放電燈線路用補(bǔ)償電容器的設(shè)計(jì)

廈門法拉電子股份有限公司　向艷雄

放電燈線路用補(bǔ)償電容器的設(shè)計(jì)

廈門法拉電子股份有限公司向艷雄

本文介紹了一款應(yīng)用于放電燈線路中作為功率因素補(bǔ)償?shù)慕饘倩郾┍∧る娙萜鞯脑O(shè)計(jì)思路及關(guān)鍵工藝的控制要點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用工況對電容器的性能進(jìn)行了說明。該型號電容器的最高工作溫度可達(dá)110℃，預(yù)期使用壽命5萬小時，達(dá)到同類產(chǎn)品的2倍。

放電燈（Discharge Lamp）；高溫（High Temperature）；薄膜電容器（Film Capacitor）

1　概述

氣體放電燈是利用電壓使氣體、金屬蒸氣或幾種混合氣體與金屬蒸氣的混合氣體電離，造成電子、原子、離子互相碰撞激化而發(fā)光的照明燈具。氣體放電燈的使用壽命長、光效高、光通維特率高，且不同類型的放電燈也有各自獨(dú)有的特點(diǎn)，如鈉燈的穿透性強(qiáng)、金屬鹵化物等的顯色性好、高壓汞燈的成本相對較低等。隨著城市化的發(fā)展，氣體放電燈已廣泛用在室內(nèi)照明、各大工業(yè)廠房、體育場館、道路、廣場、戶外作業(yè)場等場所，其中熒光燈、高壓汞燈、鈉燈和金屬鹵化物燈是應(yīng)用最多的照明用氣體放電燈。

氣體放電燈光源的功率因數(shù)只能達(dá)到0.4～0.6，部分型號的光源甚至只能達(dá)到0.3，造成了大量的電能消耗，同時也給供配電系統(tǒng)帶來了嚴(yán)重的負(fù)擔(dān)。因此，在“九五”期間，國家實(shí)施“中國綠色照明工程”示范工程。在“十五”期間，國家進(jìn)一步實(shí)施“中國綠色照明工程促進(jìn)項(xiàng)目”。同時，在2004年，國家發(fā)布了《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50034-2004），第7.2.10條明確要求“供給氣體放電燈的配電線路宜在線路或燈具內(nèi)設(shè)置電容補(bǔ)償，功率因數(shù)不應(yīng)低于0.9”。

在此背景下，各廠家陸續(xù)推出了配套的補(bǔ)償電容器型號，但使用溫度都不超過85℃。同時，隨著技術(shù)的發(fā)展和成本的壓力，放電燈燈具開始向緊湊化、密封化發(fā)展，造成燈具腔內(nèi)溫度高達(dá)100℃以上，對補(bǔ)償電容器的應(yīng)用溫度也隨之提高。

本文要介紹的電容器的最高工作溫度可達(dá)110℃，可靠性高，性價比好，運(yùn)行壽命長。該型號電容器已經(jīng)通過了CQC、UL認(rèn)證以及美國MEOST/HALT測試，預(yù)期使用壽命超過5萬小時，而一般的放電燈線路用補(bǔ)償電容器的壽命僅約2.5萬小時。

2　電容器的設(shè)計(jì)思路

2.1采用耐高溫的原材料

該型號電容器產(chǎn)品的使用溫度達(dá)到105℃，遠(yuǎn)高于常見的70℃或85℃。由于使用溫度是電容器產(chǎn)品的一個關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，它將直接影響該溫度下電容器產(chǎn)品的電性能和使用壽命，所以采用的原材料必須耐高溫，才能保證產(chǎn)品的正常使用。

影響電容器高溫使用的主要原材料有介質(zhì)材料、芯棒、灌封材料、電子線、放電電阻和塑料外殼。在選材時應(yīng)分別滿足以下要求：

介質(zhì)材料：普通的聚丙烯薄膜的耐溫等級偏低，在高溫使用時，電性能穩(wěn)定性差，不能滿足110℃下的長期使用，在選材時必須選用結(jié)晶度高，高溫性能更好的高溫聚丙烯膜［1］。

芯棒：常用的材質(zhì)有PP和PC兩種，PP價格較低，但在高溫和電容器芯子繞組的擠壓下會變形，影響電容器使用穩(wěn)定，因此要使用高溫穩(wěn)定性好的PC材質(zhì)。

