǎn)更薄，造成電、機(jī)械性能破壞。該種電弱點(diǎn)所承受的電壓大、電場(chǎng)畸變、介電強(qiáng)度低，易發(fā)生絕緣電擊穿。薄膜里或?qū)娱g混有氣隙、雜質(zhì)的原因。電容器廠(chǎng)商并不負(fù)責(zé)聚丙烯薄膜的生產(chǎn)，而是從各個(gè)塑料廠(chǎng)購(gòu)買(mǎi)。在薄膜進(jìn)廠(chǎng)卷制之前，電容器廠(chǎng)商會(huì)對(duì)聚丙烯薄膜材料進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，往往這步質(zhì)量檢測(cè)容易疏忽，并且由于是抽樣檢驗(yàn)，還是會(huì)存在遺漏。</p><p>　　上述單是從薄膜本身

63、質(zhì)量來(lái)說(shuō)明混有氣隙、雜質(zhì)的原因。在并聯(lián)電容器的裝配過(guò)程中還會(huì)由于元件的擱置造成的吸潮、積塵；預(yù)烘處理不足；抽真空不足、浸漬時(shí)間不充分；溫度過(guò)高導(dǎo)致薄膜發(fā)脹，從而堵塞油道等原因在薄膜層間產(chǎn)生氣隙或雜質(zhì)。從雜質(zhì)粒徑角度對(duì)內(nèi)部缺陷仿真分析因?yàn)橛山饘匐s質(zhì)造成的電場(chǎng)畸變最大，對(duì)元件的影響最大，所以本小節(jié)對(duì)聚丙烯薄膜中存在金屬顆粒雜質(zhì)的進(jìn)行電場(chǎng)仿真。利用仿真將分析不同粒徑金屬對(duì)電容器元件電場(chǎng)的影響。目前電容器制造廠(chǎng)的元件卷繞室和薄膜生產(chǎn)廠(chǎng)家的拉膜、

64、切分室的空氣潔凈度普遍分別為3級(jí)和4級(jí)。根據(jù) GB50073-2001可知，空氣潔凈度為3、4級(jí)的潔凈室及潔凈區(qū)內(nèi)懸浮粒子濃度限值如表2-2所示。</p><p>　　表2-2 3、4級(jí)潔凈度規(guī)定的懸浮粒子限值</p><p>　　從表2-2可看出，當(dāng)潔凈度達(dá)到3、4級(jí)時(shí)，每立方米空氣中，粒徑在1μm~5μm范圍內(nèi)的粒子已經(jīng)很少了，并且大于5μm的粒子在規(guī)定上是不允許存在的。但是，為了

65、研究雜質(zhì)粒徑大小對(duì)極間電場(chǎng)的影響，還考慮了5μm~10μm粒徑的雜質(zhì)對(duì)極間電場(chǎng)的影響，并且金屬雜質(zhì)對(duì)電容器元件內(nèi)部電場(chǎng)的影響最大，所以本文以金屬雜質(zhì)為算例。對(duì)1μm~10μm粒徑的金屬雜質(zhì)進(jìn)行有限元電場(chǎng)計(jì)算，金屬雜質(zhì)仿真模型、部分含有金屬雜質(zhì)元件的電場(chǎng)分布如圖2-7、2-8所示，并得到雜質(zhì)邊緣最大畸變電場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，建立表2-7</p><p>　　圖2-7含有金屬雜質(zhì)的有限元仿真模型</p><

66、;p>　　圖2-8含有金屬雜質(zhì)元件內(nèi)部的電場(chǎng)分布</p><p>　　表2-3不同粒徑下金屬雜質(zhì)邊緣最大畸變電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果</p><p>　　從表2-3看出，隨著粒徑的增大，金屬雜質(zhì)邊緣最大畸變電場(chǎng)強(qiáng)度相應(yīng)上升，并且，粒徑在1μm~5μm范圍內(nèi)，其邊緣最大電場(chǎng)強(qiáng)度變化很小，集中在103V/μm左右；粒徑在5μm~10μm范圍內(nèi)，其電場(chǎng)強(qiáng)度升高的速率逐漸加快。從整體來(lái)看，即便是1μ

