摘 要：本文通过对市场的分析，提出了对充气集合式高压并联电容器的研究，并对开发的产品的特点进行了介绍。
关键词：充气集合式 高压并联电容器 研究 开发
1 前言
随着我国经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，电力需要量不断增长，安全环保问题日益倍受关注，迫切需要难燃防爆、不污染环境的输配电设备。我国城乡电网建设和改造的明确指导思想是向少油化、无油化发展。无油化产品日益受到电力部门的欢迎，需求量不断增长。随着电力技术的不断进步，新技术发展日新月异，新产品开发层出不穷。目前无油化干式绝缘的组合电器、互感器、变压器、电抗器、断路器已越来越广泛的使用，但缺乏价廉质美的干式无油的高电压电容器，现在高压并联补偿成套装置中，其它配套设备都可容易的实现无油化，唯有高压并联电容器由于其工作介质的特殊性，实现产品无油化，困难很大。目前干式无油化的高压电容器只有少量产品在运行，其技术并未十分成熟，产品性能并不十分稳定，而且造价较高，难以大量推广使用。因此少油化难燃防爆的充气集合式并联电容器应运而生。传统的充油集合式高压并联电容器由于其接线简单，安装使用维护方便，占地面积少，很受用户欢迎，但由于其装有大量的绝缘油，不符合电力系统无油化的趋势。新型的充气集合式高压并联电容器是在已大量生产并有十几年制造及运行经验的充油式集合式电容器的基础上发展起来的，以不燃的绝缘气体代替大量的绝缘油，使原有产品的优点得以保留发挥，又符合安全环保少油化的观念。充气集合式高压并联电容器产品的研制成功和推广使用，满足了市场的要求，受到用户的十分青睐。 请登陆:输配电设备网 浏览更多信息
2 充气集合式高压并联电容器的研究
传统充油式的集合式并联电容器，由于在大箱壳和单元电容器之间充有几百千克至几千千克的大量可燃性绝缘油（变压器油或烷基苯油），产品存在着易渗漏油，故障条件下易燃易爆，污染环境，重量大等缺陷。以不燃性绝缘气体代替上述的绝缘油，可以克服其缺点。但绝缘气体与绝缘油相比，在一般条件下其绝缘性能和散热性能都比绝缘油差，而且气体更不易密封。因此，如何选择合适的绝缘气体，尽量降低产品的发热量，解决散热、绝缘、密封等问题，是开发该产品的主要研究内容，其中散热问题是研究的重点和难点。
2．1 散热
SF6气体是热的不良导体，其散热性能比绝缘油差得多。如果只是简单地将充油的集合式电容器的油更换为气体，势必造成电容器单元温升过高，性能劣化造成热击穿损坏。因此，解决充气集合式电容器的热稳定、热击穿问题，尽量降低单元电容器的温升以保持其良好的运行状态是本项目研究的重点，也是难点所在。对于全膜电容器，其内部最热点的温度应不大于80℃，而且为减轻其他方面的降低温升的难度，单元最热点与单元外壳间的温升应控制在6℃以下。
为了确保电容器单元内部的运行温度不超过允许值，必须严格控制单元的损耗。工厂标准为tanδ不大于3×10－4。实践证明，企业现有的技术水平能够达到。一般情况下单元的介损正切值tanδ不超过2×10－4。
另外，在箱体外壳上增加一定数量的加强筋，尽量增大大外壳的散热面积，以减少大外壳对环境空气的温升。
如何尽量降低电容器单元的外壳至大箱体之间的温升是我们研究的重点内容。为此我们作了大量的研究工作。首先精心安排电容器单元在大箱体的结构布置，使结线简单绝缘可靠，又使热流顺畅，不出现局部过热，以便电容器单元的热能在不增加附加的强制散热措施的条件下，通过传导、对流辐射的方式有效的传输至大箱壳。为了确保电容器单元不会因为散热不佳而性能劣化，我们经过研究，采取更为有效的强制散热措施，将航空航天领域上采用的热管散热技术应用到本产品中，在电容器单元外壳与大箱体外壳间装设热管散热装置，这是我们本项目研究所取得的有效实用的成果。热管的工作原理（见图1）如下，热管的吸热段吸收热能传给热管内的工质，工质由于在一定的环境条件下的特殊性，吸收热量由液相变为气相，气相的工质在热管内在压差动力的作用下，通过传输段到达冷却散热段，由于冷却段的温度较低，工质由气相变为液相放出热能。热管传热的热阻小，传输功率大，能实现远距离变方向供热，而且启动快，传输速度良好，散热效果显著。通常的热管体内是较高的负压，我们为了保证热管的使用寿命，采用常压下的热管，即工质在常压（0．1MPa）状态下，当温度达到其汽化温度时，即可汽化，并能正常回凝，散发热量。
为了检验热管的散热效果，我们对试品在装有热管和不装热管的情况下进行了很多对比研究试验，以便确定热管的最佳结构。表1是试品
的热稳定性试验数据。试验方法按标准JB7112－2000，试验电压为1．2倍额定电压。
