淺談無(wú)金屬外殼的干式電力電子電容器

孫明 孫曉武

無(wú)錫市電力濾波有限公司

引言：電力電子技術(shù)的變流器在新能源、軌道交通、變頻器等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。電力電子電容器作為變流器核心器件之一，因此其市場(chǎng)及應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1-3]。

電力電子電容器結(jié)構(gòu)包括油浸式和干式兩類(lèi)，它們通常都有金屬外殼。目前，小型化、輕量化是變流器發(fā)展方向，尺寸小、重量輕的干式電力電子電容器成為市場(chǎng)上迫切需求，尤其是軌道交通領(lǐng)域。

傳統(tǒng)的干式電力電子電容器主要特點(diǎn)：不銹鋼比重大，外殼的重量比較大；考慮到心子對(duì)殼絕緣，心子與外殼之間必須設(shè)置一定厚度的絕緣層；心子與導(dǎo)電桿的連接部位，由于電場(chǎng)分布極不均勻，需加強(qiáng)絕緣，通常有較厚的絕緣層；絕緣子安裝在箱蓋上，考慮到電氣凈距和爬電距離，絕緣子比較高，導(dǎo)電桿也較長(zhǎng)；這些因素，都會(huì)導(dǎo)致電容器尺寸和重量的增加。

為了有效減少重量，改善電容器的重量和體積比特性，推進(jìn)先進(jìn)變流器技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)電容器廠家也在研發(fā)樹(shù)脂外殼的電容器[4]。

本文介紹采用樹(shù)脂澆注的無(wú)外殼干式電力電子電容器的結(jié)構(gòu)的分析，研究一種采用樹(shù)脂澆注的無(wú)外殼干式電力電子電容器的結(jié)構(gòu)的方法，并通過(guò)試制樣品的性能試驗(yàn)及結(jié)果分析加以驗(yàn)證,對(duì)采用樹(shù)脂澆注的無(wú)外殼干式電力電子電容器結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)應(yīng)用有指導(dǎo)意義。

一、無(wú)金屬外殼的干式電力電子電容器的結(jié)構(gòu)

無(wú)金屬外殼的干式電力電子電容器（以下簡(jiǎn)稱“無(wú)外殼電容器”）特征在于：電容器由心子、接線端子安裝于模具中，通過(guò)真空澆注樹(shù)脂形成一體；心子包括元件、聯(lián)接銅箔、元件連接絲、絕緣件和蓋面絕緣。心子結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 心子結(jié)構(gòu)示意圖

元件是將蒸鍍了金屬電極的聚合物薄膜卷繞在芯軸上，卷繞后壓扁，然后在元件兩端噴金，在噴金端焊線引出電極。元件的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 元件結(jié)構(gòu)示意圖

二、無(wú)金屬外殼的干式電力電子電容器的生產(chǎn)工序

傳統(tǒng)的干式電容器的生產(chǎn)工序包括：元件卷繞、熱聚合、賦能、焊接、組裝、樹(shù)脂澆注、性能試驗(yàn)。

無(wú)外殼電容器的生產(chǎn)工序的區(qū)別是：澆注時(shí)需要通過(guò)模具澆注樹(shù)脂的方法生產(chǎn)。

干式變壓器、鐵芯電抗器、電壓互感器等產(chǎn)品，它們的繞組或器身大多采用模具澆注樹(shù)脂的方法封裝，效果很好。由于電容器的結(jié)構(gòu)特殊，照搬變壓器和互感器類(lèi)產(chǎn)品澆注工藝往往引起電容器質(zhì)量的不穩(wěn)定，會(huì)出現(xiàn)氣泡多、脫模困難、樹(shù)脂的機(jī)械和絕緣性能差等現(xiàn)象。

無(wú)外殼電容器的澆注工藝方法[5]，包括以下工序：

(a)模具準(zhǔn)備：裝配模具，擰緊相關(guān)固定螺栓和螺母，在模具內(nèi)壁涂一層密封膠，室溫放置，使密封膠固化;

(b)心子安放：將組裝、引線完畢的電容器心子放入模具中，用絕緣墊塊墊襯，使心子與模具壁留有適當(dāng)?shù)拈g隙;