67、m粒徑的金屬粒雜質(zhì)，其邊緣最大電場(chǎng)強(qiáng)度也達(dá)到了102V/μm，十分接近于15μm×2兩膜介質(zhì)的局部放電起始場(chǎng)強(qiáng)103.3V/μm。所以，輕微的過(guò)電壓都有可能導(dǎo)致該雜質(zhì)附近發(fā)生局部放電，影響到電容器的壽命。因此，若元件中混有金屬雜質(zhì)，即便按照GB/T110241-2001中對(duì)過(guò)電壓運(yùn)行的時(shí)間要求，都很容易發(fā)生局部放電，加速電容器的老化，造成早期失效。結(jié)合表2-2和表2-3可知，電容器生產(chǎn)廠(chǎng)家不斷的提升卷繞室的潔凈度，一方面是為了

68、降低較大粒徑雜質(zhì)卷入到元件中的概率；另一方面也是為了減少各種粒徑大小雜質(zhì)的數(shù)量，從而降低元件產(chǎn)生內(nèi)部缺陷的可能性。</p><p><b>　　接觸缺陷仿真分析</b></p><p>　　接觸缺陷導(dǎo)致絕緣擊穿的原因</p><p>　　引線(xiàn)片與電容器極板的接觸面積很小，僅占電容器極板面積的 0.05%~0.1%，但是在該處附近發(fā)生擊穿的概率較

69、高，導(dǎo)致其現(xiàn)象的因素有可能是：引線(xiàn)片的插入及片上毛刺使電場(chǎng)分布不均，局部場(chǎng)強(qiáng)升高，但是毛刺和場(chǎng)強(qiáng)不均主要集中在引線(xiàn)片邊緣；由于引線(xiàn)片的插入，厚度增加，浸漬可能不好；引線(xiàn)片與鋁箔接觸面上電流分布不均勻，使通過(guò)電流大的點(diǎn)發(fā)熱嚴(yán)重，燒熔鋁箔，傷及絕緣膜，導(dǎo)致?lián)舸?lt;/p><p>　　毛刺對(duì)元件內(nèi)部電場(chǎng)影響的仿真分析</p><p>　　引線(xiàn)片是用來(lái)連接電容器元件電極和外面導(dǎo)電部分的，它的作用極

70、其重要，因此對(duì)它也提出很高的要求。引線(xiàn)片必須柔軟平整，邊緣光滑無(wú)毛刺，毛刺會(huì)刺破電容器紙或薄膜而使元件短路或施加電壓時(shí)造成擊穿，即使不擊穿也會(huì)由于電場(chǎng)集中而產(chǎn)生局部放電，嚴(yán)重影響使用性能和壽命。</p><p>　　引線(xiàn)片焊接在元件的兩側(cè)，與鋁箔極板伸出薄膜的部分相接觸。若引線(xiàn)片上存在毛刺，則毛刺很有可能深入到聚丙烯薄膜的邊緣處，甚至是接近高壓極板的折邊處。因?yàn)槊碳怃J部分的畸變電場(chǎng)最集中，所以仿真模型中的毛刺沒(méi)

71、有考慮毛刺的根部形狀，而簡(jiǎn)化成尖銳的三角形，其邊長(zhǎng)都是微米級(jí)別。毛刺可能出現(xiàn)在元件一側(cè)的任何位置，不同的位置對(duì)電容器元件電場(chǎng)的影響也不同。建立的毛刺模型及毛刺存在于不同位置的元件電場(chǎng)分布，如圖2-9至圖2-11所示。</p><p>　　圖2-9引線(xiàn)片存在毛刺的仿真模型</p><p>　　圖2-10毛刺靠近聚丙烯薄膜時(shí)的電場(chǎng)分布</p><p>　　圖2-11毛刺