研制充气集合式电容器的关键是解决温升问题，我们认为采用热管散热是很有效的解决办法。我们从热管的原理、各种影响散热传热的因素、加工制造工艺以及热管散热器的安装使用等各个方面，都进行了广泛深入艰难的探索研究试验，克服各种困难，终于取得了突破，研制出适合本产品，性能优良，安装方便的内装热管散热装置，使困扰已久的温升问题迎刃而解。产品的型式试验证明，温升符合要求，而且还有一定的裕度，保证电容器单元不会因散热不佳而导致热损坏，确保其安全运行，从而达到防爆防燃要求。只有温升问题合理的解决了，充气集合式电容器才能发挥其应有的优点。内装热管散热装置的成功使用，使产品的安全运行有了可靠的保证。
2．2 绝缘
绝缘气体在充气集合式高压并联电容器中，承担着大箱壳内电容器单元的外绝缘以及电容器单元与箱壳间的绝缘和散热作用。六氟化硫（SF6）气体是一种理化性能十分稳定，绝缘和灭弧性能优良的气体，发现于1900年。二十世纪三十年代后开始工业化生产。由于它具有优良的理化特性和绝缘灭弧性能，二十世纪四十年代开始应用于电力设备。目前SF6气体及其混合气体已广泛使用于断路器、互感器、GIS等电力设备中。毫无疑问SF6气体或其混合气体是充气集合式电容器自然而然的理想选择。问题是气体的压力范围以及SF6气体与各混合气体的比例如何选择还须认真研究确定。
10kV及35 kV电压等级的集合式电容器的绝缘水平分别为75／42（kV）和95／200（kV）。由于充气集合式并联电容器的绝缘气体只承担大箱壳内各高压带电体的外绝缘，而且结构布置上容易加大绝缘距离而增加成本较少，为使产品运行可靠，我们经过充分研究试验，选择合适的绝缘结构和绝缘距离，使产品在0表压的空气状态下，产品能通过所有电气性能的型式试验。综合考虑密封的方便性、箱壳机械强度等因素，我们经过试验研究，选择0．001～0．06MPa（本文均指表压）的气体压力范围，较满意地满足各方面的要求，而没有像SF6断路器及GIS那样，使用较高气压。考虑到集合式电容器的制造习惯，高气压对充气集合式电容器带来的好处并不大，却使产品制造和运行维护复杂化，为使运行方便，本产品不考虑配备复杂的自动补气系统。
为使产品在运行时箱体内部不受外界潮气的浸入，箱体内应维持正压力。由于我厂有多年SF6标准电容器及近年来充气式CVT等产品的气体密封制造经验，对充气集合式电容器在0．065 MPa压力下，年气体泄漏率0．5％是可以实现的，因此额定气压（20℃）的确定原则是按年漏气率0．5％计算出20年后，在环境温度的下限，产品未投入运行时箱壳内的表压应不小于0．001MPa，以此可计算出额定气压为0．032MPa，同样根据产品的环境温度上限值以及产品运行时的温度，可算出箱体内的正常压力上限值为0．06MPa。
实际上，由于有工艺条件保证，产品出厂试验时的气体年泄漏率都在0．03％以下。因此正常运行条件下，产品在30年寿命期间是不需要补气的。SF6气体虽然有优良的电气性能，但其价格还稍贵，且对电场的不均匀度比较敏感。而集合式电容器考虑到制造上的方便性，虽然采取了部分措施，但电场的均匀度还不是十分理想。而采用SF6和廉价N2的混合，只要比例合适，即可以节约成本，又可以降低纯SF6气体在电气性能方面对电场不均匀度的敏感性，保证较好的电气强度，而不必要花大力气改善电场的不均匀度。
目前，国内外都逐渐用SF6混合气体代替纯SF6气体。普遍使用的N2／SF6比例为50％／50％或60％／40％。我们经过研究实验，采用合适的SF6与N2的体积比，收到良好的效果。
前已述及，为了密封方便和增加可靠性，以“0”表压空气状态作为引线绝缘强度的设计依据。充气集合式电容器箱壳内各导体（除单元本身的内部绝缘外）的绝缘，由于采用合理的绝缘布置结构和采用绝缘护套等特别措施，我们能够做到“0”表压的空气状态下，产品能满足型式试验的要求，因而充以SF6气体或混合气体，就可提供更大的绝缘裕度，而且由于密封性能良好箱体内不会出现负压。以SF6气体代替绝缘油，从这方面电气绝缘强度来说，充气集合式产品的绝缘裕度比油绝缘更大。而且结构布置上各相单独布置，各相引线不交叉，相间距离较大，不会由于相间距离不足而导致相间击穿。对于电容器单元内部的电气强度，我们选择较低的合理的介质工作强度，而且每只小元件均装有可靠的内部熔丝保护。这些措施使产品成为高可靠性、长使用寿命的电气设备。
2．3 密封
