電氣工程及其自動化畢業(yè)設計-11kv并聯(lián)電容器設計與元件內部電場分析(含外文翻譯)

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　11/kV并聯(lián)電容器設計與元件內部電場分析</p><p>　　所在學院 </p><p>　　專業(yè)班級 電氣

2、工程及其自動化 </p><p>　　學生姓名 學號 </p><p>　　指導教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p>　　11/kV并聯(lián)電容器設計與元件內部電場分析&l

3、t;/p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　無功功率因數(shù)是衡量一個國家電力發(fā)展水平的標準之一，為了提高電力系統(tǒng)的功率因數(shù)，改善電網(wǎng)質量，降低線路損耗，節(jié)約能源，普遍采用并聯(lián)電容器來進行無功補償。并聯(lián)電容器元件內部電場分布情況決定了其壽命和運行可靠性，所以在設計及投運過程中，將此作為主要考慮的因素。</p><p>　　本論文通過

4、查閱相關文獻，闡述國內外并聯(lián)電容器發(fā)展現(xiàn)狀，對相應工藝與技術參數(shù)進行了比較。選取額定電壓kV，額定容量為334kvar的并聯(lián)電容器，在滿足國家標準的情況下進行理論分析計算與結構設計，并從中確定最佳方案，對其生產工藝流程、型式試驗、出廠試驗和驗收試驗進行了詳細的介紹。</p><p>　　采用有限元法，借助相關軟件對其元件在不同結構與不同條件下的電場分布進行了細致的分析。給出在極板邊緣折邊與不折邊、極板褶皺、極板間

5、存在氣泡、極板間存在金屬雜質和介質雜質等情況下的電場仿真結果，并提出工藝改善意見。</p><p>　　關鍵詞 無功補償；并聯(lián)電容器；電場分布</p><p>　　11/kV Parallel capacitor design and components internal electric field analysis</p><p><b>　　Abs

6、tract</b></p><p>　　Reactive power factor is one of standards to measure country's level of electric power development. In order to improve the power factor and quality of system, reduce the loss of

7、 transmission line, and save the energy, compensating reactive power is widely applied. Considering period and reliability depend on the internal electric field distribution, so it’s mainly concerned for parallel capacit

8、or design and application.</p><p>　　This paper expounds the present development of the parallel capacitor at home and abroad，and give comparison between different manufacturing technologies and correspondin

9、g parameters through extensive reading of literature. Also chooses kV/334 kvar parallel capacitor as an example to complete the structure design through calculation which matches national standards, and select the best s

10、cheme to introduce the technological process and test project in this paper. </p><p>　　With the aid of related software, the internal electric field distribution in different structures and different situat

11、ions such as having the fold or not, with bubbles, with impurities .etc are detailed analyzed by finite element method. The simulation results and improvement algorithm are proposed as well.</p><p>

12、;　　Keywords Reactive compensation；parallel capacitor；Electric field distribution</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><

13、;p><b>　　第1章緒論1</b></p><p><b>　　1.1課題背景1</b></p><p>　　1.2國外并聯(lián)電容器的發(fā)展概況1</p><p>　　1.3我國并聯(lián)電容器的發(fā)展概況2</p><p>　　1.4本論文所做的工作2</p><p&

14、gt;　　第2章 并聯(lián)電容器結構設計3</p><p><b>　　2.1概述3</b></p><p>　　2.2并聯(lián)電容器基本概念與結構3</p><p>　　2.2.1電容器的基本概念3</p><p>　　2.2.2并聯(lián)電容器結構5</p><p>　　2.3 并聯(lián)電容器設計7

15、</p><p>　　2.3.1產品型號與電介質性能比較7</p><p>　　2.3.2 并聯(lián)電容器設計計算10</p><p>　　2.4并聯(lián)電容器工藝17</p><p>　　2.5并聯(lián)電容器試驗18</p><p>　　2.6本章小結23</p><p>　　第3章 元件內部電

16、場分析24</p><p>　　3.1電場計算方法24</p><p>　　3.1.1有限元法24</p><p>　　3.1.2電場的計算模型25</p><p>　　3.2元件內部電場分析26</p><p>　　3.2.1極板邊緣不同結構的電場分析26</p><p>　　3.

17、2.2含缺陷元件的電場分析31</p><p>　　3.3本章小結42</p><p><b>　　結論43</b></p><p><b>　　致謝44</b></p><p><b>　　參考文獻45</b></p><p><b&g

18、t;　　附錄46</b></p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　1.1課題背景</b></p><p>　　電網(wǎng)中的電力負荷如電動機、變壓器等，大部分屬于感性負荷，在運行過程中需向這些設備提供相應的無功功率。在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器等無功補償設備以后，可以提供感性負載所消耗的無功

19、功率，減少了電網(wǎng)電源向感性負荷提供、由線路輸送的無功功率，由于減少了無功功率在電網(wǎng)中的流動，因此可以降低線路和變壓器因輸送無功功率造成的電能損耗。所以并聯(lián)電容器的無功補償作用對電網(wǎng)的供電質量有很大的作用。</p><p>　　1.2國外并聯(lián)電容器的發(fā)展概況</p><p>　　世界上最早用來改善功率因數(shù)的并聯(lián)電容器，是波蘭人莫舍克設計的，它是一種類似萊頓瓶的電容器，可以做到10kV電壓等級

20、，極板間介質采用的是玻璃。第一次世界大戰(zhàn)期間，美國首先開發(fā)了紙介質電容器，當時極板間的固體介質采用普通紙，浸漬劑是石蠟和油。19世紀30年代以后，電容器浸漬劑發(fā)展到氯化聯(lián)苯，由于其化學性能穩(wěn)定，電氣性能優(yōu)越，耐高溫等優(yōu)點很快被世界范圍內廣泛采用。30年代到60年代相繼生產了使用五氯聯(lián)苯、三氯聯(lián)苯作浸漬劑的紙介質電容器。1940年德國開始采用聚苯乙烯膜生產電容器，但是由于聚苯乙烯膜缺點是耐高溫性能差，電容器溫度不能超過55°C。