72、不同程度靠近高壓極板時(shí)的電場(chǎng)分布</p><p>　　從以上電場(chǎng)分布圖中可見(jiàn)，若毛刺靠近聚丙烯薄膜，且靠近任意一層薄膜，毛刺尖端處的場(chǎng)強(qiáng)僅僅比其周?chē)课坏膱?chǎng)強(qiáng)略高一點(diǎn)，主要集中在22.6V/μm~24.0V/μm范圍內(nèi)。低于氣隙、浸漬劑、聚丙烯薄膜的局部放電起始電壓，對(duì)電容器絕緣介質(zhì)的老化、破壞影響不大。但是很明顯的，若毛刺靠近高壓極板，在高壓極板折邊與毛刺尖端之間的區(qū)域，電場(chǎng)畸變得最為嚴(yán)重。當(dāng)毛刺距離高壓極板4

73、μm時(shí)，其造成的最大畸變場(chǎng)強(qiáng)達(dá)105V/μm，已經(jīng)超過(guò)了15μm×2兩層薄膜結(jié)構(gòu)的起始局部放電場(chǎng)強(qiáng)103.3V/μm，即在正常的工作電壓下，電容器就會(huì)發(fā)生局部放電，隨著局部放電對(duì)絕緣介質(zhì)的物理、化學(xué)作用，絕緣介質(zhì)將很快老化，最終被擊穿導(dǎo)致電容器的早期失效。當(dāng)毛刺距離高壓極板2μm時(shí)，由毛刺造成的最大畸變電場(chǎng)強(qiáng)度急劇升高達(dá)163V/μm，局部放電在該情況下會(huì)更為嚴(yán)重。由此可知，在毛刺十分接近高壓極板時(shí)，可以認(rèn)為兩者之間形成針一板

74、電極，從而引起周?chē)妶?chǎng)畸變，造成局部高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)，導(dǎo)致?lián)舸?qiáng)度下降，且毛刺越是靠近高壓極板，畸變場(chǎng)強(qiáng)越強(qiáng)。</p><p><b>　　重疊缺陷仿真分析</b></p><p><b>　　重疊缺陷產(chǎn)生的原因</b></p><p>　　在聚丙烯薄膜拉伸、收卷過(guò)程中，由于鏈夾夾點(diǎn)位置不準(zhǔn)確、機(jī)械振動(dòng)、以及薄膜所經(jīng)輥筒不平衡等因

75、素，造成收卷膜軸向產(chǎn)生向左或向右的橫向拉力。薄膜在這些拉力的作用下會(huì)產(chǎn)生軸向移動(dòng)，從而造成縱向、橫向條紋或者皺折。分切是薄膜生產(chǎn)的最后一道工序，分切過(guò)程中分切張力與壓力的大小都是人為經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的。分切的張力設(shè)定過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致膜卷表面嚴(yán)重的縱向皺折。但張力過(guò)小，易造成薄膜松卷。壓力設(shè)定太大可能造成薄膜硬傷；壓力設(shè)定太小時(shí)膜卷易發(fā)生松卷從而造成皺折。條紋、皺折正是薄膜受到不均勻應(yīng)力作用后產(chǎn)生局部形變的典型特征，也是整卷薄膜中的電弱點(diǎn)，局部放電大

76、量的出現(xiàn)在這些絕緣薄弱點(diǎn)處。</p><p><b>　　電場(chǎng)仿真分析</b></p><p>　　通過(guò)對(duì)解剖過(guò)的電容器中元件進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)故障電容器中元件在展開(kāi)后，其表面存在較多波浪狀的條文、皺折。本小節(jié)將利用仿真模型分析皺折對(duì)電容器元件內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度的影響。</p><p>　　由于靠近上下極板的聚丙烯薄膜均有可能產(chǎn)生皺折，且鋁箔極板本身也有

77、可能存在皺折，本模型對(duì)靠近上極板的薄膜進(jìn)行皺折處理，皺折的寬度為10μm，向上極板隆起4μm。隆起部位最高點(diǎn)距離上極板1μm，其它部分與完好模型一樣，建立模型如圖2-12所示。類(lèi)似的建立鋁箔極板皺折模型，即鋁箔極板向下隆起4μm，類(lèi)似于薄膜的皺折，此處圖省略。</p><p>　　圖2-12元件皺折模型</p><p>　　考慮到皺折在元件分布較廣且不規(guī)律，而且不同位置的皺折對(duì)電場(chǎng)的影響也