说起气体，许多人就担心气体密封比油密封更难，几十年了，油的密封问题没有彻底解决，气体就更不用说了。对这种常见的故障，我们必须高度重视，着力研究解决。气体CT、PT、GIS等产品已有几十年的使用历史。我厂生产的SF6气体的标准电容器已经使用三十多年了，近年来充气式CVT、GIS用CVT的研究也取得了突破性的进展，工厂有丰富成熟的技术和制造经验。相对其他高气压的电气产品来说，充气集合式电容器的气压较低（0～0．065MPa），又无操作机构的动密封。本产品的密封面较少，只有套管必须采用橡胶垫进行机械联接式密封外，其他均可采用焊接密封。虽然如此，但我们还是对此进行重点研究。首先是采用特殊形状的能耐SF6气体和紫外线辐射的密封性能优良的密封材料，采用特殊的密封结构，严格控制压缩比，箱壁焊接采用双面焊，应用先进的焊接技术确保焊接牢固密封。此外，工艺过程采用先进有效的多种试漏工序，检漏的仪表仪器先进可靠。实践证明，所采用的方法手段是可行的，产品出厂试验时SF6气体检漏仪的读数接近于0。
2．4 特别保护措施
我们对充气集合式电容器进行了专门的保护研究。在产品上安装了特别订购的可靠性高动作灵敏的电接点压力表。在箱体内的气体压力达到上限压力和下限压力时，接点闭合动作于跳闸，使电容器既能保证正常运行又在故障时快速撤出运行，以免事故扩大。
3 产品性能
3．1 产品的主要性能指标
3.1.1 电容偏差
电容器的实测电容与其额定值间的偏差不超过0％～＋5％。任意两相电容之比不大于1．01；
3．1．2 损耗角正切值tanδ
电容器在额定电压、额定频率下，20℃时的损耗角正切值tanδ不大于3×10－4。
3．1．3 电介质电气强度
电容器两个端子间的电介质能承受下列试验电压之一，历时10s。
a）工频交流电压：2．15Un
b）直流电压：4．30Un
3．1．4 绝缘水平
电容器的相间及对壳绝缘水平均为42／75kV。
3．1．5 温升
电容器在允许的温度范围内，在1．20Un的工频交流电压下，单元内部最热点的温度不超过75℃。
3．1．6 气压
电容器的额定气压20℃时为0．032MPa，允许的气压范围为0～0．06MPa。
3．1．7 零表压性能
电容器的所有电气试验均在内部气压为0的表压下完成。
3．1．8 年泄漏率
年漏气率≤0．5％，二十年不需补气。 来源:http://www.tede.cn
3．1．9 其它性能指标
其它性能指标符合GB／T11024．1～GB／T11024．4、JB7112、DL／T628的要求。
3．2 产品的试验
从这段时间我厂生产制造的充气集合式高压并联电容器的产品出厂试验和型式试验情况来看，各项机械及电气性能均良好，满足有关标准的要求，运行正常。
表2是我厂充气集合式并联电容器主要项目的试验结果。
主要项目的试验结果。
4 产品特点
桂林电力电容器总厂研究开发成功的充气集合式高压并联电容器是在原传统充油集合式电容器的基础上经多方试验研究发展而来，它具有传统集合式电容器的优点，并克服了充油集合式电容器的缺点。产品具有以下特点：
4．1 难燃、防爆、环保
用不燃气体SF6或SF6和N2的混合气体替代箱体内的绝缘油，从根本上杜绝渗漏油。更重要的是杜绝了爆炸着火的可能性，确保变电站的安全，而且由于有充满不燃阻燃气体的气室做贮油室，即使单元爆开亦无漏油着火之危险。SF6气体与变压器油相比，属于绿色环保材料，不污染环境。
4．2 损耗小、温升低
内部单元发热量小。同时采用ZL01 212594．6号专利技术，将用于航空航天领域的热管散热技术用于电容器，内装散热器，可将单元产生的热量有效地导至产品箱壳上，从而改善单元散热条件，降低产品内部温升。
4．3 重量轻
由于以气代油，产品的重量大幅度下降、安装更加方便。
4．4 寿命长、适用范围广
在设计上增加绝缘裕度，在工艺上采用GE技术，使产品局放水平高，寿命长。电容器的应用范围广，可在户内、户外或环境恶劣场合使用，寿命保证20年。
4．5 密封性好
确保20年不需补气。
4．6 性能优异、成熟的制造和运行经验、可靠性高
电容器性能达到或优于GB／T11024、JB7112和DL／T628的要求。集合式产品性能经十多年运行考验，并有数十年使用气体绝缘的经验，产品性能可靠。
4．7 产品成本低
与自愈式高压电容器相比，成本低得多，价格上很有优势。
4．8 运行维护简单
产品绝缘裕度大，密封性好。电接点压力表在下限和上限压力下自动报警或跳闸。而充油集合式电容器需要油样测试，定期更换吸湿器内的干燥剂和清理油迹，而充气电容器却无此必要。
4．9 外表美观
与传统的充油集合式电容器相比，缺少油枕、吸湿器、油标、放油阀、油样阀门、压力释放阀等附件，外观显得简洁清秀，且由于不充油，外表无油迹污染，更显洁净光亮。加上我厂设计造型考究，外壳表面采用喷沙喷锌的新防腐工艺，防腐性能更加优良，外表更加美观。