21、為了改善上述性能，研制了聚苯乙烯膜與紙復合電容器，其技術性能遠好于純紙產品。20世紀60年代中期等規(guī)雙軸定向聚丙烯膜的研制成功，使膜紙復合介質的并聯(lián)電容器得到了快速的發(fā)展。70年代中期以后，采用純聚丙烯膜介質（即全膜介質）已成為主要的發(fā)展趨勢[1]。結構上，國外高壓全膜電容器的元件材料采用雙面粗化膜或單面粗化膜，或二者搭配方式，采用兩層或三層膜結構。鋁箔壓花，折邊和延伸，鋁箔延伸部分采用夾接或焊接。美國西屋公司認為鋁箔折邊后，其邊緣承受

22、過電壓能力可提高</p><p>　　1.3我國并聯(lián)電容器的發(fā)展概況</p><p>　　我國電力電容器制造業(yè)是從20世紀50年代開始的，距今已經有50多年的歷史。從20世紀80年代開始，電容器制造廠通過消化吸收引進技術，在制造技術、產品質量和運行技術上都有了快速的發(fā)展使我國并聯(lián)電容器，成功地推出了產品的技術進步，實現(xiàn)了由全紙介質、膜紙復合介質向全膜介質的轉化，產品技術經濟指標大幅提高，并

23、開發(fā)了許多適應國情的和有利于環(huán)境保護的新品種，產品質量得到了明顯的提高。新一代的全膜電容器選用了優(yōu)質易浸漬的雙面粗化聚丙烯薄膜作固體介質和性能優(yōu)異的合成液體電介質浸漬劑，并應用鋁箔凸出電極焊接（露箔式）新工藝淘汰了傳統(tǒng)的插入引線片的電極引出方式，使并聯(lián)電容器的技術性能和經濟指標得到了極大的提高，目前這種全膜結構的電容器技術在國內外是最先進的[2]。雖然國內的電力電容器從各方面得到了提高但是還是與國外的產品有一定的差距，具體表現(xiàn)如下；

24、 </p><p>　?。?）國產殼式高壓并聯(lián)電容器的單臺容量小。國產大容量電容器仍然是以單臺334kvar的為主導。而國外瑞典、美國GE、COOPER公司等早

25、就已開始批量提供單臺1000kvar的電容器了。</p><p>　?。?）國產高壓電容器比特性差距大。國內外電容器比特性大致比例是國外︰合資︰國內=1︰1.5︰2，即同容量的電容器國產的體積、質量要比國外的產品大一倍。</p><p>　?。?）補償?shù)攸c選擇不同。國外廣泛采用在345kV及以下主負荷側補償, 國內以在66kV 及以下三次側補償為主。在主負荷側補償?shù)膬?yōu)點是直接補償、效果好,

26、 并可使主變壓器結構簡化、造價降低、提高輸送功率[3]。</p><p>　　1.4本論文所做的工作</p><p>　　本論文對BAM-334-1W并聯(lián)電容器進了設計及對其元件內部電場進行了詳細的分析。在整個過程中主要做了如下工作：</p><p>　　1.介紹并聯(lián)電容器發(fā)展概況，與國外先進技術的比較；</p><p>　　2.闡述單臺并聯(lián)

27、電容器的設計、工藝以及試驗； </p><p>　　3.對并聯(lián)電容器在不同情況下的元件內部電場進行分析。</p><p>　　第2章 并聯(lián)電容器結構設計</p><p><b>　　2.1概述</b></p><p>　　電力系統(tǒng)中并聯(lián)電容器的應用極為廣泛，以并聯(lián)電容器補償電網(wǎng)的無功功率是無功功率補償?shù)闹饕问健Ｔ陔娏ο?/p>

28、統(tǒng)中有功功率，所以的決定因素是非常大的，的改變和無功功率有很大的關系，因此電力系統(tǒng)中補償無功是非常重要的，無功的補償主要是以電容的容性無功來進行補償，因此電力電容器的作用關系到電網(wǎng)的質量[4]。</p><p>　　2.2并聯(lián)電容器基本概念與結構</p><p>　　2.2.1電容器的基本概念</p><p>　　電容器的電容是象征電容器儲存電荷能力的參量。<

29、/p><p>　?。?）平板電容器的電容</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　式中為真空介電常數(shù)；</p><p>　　為介質的相對介電常數(shù)；</p><p>　　為電極有效面積，m2；</p><p>　　為介質厚度/極間距離，mm。</

30、p><p><b>　?。?）電容器的儲能</b></p><p>　　電容器的儲能是指在充了電的電容器極板間所存儲的靜電能量，即 (2-2)</p><p>　　式中為電容器的電容，F(xiàn)；</p><p>　　為電容器極板間的電壓，V。</p><p><

31、;b>　?。?）電容器的容量</b></p><p>　　在交流電壓的作用下，電容器的容量或無功功率為</p><p>　　kvar (2-3)</p><p>　　式中為電容器的電容電流，A；</p><p><b>　　為外施電壓，kV；</b></p><

32、p><b>　　為頻率，Hz；</b></p><p>　　為電容器的電容，µF。</p><p>　?。?）比能、比特性、和儲能因數(shù)</p><p>　　比能是指直流電容器在直流電壓作用下單位體積的介質所儲存的能量，即</p><p>　　KJ/L (2-4)&l

33、t;/p><p><b>　　式中為能量，kJ；</b></p><p><b>　　為體積，L；</b></p><p>　　為電場強度，MV/m。</p><p>　　比特性是指交流電容器單位容量所用介質材料的數(shù)量，即體積比特性</p><p>　　L/kvar

34、 (2-5)</p><p><b>　　式中為體積，L；</b></p><p>　　為電容器的容量，kvar。</p><p><b>　　質量比特性：</b></p><p>　　kg/kvar (2-6)</p><p>　

35、　式中為電介質的質量，kg；</p><p>　　為電介質的密度，kg/L。</p><p>　　比能和比特性是評價電力電容器技術經濟性能的綜合指標，均決定于，這個即電容器介質的儲能因數(shù)。</p><p>　　（5）電容器的損耗和損耗角正切</p><p>　　電容器在交流電壓作用下，產生無功功率的同時，其內部介質、內部熔絲、內部放電器件、內