(c)心子干燥：將裝有電容器心子的模具放入真空干燥罐中加溫，同時(shí)抽真空理。

(d)樹(shù)脂脫氣：將樹(shù)脂A料、B料分別預(yù)熱，然后分別注入樹(shù)脂A料脫氣罐和樹(shù)脂B料脫氣罐，邊攪拌邊脫氣。

(e)樹(shù)脂混合：將經(jīng)過(guò)脫氣的樹(shù)脂A料和B料分別導(dǎo)入攪拌罐，充分?jǐn)嚢杌旌?/p>

(f)澆注：將經(jīng)混合的樹(shù)脂澆注料通過(guò)管道注入真空干燥罐內(nèi)完成干燥處理的裝有電容器心子的模具中。

(g)樹(shù)脂固化：將澆注好樹(shù)脂的裝有電容器的模具轉(zhuǎn)移到恒溫干燥箱中，在大氣壓下加溫固化。

(h)脫模：固化結(jié)束后，將裝有電容器心子的模具從恒溫干燥箱中取出，自然冷卻至室溫后，將電容器與模具脫開(kāi)，取出電容器。

(i)檢驗(yàn)：對(duì)電容器進(jìn)行外觀檢查和性能檢測(cè)。

三、試驗(yàn)驗(yàn)證

（一）概述

無(wú)外殼電容器的型式試驗(yàn)委托第三方檢測(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行。

本文試驗(yàn)是長(zhǎng)時(shí)間的耐受溫度變化性能試驗(yàn)，試驗(yàn)的目的是考核樹(shù)脂的耐溫度變化能力。

三綜合試驗(yàn)無(wú)國(guó)家事宜方法標(biāo)準(zhǔn)，本文按照文獻(xiàn)[6-8]提供的方法。電容器放在三綜合試驗(yàn)裝置內(nèi)，溫度變化、恒定濕度、振動(dòng)試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行。

（二）試制樣品情況

無(wú)外殼電容器型號(hào)規(guī)格：DKMJ2.73-1072。額定電壓：2.73kV;額定容量1072μF,紋波電流 85A。試品如圖3所示。1號(hào)無(wú)外殼電容器試品做長(zhǎng)時(shí)間溫度變化性能試驗(yàn)，2號(hào)無(wú)外殼電容器試品做三綜合試驗(yàn)。

圖3 試品電容器

（三）試驗(yàn)方法

(1)長(zhǎng)時(shí)間溫度變化性能試驗(yàn)

試驗(yàn)方法參考文獻(xiàn)[6]中耐受溫度變化性能方法：無(wú)外殼電容器試品放入恒溫恒濕高低溫箱內(nèi)以3℃/min的速率將溫度從室溫升至85℃，并維持該溫度3h；接著以1℃/min的速度將溫度從85℃降至-30℃，并維持3h；然后再以 3.0℃/min速度將溫度升至85℃，如此循環(huán)500個(gè)周期。試驗(yàn)前后，外觀應(yīng)無(wú)明顯變化，電容變化△C≤1%。

電容變化△C(%)可按下式計(jì)算。

式(1)中，C1為無(wú)外殼電容器試品試驗(yàn)后的電容，C0為無(wú)外殼電容器試品試驗(yàn)前的電容。

試驗(yàn)后檢查外觀，試驗(yàn)前后測(cè)量電容，并將兩次測(cè)量值校正到同一介質(zhì)溫度。使用電容測(cè)試儀室溫下，100Hz、1Vrms 測(cè)量電容值與損耗角正切值tanδ。

電容測(cè)試儀型號(hào)規(guī)格為T(mén)H2617。

(2)三綜合試驗(yàn)

(a)溫度變化

無(wú)外殼電容器試品放入恒溫恒濕高低溫箱內(nèi)以3℃/min的速率將溫度從室溫升至85℃，并維持該溫度 3h；接著以1℃/min的速度將溫度從85℃降至-30℃，并維持2h；然后再以 3.0℃/min速度將溫度升至85℃，如此循環(huán)2個(gè)周期。。

(b)恒定濕度

相對(duì)濕度持續(xù)（93±3）%，溫度40℃。

(c)振動(dòng)試驗(yàn)

按長(zhǎng)壽命振動(dòng)試驗(yàn)方法，垂向、橫向、縱向進(jìn)行。

三個(gè)方向分別試驗(yàn)28小時(shí)，試驗(yàn)總時(shí)間84小時(shí)。

試驗(yàn)后，檢查無(wú)外殼電容器試品外觀應(yīng)無(wú)明顯變化；試驗(yàn)后，端子間施加電壓4095Vdc/10s，不得發(fā)生擊穿和閃絡(luò)，但允許自愈性擊穿；端子與外殼間電壓試驗(yàn)施加工頻電壓5400V/60s，不得發(fā)生擊穿和閃絡(luò)，但允許自愈性擊穿；試驗(yàn)后，測(cè)量無(wú)外殼電容器試品電容，其試驗(yàn)前后電容變化△C≤2%。