78、不同，所以建立了三種模型：薄膜皺折分布在元件中間段，電場(chǎng)分布均勻處；薄膜皺折分布在極板邊緣處，電場(chǎng)分布不均勻；鋁箔皺折向下隆起，位于元件中間段，電場(chǎng)分布均勻處。對(duì)所建模型劃分網(wǎng)格并求解得到兩者的電場(chǎng)分布如圖2-13和圖2-14。</p><p>　　圖2-13皺折位于元件中間段處的電場(chǎng)分布</p><p>　　圖2-14皺折位于極板折邊處的電場(chǎng)分布</p><p>

79、　　圖2-15鋁箔存在皺折時(shí)的電場(chǎng)分布</p><p>　　由圖中可知，當(dāng)薄膜皺折位于元件中間段時(shí)，其周?chē)碾妶?chǎng)畸變程度不大。皺折角部位的電場(chǎng)為45.5V/μm，與皺折周?chē)渌恢没儓?chǎng)強(qiáng)相比，其畸變電場(chǎng)強(qiáng)度最大。雖然皺折周?chē)嬖陔妶?chǎng)畸變，但場(chǎng)強(qiáng)值都在正常的工作場(chǎng)強(qiáng)范圍內(nèi)。當(dāng)皺折位于極板折邊處時(shí)，從上圖中可看到：主要由極板的折邊結(jié)構(gòu)造成電場(chǎng)畸變，皺折對(duì)電場(chǎng)畸變的作用不大。同樣，由邊緣效應(yīng)造成的電場(chǎng)畸變是在電容器設(shè)

80、計(jì)、制造、運(yùn)行的允許場(chǎng)強(qiáng)范圍內(nèi)，對(duì)電容器的老化、擊穿不造成明顯的影響。但是，當(dāng)鋁箔極板存在皺折時(shí)，由其造成的電場(chǎng)畸變較為嚴(yán)重。從圖2-15可見(jiàn)，由于突起相當(dāng)于上下極板之間絕緣介質(zhì)變薄，施加在絕緣介質(zhì)上的場(chǎng)強(qiáng)便增強(qiáng)，而且其隆起的尖端容易聚集電場(chǎng)。所以在隆起的尖端，其最大場(chǎng)強(qiáng)高達(dá)114V/μm，超過(guò)了極板折邊處的畸變場(chǎng)強(qiáng)，易發(fā)生局部放電。從此可知，在浸漬劑完全浸漬、聚丙烯薄膜皺折為微米級(jí)別的情況下，由皺折造成的電場(chǎng)畸變程度不大，不會(huì)造成局部

81、放電，不足以影響到元件的老化、擊穿。但是由鋁箔極板皺折造成的電場(chǎng)畸變較為嚴(yán)重。皺折的存在還會(huì)產(chǎn)生其他附加影響，如皺折可能堵塞油道，影響到浸漬劑的流動(dòng)性，在熱應(yīng)力的作用下容易在皺折處產(chǎn)生氣泡從而發(fā)生局部放電</p><p><b>　　油質(zhì)缺陷仿真</b></p><p><b>　　油紙缺陷出現(xiàn)的情況</b></p><p&g

82、t;　　無(wú)論是剛進(jìn)廠(chǎng)的油或已使用過(guò)的回油一般都要經(jīng)過(guò)真空凈化處理，目的是除去油中的水分、空氣和雜質(zhì)，使之成為可適于浸漬電容器的純凈干燥絕緣油。無(wú)論是電容器油或是其他浸漬劑，其凈化處理方法都是類(lèi)似的，僅處理時(shí)控制的溫度，加入吸附劑的數(shù)量及處理時(shí)間等不同而已。浸漬劑的凈化處理主要可分為加熱、過(guò)濾、脫水、加吸附劑攪拌、沉淀、真空脫氣、真空干燥貯存等過(guò)程。在凈化處理過(guò)程中，由于吸附劑添加不足、脫氣與干燥不足導(dǎo)致浸漬劑中存在雜質(zhì)與氣隙。</