36、部鏈接導線等都會產生一定的有功損耗，這些有功損耗的總和就構成了電容器的損耗，通常用(W）來表示。</p><p>　　電容器單位無功功率的損耗，即損耗與無功功率的比值是衡量電容器效率和質量的重要參數(shù)，稱為電容器的損耗角正切，用表示，即電容器的損耗要消耗電能使電容器發(fā)熱，因此電容器的損耗應越低越好。</p><p>　?。?）自放電時問常數(shù)</p><p>　　電力電

37、容器的絕緣電阻與電容的乘積是一個與電容器的極板面積、介質厚度無關，僅取決于介質的體積電阻率和電容率的值， F (2-7)</p><p>　　由同一種介質制造的電容器其基本相同，所以電容器的值主要決定于介質的，它是一個表征電容器，特別是直流電容器性能優(yōu)劣和翻造工藝是否良好的重要參數(shù)。</p><p><b>　?。?）額定值</b></

38、p><p>　　電力電容器的額定值主要是指額定電壓、額定電流、額定電容、額定頻率和額定容量。</p><p>　　額定電壓：我國高電壓并聯(lián)電容器的額定電壓有:1.05，3.15，，6.3，10.5，，11，，12，19kV。其中6.3kV和kV兩者額定電壓值基本相同，但前者的絕緣等級為6kV級，后者的絕緣等級則為10kV級[5]。</p><p>　　2.2.2并聯(lián)電容

39、器結構</p><p>　　電力電容器零部件主要包括：極板、介質、外殼、套管、內熔絲、放電電阻、連接導體、內部絕緣件等?，F(xiàn)在電力電容器采用全膜式介質材料為薄膜，極板為鋁箔，內部絕緣件為厚度不同的絕緣紙和紙板組成。</p><p>　　極板-------------鋁箔</p><p>　　介質-------------聚丙烯薄膜(固體介質)、芐基甲苯（液體介質）&l

40、t;/p><p>　　外殼-------------不銹鋼</p><p>　　套管-------------瓷</p><p>　　內熔絲----------銅</p><p>　　放電電阻-------玻璃釉</p><p>　　連接導體-------銅</p><p>　　內部絕緣件----芯

41、子外包，元件外包，引線外包件、絕緣墊塊等</p><p>　　電容器主要是以下幾個部分組成：元件、箱殼、內部絕緣和電氣連接、出線結構。</p><p>　?。╝）元件：電容器的基本電容單元，高壓并聯(lián)電容器中的元件通常由6張薄膜和2張鋁箔相互重疊配置后繞卷、壓扁而成。</p><p>　　（b）箱殼：高電壓并聯(lián)電容器通常采用由1～2mm的薄鋼板制成的矩形箱殼，其機械強

42、度高，易于焊接、密封和散熱。電容器中的絕緣油因溫度改變引起的體積變化可由箱殼大面的彈性變形來進行補償。為了安全，在所有電容器的金屬箱殼上均裝有供接地或固定箱殼電位用的接地片或接地螺栓。</p><p>　?。╟）內部絕緣和電氣連接：在電容器內部的各個元件之間、串聯(lián)段之間和心子與箱殼之間通常都設有由電纜紙、絕緣紙板或塑料薄板制成的絕緣件使相互間的絕緣達到要求的絕緣水平，并使元件間的相互位置得到固定及元件具有預定的占

43、空系數(shù)。如果沒有電氣連接電容器就成為一個大的絕緣體，所以需要電氣連接使其擁有相應的電氣性能，內部的連接片、熔絲、和引出線都是其電氣連接的主要零部件。</p><p>　　（d）出線結構：高電壓并聯(lián)電容器的出線結構分單套管出線和雙套管出線兩類。雙套管出線結構的兩個出線端均對殼絕緣，具有相同的絕緣水平。單套管出線結構的兩個出線端中只有一個經套管引出與外殼相絕緣，另一個與箱殼連接后引出。電容器結構如下：</p&g

44、t;<p>　　圖2-1并聯(lián)電容器基本結構</p><p><b>　　電容器元件展開圖：</b></p><p>　　圖2-2電容器元件展開</p><p>　　2.3 并聯(lián)電容器設計</p><p>　　2.3.1產品型號與電介質性能比較</p><p>　　對于并聯(lián)電容器型號命

45、名規(guī)則，①②③-④⑤-⑥ W，</p><p>　　①--A表示濾波電容器，B表示并聯(lián)電容器，</p><p>　　C表示串聯(lián)電容器，D表示直流電容器</p><p>　?、?-A表示芐基甲苯，F(xiàn)表示二芳基乙烷</p><p>　　③--M表示全膜介質，F(xiàn)膜紙復合介質</p><p>　　④--電容器額定電壓，單位：k

46、V。</p><p>　?、?-電容器額定容量，單位：kvar。</p><p>　?、?-“1”表示單相。</p><p>　　W表示戶外式。也可以用于戶內。</p><p>　　示例：BAM 8.4-300-1W 表示：浸漬苯基甲苯的全膜介質并聯(lián)電容器，額定電壓8.4kV，額定容量300kvar，單相，戶外式。</p>&

47、lt;p>　?。?）固體介質性能比較</p><p>　　電力電容器中常用的固體介質主要是塑料薄膜和電容器紙，它們都具有優(yōu)良的電氣性能，易于加工成均勻薄層，便于繞卷，有一定的抗張強度，與液體介質的相容性優(yōu)良。尤其是雙軸定向聚丙烯薄膜(PP膜)具有很高的耐電強度和很低的介質損耗，在電力電容器中正在逐步取代傳統(tǒng)的油浸紙介質。</p><p>　　電力電容器常用的塑料薄膜有聚丙烯薄膜和聚酯