灌封材料：常用的灌封樹脂有常溫固化型和高溫固化型，分別對應(yīng)不同的使用溫度，在選材時應(yīng)使用高溫固化型。

電子線：常用的PVC電子線上限使用溫度只能達(dá)到105℃，應(yīng)使用耐溫等級更高的電子線，如市場上常見的耐高溫XLPE電子線等。

放電電阻：可以選擇在長期高溫下穩(wěn)定使用的常用電阻有金屬氧化膜或高壓玻璃釉電阻。

塑料外殼：外殼材質(zhì)應(yīng)棄用PP材質(zhì)，選擇常用的PBT或PPS材質(zhì)。

2.2采用合理的場強(qiáng)設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)室能模擬到的影響電容器使用壽命的主要因素是作用在介質(zhì)上的電場強(qiáng)度和介質(zhì)的運(yùn)行溫度。在論文［2］中引用了文獻(xiàn)［3］中給出的電容器壽命估算的經(jīng)驗(yàn)公式：

TN、EN、θN——電容器的額定壽命、額定場強(qiáng)、額定運(yùn)行狀態(tài)下的介質(zhì)溫度；

TS、ES、θS——電容器的加速壽命試驗(yàn)時間、試驗(yàn)場強(qiáng)、介質(zhì)溫度；

α——加速系數(shù)，為常數(shù)。

假定TN、TS分別為電容器在85℃和110℃下的壽命，令TN=TS，則利用式（1）可以得到在105℃下電容器的設(shè)計(jì)場強(qiáng)與85℃下設(shè)計(jì)場強(qiáng)的比例關(guān)系，即：

ES=EN×θN/θS= EN×85/110=0.77EN

也就是說，與85℃下的額定設(shè)計(jì)場強(qiáng)相比，如要保證電容器的預(yù)期額定壽命不變，在85℃下的設(shè)計(jì)場強(qiáng)要降低20%左右。

2.3采用邊緣加厚的金屬邊波浪切技術(shù)

在實(shí)際工況中，電容器芯子的端面除了通過基波電流，還存在較多的諧波電流，甚至幅值很高的沖擊電流，造成電容器芯子的端面發(fā)熱嚴(yán)重，再加上110℃的運(yùn)行溫度，電容器芯子端面處的介質(zhì)可能會逐漸產(chǎn)生熱收縮，造成芯子端面與噴金層之間的接觸變差，最終因?yàn)槎嗣娼佑|不良造成拉弧失效。如圖1所示，就是采用普遍分切的金屬化膜制成的電容器樣品在壽命驗(yàn)證試驗(yàn)過程中，發(fā)生的一起端面拉弧失效案列（除端面拉弧外，金屬化膜膜面無其它不良）。

為了解決該問題，本次設(shè)計(jì)采用了我司的“一種用于制作薄膜電容器的金屬化膜”的實(shí)用新型專利技術(shù)［4］，在金屬化膜的金屬邊采用波浪分切技術(shù)，如圖2所示。

圖1　端面拉弧現(xiàn)象

圖2　金屬邊波浪切示意圖

2.4尺寸設(shè)計(jì)時要確保芯子周圍留出合理的灌封空間

電容器的實(shí)際應(yīng)用中，除了高溫，也可能出現(xiàn)高濕的工況，如早晚溫差較大時，可能出現(xiàn)潮氣依附在電容器表面。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，確保電容器周圍留出合適的灌封空間，用來填充灌封材料，確保電容器具有足夠的防潮能力并隔絕空氣，保證電容器能長期穩(wěn)定運(yùn)行。

3　關(guān)鍵工藝的控制要點(diǎn)

3.1卷繞

卷繞張力、壓力的設(shè)計(jì)要合理，既不能過松造成膜層間氣息過多，也不能過緊給薄膜介質(zhì)帶來過多的擠壓。卷繞應(yīng)在潔凈度較高的環(huán)境中進(jìn)行，卷繞機(jī)臺應(yīng)定期保養(yǎng)和維護(hù)，避免粉塵卷入金屬化膜層之間給產(chǎn)品帶來性能隱患，埋下性能隱患。在制作過程中，卷繞張力、壓力應(yīng)均勻一致，避免膜層跑偏造成端面不平。

3.2噴金

噴金工藝采用電噴的方式，分多遍進(jìn)行噴涂：第一遍的噴金顆粒度應(yīng)適當(dāng)細(xì)一點(diǎn)，以保證噴金材料與電容器芯子端面充分接觸；最后一遍應(yīng)適當(dāng)噴粗一些，以提高后道焊接工序中焊錫在噴金面上的浸潤面積，提高焊接強(qiáng)度。噴槍到電容器芯子端面的距離要設(shè)計(jì)合理，以保證噴金接觸良好，但噴涂過程中的高溫又不會灼傷芯子端面，具體的噴槍高度應(yīng)與具體的噴金參數(shù)相結(jié)合。另外，噴金設(shè)備要配有防止反射污染的機(jī)構(gòu)，避免噴金接觸不良造成電容器損耗過大，甚至出現(xiàn)端面熱擊穿失效。