83、p><p>　　浸漬過(guò)程要求在高真空狀態(tài)下進(jìn)行，目的是使浸漬劑更好地滲透到電容器紙或薄膜中去，浸漬結(jié)束后待溫度降到60℃以下才允許破除真空出罐。由于真空度不夠高或者浸漬時(shí)間未達(dá)到要求而導(dǎo)致浸漬劑中含有氣泡；電容器外殼密封性不好，由于溫度變化產(chǎn)生呼吸作用而吸潮造成的。</p><p><b>　　電場(chǎng)仿真分析</b></p><p>　　油質(zhì)缺陷考慮

84、分布在介質(zhì)常數(shù)較小的浸漬劑中的氣泡、氣隙。其對(duì)電容器元件電場(chǎng)的影響程度是隨著氣泡大小，不同位置而變化的，與內(nèi)部缺陷中雜質(zhì)對(duì)電容器電場(chǎng)的影響十分相似。但氣泡的局部放電起始場(chǎng)強(qiáng)要小得多，所以氣隙、氣泡的存在對(duì)于電容器可靠運(yùn)行是十分大的威脅。由于浸漬劑的流動(dòng)性，氣泡可能存在于電容器的各個(gè)部位。而且不同大小的氣泡在極板間的形狀也不盡相同。可分3種情況討論：當(dāng)油道中的氣泡直徑較小且不受到外力壓迫的情況下，氣泡呈現(xiàn)圓形；當(dāng)油道中的氣泡直徑較大，氣泡

85、受到上下兩側(cè)的壓力，于是變成了扁平狀；由于浸漬劑的流動(dòng)性，氣泡可能出現(xiàn)在高壓極板折邊處，這種情況下氣泡畸變場(chǎng)強(qiáng)最大的，局部放電最強(qiáng)烈。所以根據(jù)不同情況建立了3種氣泡模型如圖2-16至圖2-18所示。</p><p>　　圖2-16油道中直徑較小的氣泡模型</p><p>　　圖2-17油道中直徑較大的氣泡模型</p><p>　　圖2-18氣泡靠近高壓極板折邊處&l

86、t;/p><p>　　由上到下依次是：2μm厚的油道中存在直徑1μm氣泡的模型；2μm厚的油道中存在扁平氣泡的模型；直徑2μm氣泡距離高壓極板折邊2μm處的模型。為了得到上述3種情況下氣泡周?chē)碾妶?chǎng)分布，進(jìn)而分析氣泡對(duì)電容器的老化影響。將3種氣泡模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，施加邊界條件后通過(guò)計(jì)算得到各自的電場(chǎng)分布如圖2-19至圖2-21所示。</p><p>　　圖2-19油道中存在圓形氣泡時(shí)的電場(chǎng)分布

87、</p><p>　　圖2-20油道中存在扁平型氣泡時(shí)的電場(chǎng)分布</p><p>　　圖2-21氣泡靠近高壓極板折邊側(cè)時(shí)的電場(chǎng)分布</p><p>　　通過(guò)對(duì)不同大小的圓形氣泡進(jìn)行仿真，得知畸變電場(chǎng)強(qiáng)度與氣泡大小的關(guān)系和金屬雜質(zhì)的十分接近。即當(dāng)氣泡體積越小，對(duì)整個(gè)電場(chǎng)分布的影響越弱，基本不形成電場(chǎng)集中，隨著氣泡的增大，其對(duì)電場(chǎng)分布的影響也逐漸增強(qiáng)。由上述電場(chǎng)分布圖可

88、見(jiàn)，油道中直徑1μm氣泡周?chē)畲蠡儓?chǎng)強(qiáng)為65.2V/μm，而極板間的均勻電場(chǎng)強(qiáng)度為51.3V/μm，電場(chǎng)的不均勻系數(shù)為1.27。油道中存在較大的扁平形氣泡時(shí)，其周?chē)幕儓?chǎng)強(qiáng)達(dá)到75.2V/μm，電場(chǎng)不均勻系數(shù)為1.46。在這兩種情況下，其畸變場(chǎng)強(qiáng)雖然沒(méi)有達(dá)到油絕緣發(fā)生局部放電的程度，但是由于氣體的擊穿場(chǎng)強(qiáng)要小于油質(zhì)絕緣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，所以在畸變電場(chǎng)的作用下，氣泡被擊穿發(fā)生局部放電。最嚴(yán)重的情況是氣泡十分接近高壓極板的邊緣處，越靠近高壓極