48、薄膜其基本性能見下表</p><p>　　表2-1固體介質塑料薄膜的性能</p><p>　?。?）液體介質性能比較</p><p>　　液體介質在電力電容器中用以浸漬固體介質和填充電容器內部的空隙，液體介質的開發(fā)和性能的提高在電力電容器產品的發(fā)展中起著十分重要的作用。</p><p>　　在電力電容器中常用的液體介質有：芐基甲苯(代號為M/

49、BDT)，法國商品名10l或C111，二芳基乙烷PXE，異丙基聯(lián)苯IPB，十二烷基苯(代號為DDB或AB)和SAS-40絕緣油。</p><p>　　表2-2液體介質的性能</p><p>　?。?）元件的參數(shù)性能比較</p><p>　　表2-3元件的性能參數(shù)選擇范圍</p><p>　　表2-4元件起始局部放電電場強度</p>

50、<p>　　對于電容器的參數(shù)主要是確定電容器的場強E，E的選取決定了電容器的電氣性能。箱殼和心軸的選取也決定了電容器芯體的尺寸和電氣參數(shù)。材料的選取根據(jù)上面性能介紹我們選取如下材料： </p><p>　　表2-5a材料名稱與尺寸</p><p>　　表2-5b材料名稱與尺寸</p><p>　　2.3.2 并聯(lián)電容器設計計算</p>&

51、lt;p>　　選擇國內應用最為廣泛的容量334kvar的并聯(lián)電容器進行設計，所以選擇型號為BAM-334-1W進行設計計算。</p><p>　　表2-6電容器的基本參數(shù)</p><p><b>　?。?）電場的選擇</b></p><p>　　由于2～3層聚丙烯薄膜在K=1時的工作場強為45～70 MV/m，所以極板間的電場可以選擇MV

52、/m，從而確定膜的厚度。</p><p>　?。?）元件的串聯(lián)組數(shù)</p><p>　　元件電壓通常取不高于2kV，元件的串聯(lián)組數(shù)為</p><p><b>　　(2-8)</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=3.18<

53、;/b></p><p>　　式中為電容器的額定電壓，V。</p><p>　　取下一位整數(shù)，則元件的串聯(lián)組數(shù)</p><p><b>　?。?）元件的并聯(lián)數(shù)</b></p><p>　　對于有內熔絲的電容器并聯(lián)組數(shù)不少于10，所以初定并聯(lián)數(shù)為10：</p><p>　　（4）元件的額定電容

54、</p><p><b>　　(2-9)</b></p><p><b>　　(2-10)</b></p><p>　　=10.55 µ F</p><p>　　式中為元件的額定電容，µF；</p><p>　　為電容器的額定容量，kvar；</p&

55、gt;<p><b>　　為額定角頻率。</b></p><p><b>　　（5）元件參數(shù)計算</b></p><p>　　元件采用全聚丙烯薄膜浸芐基甲苯絕緣油，鋁箔突出折邊結構。為了使電容器易于浸漬和在浸漬后仍能保持一定的油隙，根據(jù)實際經驗，元件的壓緊系數(shù)初定為K=0.8。</p><p><b&g

56、t;　　元件的額定電壓：</b></p><p><b>　　(2-11)</b></p><p><b>　　=1587.7 V</b></p><p><b>　　元件介質的厚度：</b></p><p><b>　　(2-12)</b>&

57、lt;/p><p><b>　　=26.46 µm</b></p><p>　　取整d=27µm所以每層薄膜可以取為d/3=9µm</p><p>　　當K=0.8時，即元件工作時的場強：</p><p><b>　　(2-13)</b></p><p&

58、gt;<b>　　=48 MV/m</b></p><p>　　極板間介質的電容率（介電常數(shù)）：</p><p><b>　　(2-14)</b></p><p><b>　　= </b></p><p><b>　　=2.28</b></p>

59、<p>　　式中為浸漬劑的電容率2.65；</p><p>　　為聚丙烯薄膜的電容率2.2；</p><p><b>　　為壓緊系數(shù)。</b></p><p><b>　　元件的卷繞圈數(shù)：</b></p><p><b>　　(2-15)</b></p>

60、;<p>　　=73.22=74圈</p><p>　　式中為心軸直徑，cm；</p><p>　　為鋁箔極板厚度，µm；</p><p>　　為鋁箔極板有效寬度，cm；</p><p>　　為元件額定電容，µF。</p><p><b>　　元件厚度：</b>&

61、lt;/p><p><b>　　當K=0.8時</b></p><p><b>　　(2-16)</b></p><p><b>　　=12.2 mm</b></p><p><b>　　當K=1時</b></p><p><b&

62、gt;　　(2-17)</b></p><p><b>　　=10.1 mm</b></p><p>　　卷繞元件的平均直徑：</p><p><b>　　(2-18)</b></p><p><b>　　=9+12.2/2</b></p><p

63、><b>　　=9.61 cm</b></p><p><b>　　元件的計算電容：</b></p><p><b>　　(2-19)</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=10.67 µF

64、</b></p><p>　　元件計算電容與額定電容的差率：</p><p><b>　　(2-20)</b></p><p><b>　　=1.14%</b></p><p>　　由于GB/T 11024.1-2010 對于電容器單元的偏差要求在-5%～+5%之間，所以以上設計的電容器

65、滿足要求。</p><p><b>　　元件的寬度：</b></p><p><b>　　(2-21)</b></p><p><b>　　=45π+12.2</b></p><p><b>　　=153.5 mm</b></p><p

66、><b>　　元件長度：</b></p><p>　　L=薄膜的寬度+鋁箔突出的寬度=430+5+5=440mm</p><p><b>　?。?）心子計算</b></p><p><b>　　元件總厚度：</b></p><p><b>　　(2-22)<

67、;/b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=488 mm</b></p><p><b>　　元件包封：</b></p><p>　　采用0.3mm的電纜紙所以總元件包封厚度/0.8=30 mm</p><p>

68、<b>　　組間絕緣：</b></p><p>　　采用2層0.3mm電纜紙為一組</p><p>　　組間絕緣厚串聯(lián)數(shù)為4串所以用3組/0.8=2.25 mm</p><p><b>　　主包封件：</b></p><p>　　采用0.08mm的電纜紙25層心子高度增=25.6 mm</p&