3.3熱處理

熱處理工藝的目的是利用加熱過程中聚丙烯膜的熱收縮，把殘留在膜層間的空氣擠出，同時蒸發(fā)掉依附在芯子內(nèi)部的潮氣，消除應(yīng)力，提高電容器性能的穩(wěn)定性。因此，需要采用階梯熱處理的方式，避免芯子內(nèi)外收縮不均勻，盡量保證整個芯子的一致性。熱處理工藝參數(shù)設(shè)定如圖3所示。

圖3　熱處理工藝參數(shù)

3.4灌封

灌封的目的是為了將電容器芯子密封好，以隔絕空氣和潮氣，確保電容器電性能穩(wěn)定。在實(shí)際灌封時，灌封設(shè)備需要設(shè)定好主劑與固化劑的配比與出膠量，避免灌封樹脂固化不良或固化好包裹大量的空氣氣孔。

4　產(chǎn)品驗(yàn)證

4.1標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)

按照燈具電容器的國家標(biāo)準(zhǔn)GB 18489和GB/T 18504的型式試驗(yàn)條款，該型號產(chǎn)品完全能滿足要求。該型號產(chǎn)品通過了UL認(rèn)證，并根據(jù)市場需求進(jìn)行并通過了部分電壓系列的CQC認(rèn)證。其中，作為電容器關(guān)鍵性能技術(shù)指標(biāo)的高溫耐久性試驗(yàn)的數(shù)據(jù)如表1所示。

樣品規(guī)格：400Vac-24uF

試驗(yàn)條件：1.25Un（500Vac），110℃

試驗(yàn)時間：4000小時

表1　400Vac-24uF耐久性數(shù)據(jù)

從表1可以看到，在經(jīng)過4000小時的試驗(yàn)后，產(chǎn)品的容量變化和損耗變化都很小，數(shù)據(jù)優(yōu)良，性能穩(wěn)定，完全可以支撐5萬小時的預(yù)期使用壽命。

4.2MEOST/HALT測試

MEOST/HALT試驗(yàn)是由美國軍方所延伸出的設(shè)計(jì)質(zhì)量驗(yàn)證與制造質(zhì)量驗(yàn)證的試驗(yàn)方法，現(xiàn)已成為美國電子業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品驗(yàn)證方法。由于北美市場是該型號電容器的主要市場之一，由我司提供400Vac-24uF的樣品，客戶委托美國第三方試驗(yàn)室進(jìn)行并通過了該試驗(yàn)。如圖4所示，針對同樣的試驗(yàn)樣品，該試驗(yàn)同時加載多種應(yīng)力條件，具體包含：

電壓（0-330Vac）；

高低溫沖擊（-60℃-120℃）；

振動（加速度從0-60g，1g為1個重力加速度，即9.8m/s2）；

電壓沖擊（20+7次電壓開/關(guān)：前20次開/關(guān)是在1分鐘內(nèi)完成，后7次是在15分鐘內(nèi)完成）。

圖4　MEOST/HALT測試

5　結(jié)論

該型號電容器的設(shè)計(jì)以保證產(chǎn)品的性能與質(zhì)量為根本，采用性價比高的原材料和最優(yōu)化的工藝方案，依托法拉電子強(qiáng)大的研發(fā)實(shí)力及制造技術(shù)，已定型生產(chǎn)并大批量推向了市場。目前，該產(chǎn)品廣泛用于熒光燈、高壓汞燈、鈉燈、金屬鹵素?zé)舻纫灶l率為50/60Hz的交流電源供電的照明燈具中，特別是對使用溫度要求比較高的場合，具有良好的性價比。

該型號電容器性能優(yōu)良、穩(wěn)定可靠，在同類產(chǎn)品中具有國際領(lǐng)先的技術(shù)水平。自2008年推出以來，該產(chǎn)品在北美、東南亞以及國內(nèi)市場得到了長期使用，未收到一次電性能不良的客戶反饋與投訴，產(chǎn)品的可靠性得到了市場的檢驗(yàn)，深受客戶好評。迄今為止，該產(chǎn)品的累積銷售額已達(dá)到數(shù)億元人民幣，同時也極大的促進(jìn)了節(jié)能環(huán)保事業(yè)的發(fā)展，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

［1］姚力丁.提高電容器用BOPP薄膜耐溫性能探討［J］.電力電容器，2003（2）：46-48.

［2］沈文琪.對高壓并聯(lián)電容器使用壽命的估算［J］.電力電容器，2005（3）：25-26.

［3］Г·C·Кyчцнcкцй， H·Ц·Haэapoв.電力電容器.

［4］廈門法拉電子股份有限公司-姜國平、陳文耀、陳永明. 一種用于制作薄膜電容器的金屬化膜，專利號CN2705870.

向艷雄（1981—），男，湖北仙桃人，大學(xué)本科，現(xiàn)供職于廈門法拉電子股份有限公司，工程師，從事薄膜電容器研發(fā)。