89、板邊緣，有氣泡引起的電場(chǎng)畸變程度越高，局部放電越強(qiáng)烈。如圖2-21所示，當(dāng)氣泡靠近高壓極板2μm時(shí)，電場(chǎng)的不均勻系數(shù)高達(dá)1.86。通過(guò)上述分析，雖然存在氣泡的部位會(huì)發(fā)生局部放電，但是由于畸變場(chǎng)強(qiáng)不足以達(dá)到破壞絕緣介質(zhì)，所以在可能存在很明顯的較大氣泡缺陷情況下，電容器的絕緣介電性能測(cè)試依然合格。所以，一方面應(yīng)該提高生產(chǎn)工藝，真空浸漬充分，盡量避</p><p><b>　　本章小結(jié)</b>&l

90、t;/p><p>　　電容器過(guò)早的出現(xiàn)絕緣故障往往是由其本身的各種缺陷造成的。根據(jù)電容器的制造過(guò)程與組成結(jié)構(gòu)可分為四種典型缺陷：內(nèi)部缺陷、接觸缺陷、重疊缺陷、油質(zhì)缺陷。本章分別對(duì)四種典型缺陷用有限元分析的方法對(duì)其電場(chǎng)進(jìn)行分析，分析該四種缺陷對(duì)電力電容器局部放電及絕緣擊穿的影響。這四種缺陷都很大程度上降低了電力電容器的使用壽命，影響了電力電容器使用壽命評(píng)估的準(zhǔn)確性。</p><p>　　電力電容

91、器有關(guān)絕緣的故障及其在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)</p><p>　　有關(guān)絕緣故障產(chǎn)生的原因</p><p><b>　　運(yùn)行電壓過(guò)高</b></p><p>　　電容命和出力。運(yùn)行中電容器內(nèi)部的有功功率損耗由其介質(zhì)損耗和導(dǎo)體電阻損耗組成，而介質(zhì)損耗占電容器總有功功率損耗的98%以上，其大小與電容器的溫升有關(guān)。電容器的有功功率損耗可用下式表示：</p&g

92、t;<p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　式中：P—電容器的有功功率損耗(kW)；</p><p>　　Q—電容器的無(wú)功功率(kvar)；</p><p>　　tanδ—介質(zhì)損失角正切值；</p><p>　　ω—電網(wǎng)角頻率(rad/s)；</p><p>　　

93、C—電容器的電容量(μF)；</p><p>　　U—電容器的運(yùn)行電壓(kV)</p><p>　　由公式3-1可知，電容器的有功功率損耗和電容器輸出的無(wú)功功率大小均與電容器的運(yùn)行電壓的平方成正比。隨著電容器的運(yùn)行電壓升高，電容器的有功功率損耗增加很快，溫度迅速升高，絕緣壽命降低。特別是在工頻過(guò)電壓下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，電容器絕緣損壞更快。</p><p>　　高次諧波引起

94、過(guò)電流與危害</p><p>　　電容器對(duì)高次諧波最敏感，它可能在某一頻率下產(chǎn)生諧振，造成諧波電流過(guò)大。諧波源負(fù)荷和電容器連接時(shí)，當(dāng)電容器的容抗和系統(tǒng)的感抗在某一頻率下正好大小相等方向相反，而發(fā)生并聯(lián)揩振時(shí)，諧波電流在系統(tǒng)和電容器之間流動(dòng)，使電容器過(guò)電流。當(dāng)電容器接入電網(wǎng)后，在電容器兩端的電壓含有2至n次諧波時(shí)，其有效值為：</p><p><b>　　(3-2)</b&g

95、t;</p><p>　　式中：h2~hn—各次諧波電壓畸變率；</p><p>　　Un—n次諧波電壓；</p><p><b>　　U1—基波電壓</b></p><p>　　通過(guò)電容器的電流有效值為：</p><p><b>　　(3-3)</b></p>