69、gt;<p>　　心子寬度增加=20 mm。</p><p>　　DL/T840-2003 外絕緣尺寸要求10kV及一下電壓級，極間和極對外殼電氣距離不小于0.2m所以選擇25層。</p><p><b>　　紙夾板厚： </b></p><p>　　采用2mm厚的絕緣紙板在元心子上下各2個2=8 mm</p>&l

70、t;p>　　聚丙烯紙緊箍 1mm</p><p>　　心子高度： </p><p><b>　　(2-23)</b></p><p>　　=488+30+2.25+25.6+8+1</p><p>　　=554.85 mm</p><p>　　心子長度：

71、 </p><p><b>　　(2-24)</b></p><p>　　=440+20=460 mm</p><p><b>　　心子寬度：</b></p><p><b>　　(2-25)</b></p><p>　　=153.5+20

72、+1=174.5 mm</p><p><b>　　心子尺寸：</b></p><p>　　=554.85174.5460 (2-26)</p><p><b>　　外殼選用：</b></p><p>　　=600180470 (2-27)<

73、/p><p>　　如下圖2-3和圖2-4為并聯(lián)電容器芯子的絕緣結構和芯子整體結構示意圖：</p><p>　　圖2-3芯子絕緣結構</p><p>　　圖2-4芯子結構示意</p><p>　　（7）電容器中內放電電阻的計算</p><p>　　當電容器與電網(wǎng)斷開時電容器內部的電容心子與放電電阻就構成了無外施激勵電源的動態(tài)

74、零輸入響應，所以心子相當于電源對放電電阻放電，放電電阻上的電壓：</p><p><b>　　(2-28)</b></p><p>　　根據(jù)GB/T 11024.1-2003的要求電容器使剩余電壓在10min內自降至75V一下。</p><p><b>　　(2-29)</b></p><p>　　

75、式中為內放電電阻，M；</p><p>　　為容許剩余電壓，kV；</p><p>　　為從放電到的時間，s；</p><p>　　為電容器的電容，µF。</p><p>　　在設計電容器的放電電阻時，還必須考慮放電電阻的功率和耐受直流高壓。</p><p>　　放電電阻是耗能元件，在額定電壓下的消耗功率為；

76、在做耐久性試驗的負荷運行時消耗功率為；在做4.3倍額定電壓下的直流試驗時消耗的瞬時功率為。設計放電電阻時，其長期允許功率應按即2倍額定電壓下的功率考慮，瞬時功率應按即18.5倍額定電壓下的功率考慮[6]。</p><p>　　（8）內部熔絲的選擇</p><p>　　根據(jù)GB/T11024.2對內熔絲的要求有以下幾點：</p><p>　　承受要求：承受100倍元件

77、額定電流的涌流沖擊耐受電容器端部的短路放電試驗；</p><p>　　動作要求：當電容器元件在和電壓的范圍內發(fā)生擊穿損壞時就可靠動作，而且不會使鄰近完好元件的熔絲損壞超過1根；</p><p>　　隔離要求：動作后的熔絲斷口能耐受2.15倍10s工頻過電壓作用；</p><p>　　耐受短路放電能力：電容器必須能承受在運行電壓下由于外部故障所引起的短路放電。<

78、/p><p>　　內熔絲應該在元件擊穿的過程中，應該能獲得足以熔化的能量，即 (2-30)</p><p>　　式中為熔絲熔斷所需的能量，J；</p><p><b>　　為元件電容，µF；</b></p><p>　　為串聯(lián)段中的并聯(lián)元件數(shù)；</p><p>　　為元

79、件的額定電壓，kV；</p><p><b>　　為效率。</b></p><p>　　在GB11025中還規(guī)定當元件被充電到的直流電壓并向與其鄰近的擊穿元件發(fā)生短路放電時，與完好的充放電元件相串聯(lián)的熔絲應不發(fā)生熔斷，即這時熔絲所獲得的能量應小于熔絲熔化的能量，則</p><p><b>　　(2-31)</b></

80、p><p><b>　　式中為 效率</b></p><p>　　效率和與放電回路導線電阻、引線電感、擊穿點處的弧阻、極板電阻、熔絲結構和材料等有關，可通過試驗求得接近為1。</p><p>　　當熔絲的材料為銅時，熔絲熔化的能量</p><p>　　J (2-32)</p>

81、;<p>　　式中為熔絲的截面積，mm2；</p><p>　　為熔絲的長度，mm。</p><p>　　這樣純銅熔絲的尺寸可通過下列不等式來進行計算，從中選取合適的值，即</p><p><b>　　(2-33)</b></p><p>　　考慮到選用的、和截面積均有一定的分散性，所確定的值的正確與否最后

82、應通過試驗來進行驗證[7]。</p><p>　　2.4并聯(lián)電容器工藝 </p><p>　　電容器的工藝流程大致分為以下幾個步驟：</p><p>　?。?）元件卷繞：將薄膜、鋁箔按照一定技術參數(shù)卷制成型，電容器元件是整個電容器的最小電容單元。</p><p>　?。?）元件外包：使用絕緣件將元件包裝起來。作用是：電氣上隔離每一元件，并且給

83、內熔絲提供載體（對于有熔絲電容器）。步驟：包封---裝熔絲，將芯子用規(guī)定厚度的絕緣紙包裝起來，對于有熔絲的電容器在包裝絕緣紙的面表裝上熔絲。</p><p>　　（3）芯子壓裝：將一臺電容器的元件在物理位置上緊固在一起。</p><p>　　步驟：穿堅固帶---擺放墊片與元件----壓緊。將規(guī)定數(shù)量的芯體組合疊放起來在彼此間加上絕緣件，如絕緣紙或絕緣紙板，在整體上穿上堅固帶并對其整體進行按

84、規(guī)定壓緊系數(shù)進行壓緊，壓緊后需測量芯子高度，在合格范圍內將緊固帶扎緊。</p><p>　?。?）芯子焊接：將一臺電容器的元件、內熔絲、放電電阻在電氣上連接在一起。步驟如下：</p><p>　　a）材料準備，焊錫、連接片、放點電阻、絕緣件；</p><p>　　b）焊接組間連接片；</p><p>　　c）焊接引出連接片；</p>