（四）測(cè)量結(jié)果

1號(hào)無(wú)外殼電容器試品的長(zhǎng)時(shí)間溫度變化試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。2號(hào)無(wú)外殼電容器試品的三綜合試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

從表1中可知1號(hào)無(wú)外殼電容器試品的試驗(yàn)情況：

(1)50次高低溫變化試驗(yàn)后，電容值C為1068.1μF，損耗角正切值為0.0008；

(2)100次高低溫變化試驗(yàn)后，電容值C為1068.1μF，損耗角正切值為0.0008；

(3)150次高低溫變化試驗(yàn)后，電容值C為1068.1μF，損耗角正切值為0.0008；

(4)200次高低溫變化試驗(yàn)后，電容值C為1068.1μF，損耗角正切值為0.0008；

(5)250次高低溫變化試驗(yàn)后，電容值C為1068.1μF，損耗角正切值為0.0008；

(6)300次高低溫變化試驗(yàn)后，電容值C為1068.1μF，損耗角正切值為0.0008；

(7)350次高低溫變化試驗(yàn)后，電容值C為1068.1μF，損耗角正切值為0.0008；

(8)400次高低溫變化試驗(yàn)后，電容值C為1068.1μF，損耗角正切值為0.0008；

(9)450次高低溫變化試驗(yàn)后，電容值C為1068.1μF，損耗角正切值為0.0008；

(10)500次高低溫變化試驗(yàn)后，電容值C為1068.1μF，損耗角正切值為0.0008；

(11)外殼無(wú)裂縫、無(wú)損傷、無(wú)泄漏。

表1 長(zhǎng)時(shí)間溫度變化性能試驗(yàn)結(jié)果

從表2中可知2號(hào)無(wú)外殼電容器試品的試驗(yàn)結(jié)果：

(1)三綜合試驗(yàn)后，電容值C為1069.2μF，損耗角正切值為0.0008；

(2)外殼無(wú)裂縫、無(wú)損傷、無(wú)泄漏；

(3)端子間施加電壓4095Vdc/10s，無(wú)擊穿，無(wú)閃絡(luò)；

(4)端子與外殼間電壓試驗(yàn)施加工頻電壓5400V/60s，無(wú)擊穿，無(wú)閃絡(luò)。

表2 三綜合試驗(yàn)結(jié)果

（五）結(jié)果分析

依據(jù)表1～2試驗(yàn)結(jié)果來(lái)分析：

(1)500次高低溫變化試驗(yàn)后，1號(hào)無(wú)外殼電容器試品的容值變化+0.13%，損耗角正切值無(wú)變化，外殼未出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象；

(2)三綜合試驗(yàn)后，2號(hào)無(wú)外殼電容器試品的容值變化+0.018%，損耗角正切值無(wú)變化，外殼未出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象；

長(zhǎng)時(shí)間溫度變化和三綜合試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明樹(shù)脂澆注的無(wú)外殼干式電力電子電容器的可行性、設(shè)計(jì)和工藝方法的可操作性。同批樣品已經(jīng)通過(guò)第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)的全部型式試驗(yàn)，包括熱穩(wěn)定、浪涌放電、恒溫恒濕、耐久性、破壞性、振動(dòng)沖擊等。

由于試驗(yàn)時(shí)間比較短，樹(shù)脂澆注的無(wú)外殼干式電力電子電容器能否適應(yīng)軌道交通設(shè)備的應(yīng)用，還需長(zhǎng)時(shí)間的驗(yàn)證。

四、結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)采用樹(shù)脂澆注的無(wú)外殼干式電力電子電容器結(jié)構(gòu)的分析，提出無(wú)金屬外殼的干式電力電子電容器的澆注工藝方法，并通過(guò)試制樣品的長(zhǎng)時(shí)間高低溫試驗(yàn)和三綜合試驗(yàn)及其結(jié)果分析加以驗(yàn)證采用樹(shù)脂澆注的無(wú)外殼干式電力電子電容器結(jié)構(gòu)的可行性。希望此次研究可以對(duì)采用樹(shù)脂澆注的無(wú)外殼干式電力電子電容器結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)應(yīng)用有指導(dǎo)意義。