96、<p>　　式中：I1—基波電流</p><p>　　電容器無(wú)功輸出容量為：</p><p><b>　　(3-4)</b></p><p>　　比較上述三式可以看到，當(dāng)電網(wǎng)存在諧波時(shí)，電流有效值的增長(zhǎng)要比電壓有效值的增長(zhǎng)來(lái)得迅速，特別是含有較高次諧波時(shí)，更為顯著。諧波電流的增長(zhǎng)將使電容器的功率損耗相應(yīng)增加，其結(jié)果導(dǎo)致電容器異常發(fā)熱

97、，絕緣發(fā)生損壞，最終會(huì)使電容器的使用壽命縮短。</p><p>　　近年來(lái)，隨著大型電弧爐、整流設(shè)備、家用電器等非線(xiàn)性用電設(shè)備的廣泛應(yīng)用，各種諧波源產(chǎn)生的高次諧波電流注入電網(wǎng)，從而引起電力系統(tǒng)的電壓和電流波形的嚴(yán)重畸變。這些畸變的電壓和電流將對(duì)電容器造很大的絕緣危害，最終會(huì)使電容器使用壽命降低。</p><p>　　諧波的存在往往使電壓波呈尖頂狀，而尖頂?shù)幕冸妷翰ㄐ螌?duì)介質(zhì)壽命的影響最為嚴(yán)

98、重。流入電容器的諧波疊加在電容器的基波上，如果電容器容抗與電感器感抗相匹配構(gòu)成諧振，此諧振對(duì)高次諧波產(chǎn)生放大作用，致使電容器過(guò)電流和過(guò)電壓，嚴(yán)重時(shí)可引起電容器內(nèi)部份絕緣介質(zhì)局部放電，使其絕緣損壞，導(dǎo)致電容器鼓肚損壞，甚至是裝置無(wú)法投入正常運(yùn)行。</p><p><b>　　老化性故障</b></p><p>　　運(yùn)行時(shí)電容器外殼直接與空氣接觸，并且長(zhǎng)期在較高的溫度下工

99、作，這樣會(huì)加快電容器絕緣層與空氣中所含物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)，使絕緣層發(fā)生氧化等變質(zhì)，導(dǎo)致絕緣層的絕緣強(qiáng)度降低，也會(huì)導(dǎo)致電容器密封圈的老化而引起電容器漏油。當(dāng)使用久后，電容器的內(nèi)部液體介質(zhì)的游離也會(huì)使絕緣降低。絕緣降低便會(huì)導(dǎo)致電容器容易發(fā)生漏電、擊穿等故障，這便是絕緣老化性故障。</p><p><b>　　運(yùn)行溫度過(guò)高</b></p><p>　　環(huán)境溫度對(duì)電容器的運(yùn)行溫度

100、影響很大。電容器安裝運(yùn)行環(huán)境溫度范圍為-50～+55℃。有試驗(yàn)表明，當(dāng)溫度升高10℃，電容器的電容量下降速度將加快一倍。電容器長(zhǎng)期處于高電場(chǎng)強(qiáng)度和高溫下運(yùn)行將使化學(xué)反應(yīng)速度提高2-4倍，在局部放電作用下形成的產(chǎn)物將引起導(dǎo)電性和介質(zhì)損失角δ的增大，使電容器內(nèi)部溫升超過(guò)允許值而發(fā)熱，導(dǎo)致電容器的老化加快，縮短電容器的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)在高電場(chǎng)強(qiáng)度作用下導(dǎo)致電容器擊穿而損壞。</p><p>　　電容器介質(zhì)損耗在線(xiàn)監(jiān)測(cè)&

101、lt;/p><p>　　絕緣材料的介質(zhì)損耗因數(shù)(tanδ)是反映電氣設(shè)備絕緣性能的重要指標(biāo)，通過(guò)測(cè)量tanδ可以較靈敏地反映出設(shè)備的絕緣缺陷。由于傳統(tǒng)介損測(cè)量方法存在程序復(fù)雜、工作量大、范圍有限、精度低等缺點(diǎn)，所以，目前介損在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多采用諧波分析法進(jìn)行測(cè)量。由于電力電容器介損信號(hào)微弱，δ通常約為0.001～0.02rad，這對(duì)tanδ測(cè)量準(zhǔn)確度提出了較高的要求。因此，在提高傳感器和數(shù)據(jù)采集裝置抗干擾能力的基礎(chǔ)上