85、;<p>　　d）焊接熔絲（熔絲焊接根據(jù)具體型號）；</p><p><b>　　e）焊接放電電阻。</b></p><p>　　因為現(xiàn)在電容器內部芯體是采用露箔式的也就是鋁箔露出一部分，打底就是將這些露出的鋁箔焊在一起，再在焊好的位置上的上面焊上銅皮使連接更加緊密 ，之后再把熔絲和放電電阻焊接上，最后清理焊渣。焊接是一個非常重要的步驟，熔絲焊接不良導致

86、電容器在作耐壓試驗或以后長期的工作中導致電容器的擊穿。</p><p>　?。?)芯子繞包：在芯體外面外包一定圈數(shù)的絕緣紙。外包絕緣紙的作用；一是起保護作用，二是起芯體對殼的主絕緣作用。步驟：根據(jù)芯子尺寸選擇合適的底板和壓板，用濕水膠帶粘好引出連接片襯墊和護板，根據(jù)事先計算好的圈數(shù)進行繞包作業(yè)，芯體底部處理。</p><p>　　（6）芯子裝箱：想繞好的芯子裝入箱中。</p>

87、<p><b>　　步驟：</b></p><p>　　a）根據(jù)技術要求選擇合適箱殼。</p><p>　　b）利用設備將芯體推入箱殼，推進過程避免絕緣紙損傷。</p><p>　　c）放入墊塊，利用銅管將瓷套線芯與連接片引線，完成后將箱蓋裝入箱。殼。</p><p>　　d）測量容量，合格后流入下道工序。&

88、lt;/p><p>　　注意：放入墊塊的作用是起到保證兩極之間的絕緣距離。</p><p>　?。?）箱蓋焊接：將箱殼本身和箱殼與箱蓋進行焊接?，F(xiàn)在焊接主要是以機器人焊接為主，有時候需要人工補焊。注意：仔細焊接要完整，焊后要進行檢查防止出現(xiàn)漏點。</p><p>　?。?）真空浸漬：將電容器放入真空室內進行抽真空處理，在抽真空的同時檢測室內的環(huán)境變化，當達到真空的條件是

89、穩(wěn)定一段時間進行注絕緣油，在注絕緣油的同時還要進行抽真空，依次達到電容器內部充分充滿絕緣油。隨后恢復大氣壓強，將電容器撤出真空室，進行下一步驟。</p><p>　?。?）熱烘試漏：將電容器進爐加溫、檢查是否有滲漏點主要是檢測在高溫下箱體膨脹是否有絕緣油漏出、冷卻出爐，在加熱的同時也能進行預老化試驗。</p><p>　?。?0）試驗檢測：對電容器進行試驗，按照國家標準主要有極間耐壓試驗、

90、極對殼耐壓試驗、電容測量、損耗測量、內部放電器件試驗、短路放電試驗、內熔絲放電試驗、局部放電試驗。</p><p>　?。?1）表面處理：表面處理主要是拋丸和噴漆處理。</p><p>　　拋丸：對試驗合格的產品外表面進行拋丸，提高表面附著力。</p><p><b>　　a）進行外觀檢查；</b></p><p>　　

91、b）給瓷套做好防護措施；</p><p>　　c）進行拋丸表面處理；</p><p>　　d）清理鋼丸，給瓷套套上塑料保護袋，準備進入噴漆工位。</p><p>　　噴漆：對電容器進行噴漆處理，使電容器表面均勻的布滿涂料噴涂結束后需檢查外觀，無流掛、無色差、毛刺、污漬等，噴漆有幾個好處，讓電容器美觀、使其耐腐蝕、對內部溫度有一定的控制作用表面的涂料有反射和吸收陽光的

92、作用，防止由于內部溫度過高使其產生鼓肚的現(xiàn)象。</p><p>　?。?2）打包入庫：安裝銘牌，進行整體包裝裝箱入庫。</p><p>　　2.5并聯(lián)電容器試驗</p><p>　　一、試驗的分類及目的</p><p><b>　?。?）出廠試驗 </b></p><p>　　目的：檢出制造過程中

93、存在的缺陷。如：材料缺陷、設備故障、工藝缺陷、操作失誤等。</p><p><b>　?。?）型式試驗</b></p><p>　　目的：驗證產品設計、生產工藝、材料選擇的符合性。</p><p><b>　?。?）驗收試驗</b></p><p>　　目的：完成與用戶的產品交接</p>

94、<p><b>　　二、試驗項目</b></p><p><b>　?。?）外觀檢查</b></p><p>　　目的：確認電容器標志、接地端子、套管、油漆、焊縫、外形尺寸、有無變形，有無滲漏油等。</p><p><b>　?。?）密封性檢查</b></p><p&

95、gt;　　目的：確認電容器有無滲、漏油。</p><p>　　方法：熱烘爐加熱，通體達到75～85℃，2小時以上無滲、漏油。</p><p><b>　?。?）極間耐壓試驗</b></p><p>　　目的：驗證極間絕緣性能，檢出制造缺陷和材料缺陷。</p><p>　　方法：AC2.15倍、DC4.3倍.歷時10s[8

96、]。</p><p>　　（4）極對殼耐壓試驗</p><p>　　目的：驗證對地絕緣性能。</p><p>　　方法：將兩端子連接在一起，在端子與外殼間施加AC-42kV,歷時1分鐘。</p><p><b>　　（5）電容測量</b></p><p>　　目的：檢測電容值是否在標準要求的偏差范

97、圍內。</p><p>　　方法：初測使用電容表，復測使用電橋，使用西林電橋，將待測電容與標準電容做比較。</p><p><b>　　（6）損耗測量</b></p><p>　　目的：檢測介損值是否在標準要求范圍內。</p><p><b>　　方法：西林電橋。</b></p>&l

98、t;p>　　圖2-5西林電橋結構</p><p>　?。?）內部放電器件試驗</p><p>　　目的：放電器件檢測，確保人員安全、產品安全。</p><p>　　方法：測電阻值，充2直流電壓、自放電5分鐘，測剩余電壓。</p><p><b>　?。?）短路放電試驗</b></p><p>

99、;　　目的：驗證內部聯(lián)接與絕緣。</p><p>　　方法：a）測定電容；</p><p>　　b）以直流電將電容器充電至2.5電壓，然后通過間隙放電，在30min放電5次；</p><p>　　c）進行1次端子間耐壓試驗；</p><p><b>　　d）復測電容。</b></p><p>　　

100、（9）內熔絲放電試驗</p><p>　　目的：驗證熔絲焊接質量和熔絲設計選材。</p><p>　　方法：a）測定電容；</p><p>　　b）以直流電將電容器充電至1.7電壓，然后通過間隙放電1次；</p><p>　　c）進行1次端子間耐壓試驗；</p><p><b>　　d）復測電容。</b

101、></p><p>　?。?0）內熔絲隔離試驗</p><p>　　目的：驗證產品設計、熔絲設計和熔絲選材</p><p>　　方法：a）機械穿刺；</p><p>　　b）上限電壓: DC ----是否有效斷開；</p><p>　　c）下限電壓: DC----是否引起群爆；</p><p&

102、gt;　　d）隔離后熔絲斷口需承受DC耐壓10秒----是否發(fā)重燃；</p><p><b>　　e）復測電容。</b></p><p>　?。?1）局部放電試驗</p><p>　　目的：驗證絕緣性能，考核材料、卷繞和組裝工藝、真空干燥、注油工藝、絕緣油凈化處理等。</p><p>　　分類：極間局放與極對殼局放。&l

103、t;/p><p>　　方法：脈沖電流法（電測法）</p><p>　　超聲波法 （聲測法）</p><p>　　型式試驗步驟：在常溫下加壓至局部放電起始后歷時1s，降壓1.35保持10min,然后升壓至1.6保持10min，此時，應無明顯局放。</p><p>　　對于嚴寒地區(qū)就根據(jù)溫度類別下限值，電容器在溫度類別下限時局放熄滅電壓應不低于1.

104、2倍。</p><p>　　出廠試驗步驟：加壓至2.15保持1s，將電壓降到1.2并保持1min，然后再將電壓升至1.5保持1min在后1min內不應觀察到局放水平增加[9]。</p><p><b>　?。?2）熱穩(wěn)定試驗</b></p><p>　　目的：驗證產品設計、材料選擇、工藝控制的重要指標，進一步確認產品的損耗和散熱性能。</

105、p><p>　　方法：所加電壓使電容器的,并保持恒定。電容器周圍的冷卻空氣溫度為環(huán)境類別溫度加5℃（戶內式）或加10 ℃（戶外式）,持續(xù)48小時。并保持熱平衡。（最后6小時內溫升變化不大于1K）</p><p>　　考核：1）芯子溫度不高于75 ℃ （十二烷基苯）或不高于80 ℃（其他浸漬劑）；</p><p>　　2）高溫略低于常溫下；</p><

106、p>　　3）外殼溫升小于15K；</p><p>　　4）電容變化仍在偏差范圍內。</p><p><b>　　（13）耐爆試驗</b></p><p>　　目的：檢測電容器外殼的耐受爆破能量。</p><p>　　方法：a）預置故障為電容器內部元件全部或部分擊穿短路（機械擊穿、電擊穿、金屬短接）；</p&g

107、t;<p>　　b）采用直流高壓集中儲能、脈沖放電引爆方式進行；</p><p>　　c）用雙線示波器實測注入故障電容器內部引起爆破的能量；</p><p>　　d）電容器所能承受的爆破能量應不小于：</p><p>　　膜紙復合介質 10kW.s； </p><p>　　全膜介質 15kW.s。&

108、lt;/p><p>　　電容器外殼不得爆裂及漏油，不得明顯變形。</p><p><b>　?。?4）耐久性試驗</b></p><p>　　目的：壽命試驗，驗證設計、工藝、材料。</p><p>　　1）過電壓周期的試驗方法：</p><p>　　a）將試驗單元置于不高于溫度類別下限的，具有強迫空氣

109、循環(huán)的冷卻箱中，放置至少12小時；</p><p>　　b）然后將試驗單元取出置于+15～+35℃的靜止空氣中，在取出后5min內，施加1.1。加壓后5min內，再放加2.25的過電壓持續(xù)15個周波電壓不中斷。此后再保持1.1不中斷。在1.1下，間隔1.5～2min施加另外一次相同的過電壓，施加程序同上。</p><p>　　c）單元每天應受到總數(shù)為130～170次過電壓周期，每次15周波

110、。</p><p>　　d）再將單元于不通電狀態(tài)，在冷卻箱中放置至少12小時，再繼續(xù)試驗，每天如此，直到單元受到總數(shù)為850次的15個周波為止。在完成試驗的兩天內應在相同溫度（+60～75 ℃）、相同電壓（）、相同頻率下復測電容與介損。</p><p><b>　　2）老化試驗方法：</b></p><p>　　a）介質溫度至少等于兩溫度中的較

111、高值：60 ℃或24小時平均最高溫度+溫升；</p><p>　　b）在試驗期間，應將試驗單元放置在一個環(huán)境溫度可調，使介質能達到所要求的溫度的烘箱中，環(huán)境溫度應保持恒定，誤差為-2～+5 ℃；</p><p>　　c）施加電壓前，應將試品在上述環(huán)境中穩(wěn)定12h；</p><p>　　d）試驗時間取決于電壓：</p><p>　　1.25

112、 3000h</p><p>　　1.40 1000h</p><p>　　在完成試驗的兩天內應在相同溫度（+60～75 ℃）、相同電壓（）、相同頻率下復測電容與介損。</p><p>　　（15）套管受力試驗</p><p>　　目的：檢查套管的機械強度。</p><p>　　方法：1）在瓷套頂部加與瓷套垂直的靜