102、，采用高精度數(shù)據(jù)處理方法也是提高tanδ測(cè)量準(zhǔn)確度的重要手段[8-19]。</p><p><b>　　介質(zhì)損耗基本概念 </b></p><p>　　交流電壓U作用下電容器的特性如圖3-1，流過(guò)電容器的電流I比電容器兩端的電壓U超前一個(gè)相角 ，電流I是由電容電流分量IC和有功電流分量IR組成，通常IC>>IR，則介質(zhì)損耗因數(shù)是設(shè)備絕緣的局部缺陷中介質(zhì)損失

103、引起的有功電流分量IR和設(shè)備總電容電流IC之比[20,21]。</p><p><b>　　(3-5)</b></p><p>　　圖3-1電容器的特性圖</p><p>　　介損tanδ是表征絕緣在交變電壓作用下?lián)p耗大小的特征參數(shù)，它僅取決于材料的特性，而與材料尺寸、形狀無(wú)關(guān)，它的變化可以反映移相電容器絕緣整體受潮情況、劣化變質(zhì)情況以及設(shè)備的

104、局部缺陷，因此以介損tanδ作為反映電力電容器絕緣狀況的參數(shù)是非常合適的。根據(jù)產(chǎn)生機(jī)理的不同，可將絕緣材料在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的介質(zhì)損耗分為三部分：電導(dǎo)損耗、極化損耗和游離損耗。</p><p><b>　　電導(dǎo)損耗WG</b></p><p>　　實(shí)際上電介質(zhì)中總是存在一定電導(dǎo)，在電場(chǎng)的作用下就會(huì)產(chǎn)生泄漏電流，引起熱能量損耗，這種熱能量損耗在直流或交流電壓作用下都會(huì)存在

105、。漏導(dǎo)損耗可用電阻上的損耗表征圖3-2中用RG表示，RG由內(nèi)部體積電阻RV和表面電阻RS并聯(lián)組成。通常RV很大而RS與設(shè)備外形結(jié)構(gòu)和環(huán)境有關(guān)。</p><p>　　圖3-2介質(zhì)損耗機(jī)理圖</p><p><b>　　極化損耗Wp</b></p><p>　　在長(zhǎng)期工作電壓作用下，由于周期性的極化過(guò)程，電介質(zhì)的帶電質(zhì)點(diǎn)要沿交變電場(chǎng)方向作往復(fù)的有限

106、位移和重新排列，這就會(huì)因?yàn)榭朔|(zhì)點(diǎn)間相互作用力而造成能量損耗。這種介質(zhì)極化引起的極化損耗Wp一般比電導(dǎo)損耗WG大得多，介質(zhì)極化的強(qiáng)弱決定于物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和分子的運(yùn)動(dòng)形式。介質(zhì)極化效應(yīng)可用電容CT和串聯(lián)阻容支路RI，CI的并聯(lián)電路模型等效，其中CT表示與介質(zhì)中電子位移極化和離子位移極化相關(guān)的電容量，RI和CI表示與介質(zhì)松弛極化相關(guān)的參數(shù)。</p><p><b>　　游離損耗Wd</b></

107、p><p>　　由于電介質(zhì)的結(jié)構(gòu)或材料的缺陷，當(dāng)外加電壓超過(guò)一定值后，電介質(zhì)內(nèi)部或表面將發(fā)生局部放電，產(chǎn)生附加損耗。圖3-2中用Cg和Cb表示介質(zhì)局部放電相關(guān)的電容參數(shù)，Cg上的箭頭示意介質(zhì)的局部放電。在交流電壓作用下，局部放電集中在外施電壓上升或下降最陡的區(qū)域。長(zhǎng)期的局部放電對(duì)介質(zhì)的性能影響很大，在正常工作時(shí)應(yīng)盡量避免局部放電的發(fā)生。</p><p><b>　　現(xiàn)有介損測(cè)量方法&