113、止拉力1min，重復5次；</p><p>　　2）在瓷套頂部導電桿加扭力矩。引出端子的套管及導電桿的機械強度； </p><p>　　a）200kvar以下的電容器套管應能承受400N水平拉力；</p><p>　　b）200kvar～1000kvar的電容器套管應能承受500N水平拉力；</p><p>　　c）1000kvar以上的

114、電容器套管應能承受900N水平拉力；</p><p>　　d）電容器的導電桿能承受的扭矩應符合下表數(shù)據(jù)。</p><p>　　表2-7容器的導電桿能承受的扭矩</p><p>　　（16）與溫度的關系曲線</p><p>　　目的：檢查不同溫度下介損變化的規(guī)律，符不符合要求。</p><p>　　方法：西林電橋，在20

115、～80℃范圍內測量五個點。</p><p><b>　　考核要求：</b></p><p>　　a）測量值要求在標準規(guī)定的范圍內：對于全膜介質，有放電電阻，有內熔絲的電容器，要求≤0.05%；</p><p>　　b）各點值相差不大于±30%；</p><p>　　c）80 ℃時的值應該小于20 ℃的值。<

116、;/p><p><b>　　2.6本章小結</b></p><p>　　本章主要介紹了高壓并聯(lián)電容器的用途，在結構設計前對電介質材料進行了比較與合理的選擇，對額定電壓kV，額定容量為334kvar的并聯(lián)電容器，在滿足國家標準的情況下進行理論分析計算與結構設計，并從中確定最佳方案，對其生產工藝流程、型式試驗、出廠試驗和驗收試驗進行了詳細的介紹。</p><

117、;p>　　第3章 元件內部電場分析</p><p>　　高壓并聯(lián)電力電容器是運行于內部場強高達50kV/mm～60kV/mm的電力設備，其固體電介質擊穿場強受元件內部電場的分布有直接關系。所以要對元件內部電場在不同情況下的分布情況進行分析從而找到解決問題的方法。本章對電容器元件內部電場在極板邊緣未處理和處理后、以及元件內部含缺陷（如極板褶皺、極板間有氣泡、極板間含金屬雜質和介質雜質等）的情況下的電場進行分析

118、。</p><p><b>　　3.1電場計算方法</b></p><p>　　在高壓電容器的現(xiàn)代設計和分析中，以電場數(shù)值計算為基礎的絕緣設計是最基本的研究問題之一，電場數(shù)值計算對于電力電容器內部結構優(yōu)化設計以及改善電容器絕緣特性有著重要作用[10]。借助于電場的數(shù)值計算和分析，得出電容器內部電場的分布情況，利用分析結果指導絕緣設計和結構設計，提高絕緣強度，改善內部電

119、場分布，進而得到電容器元件的最佳設計方案[11]。</p><p><b>　　3.1.1有限元法</b></p><p>　　有限元法是以變分原理和剖分插值為基礎的一種數(shù)值計算方法，與有限差分法求解邊值問題的處理方法有所類似。它首先利用變分原理把所要求解的邊值問題轉化為相應的變分問題，也就是所謂泛函的極值問題，然后利用剖分插值將變分問題離散化為普通多元函數(shù)的極值問題

120、，最終歸結為一組多元的代數(shù)方程組，解之即得待求邊值問題的數(shù)值解。</p><p>　　電場數(shù)值計算方法有限元法首先將場的方程等價為1個條件變分問題，然后由條件變分問題離散為代數(shù)方程組。其基本思想是:將連續(xù)的結構離散成有限個單元，并在每1個單元中設定有限個節(jié)點，將連續(xù)體看作是只在節(jié)點處相連續(xù)的1組單元的集合體，同時選定場函數(shù)的節(jié)點值作為基本未知量，并在第1單元中假設1插值函數(shù)以表小單元中場函數(shù)的分布規(guī)律，從而將1個

121、連續(xù)場轉化為1個離散場。有限元法能很好地適應區(qū)域邊界線和內部媒質分界線形狀不規(guī)則的情況，以及場的分布變化較大的情況，從而能在計算工作量不太大的情況下較好地保證求解精度，因而得到廣泛應用。</p><p>　　有限元法電場數(shù)值計算的步驟：</p><p>　　1)列出偏微分方程邊值問題等價的條件變分問題；</p><p>　　2)將區(qū)域作單元剖分，并在單元中構造出插值

122、函數(shù)；</p><p>　　3)將能量泛函的極值問題轉化為能量函數(shù)的極值問題，建立線性方程組，并按邊界條件進行修改；</p><p>　　4)求解線性代數(shù)方程組[12]。</p><p>　　3.1.2電場的計算模型</p><p>　　根據(jù)第二章的設計型號為BAM-334-1W的高壓并聯(lián)電容器產品為計算實例數(shù)值計算，對元件內部電場進計算，元

123、件結構如圖：</p><p>　　圖3-1元件結構示意圖</p><p>　　在第二章已經對電容器極板間的距離進行了計算，當K=1的時候算的極板間的距離為27µm也就是3層薄膜的厚度為27µm，每層薄膜為9µm，而電容器在工作的時候是K=0.8，所以極板間的距µm，因此液體介質的厚度為6.75µm。由于極板和薄膜為微米的數(shù)量級為了便于數(shù)學模

124、型的建立設定極板間的液體介質均勻的分布在薄膜兩側厚度為3.375µm，鋁箔的厚度為7µm。根據(jù)設計所得元件為4串所以對應的每一個串聯(lián)段的電壓為約為1588V。對于元件內部的鋁箔有折邊和不折邊2種，圖3-1所式的為有折邊元件即在元件內部的鋁箔向內折起5mm，能使內部鋁箔邊緣平滑防止邊緣電場由于元件內部鋁箔邊緣不規(guī)整造成的電場分布不均勻。</p><p>　　采用有限元法對電容器元件進行電場數(shù)值計

125、算，在整個的計算區(qū)域中，滿足拉普拉斯方程，計算區(qū)域邊界分別滿足1類齊次和2類邊界條件，具體如圖3-2。其數(shù)學模型如下公式所示： </p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　　圖3-2邊界條件</b></p><p>　　根據(jù)元件內部有折邊和不折邊兩種，我們進行兩種內部結構的元件內部電場的分析