高壓全膜電容器的熱分析與改進(jìn)措施研究

摘" 要：

掌握溫度場分布規(guī)律是增強(qiáng)電容器穩(wěn)定運(yùn)行性能的重要環(huán)節(jié)與技術(shù)難點(diǎn)。結(jié)合某型高壓全膜電容器結(jié)構(gòu)特征，采用有限體積法進(jìn)行三維溫度場分布求解，獲得復(fù)雜電容器內(nèi)部最熱點(diǎn)溫度及對應(yīng)位置，并研究溫度參數(shù)與分布特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，為增強(qiáng)電容器的散熱能力，提出新增散熱流道與增加元件鋁箔厚度的改進(jìn)方案。研究表明，所采用的三維溫度場分析能夠準(zhǔn)確反映電容器內(nèi)部溫度特性，所提出的改進(jìn)措施可有效降低易擊穿點(diǎn)溫度達(dá)33.6%。

關(guān)鍵詞：

高壓全膜電容器; 溫度場; 熱分析; 改進(jìn)措施

中圖分類號： TM53

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 2095-8188（2024）10-0059-06

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.10.010

葉澤韜（2003—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)。

李曉軍（1973—），男，高級工程師，主要從事電容器的設(shè)計管理及研發(fā)工作。

鄭艷文（1983—），男，高級工程師，博士，主要從事大容量變流器設(shè)計方法及應(yīng)用研究。

*基金項(xiàng)目： 中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助（226-2024-00072）

Thermal Analysis and Improvement Method Research on High Voltage Full Film Capacitor

YE Zetao1，" LI Xiaojun2，" ZHENG Yanwen3，" HU Chenhao1，" HU Sideng1

（1.College of Electrical Engineering， Zhejiang University， Hangzhou 310027， China;

2.Ningbo Jiangbei Gofront Herong Electric Co.， Ltd.， Ningbo 315300， China;

3.Wolong Electric Group Co.， Ltd.， Shaoxing 312300， China）

Abstract：

Mastering the distribution law of temperature field is an important link and technical difficulty in enhancing the stable operational performance of capacitors.Combined the structural characteristics of a certain type of high voltage full film capacitor，using the finite volume method to solve the three-dimensional temperature field distribution，the hottest temperature and corresponding position is obtained inside the complex capacitor，and its temperature parameters and distribution characteristics are studied.On this basis，in order to enhance the heat dissipation capacity of the capacitor，the improvement plans are proposed by adding new heat dissipation channels and increasing the thickness of component aluminum foil.The study indicates that the used three-dimensional temperature field analysis can accurately reflect the internal temperature characteristics of the capacitor，and the proposed improvement measures can effectively reduce the temperature of breakdown points by 33.6%.

Key words：

high voltage full film capacitor; temperature field; thermal analysis; improvement measures

0" 引" 言

高壓全膜電容器被廣泛應(yīng)用于電力工業(yè)部門，主要發(fā)揮補(bǔ)償無功功率、提高功率因數(shù)、改善電壓質(zhì)量等作用［1］。溫度過高引發(fā)的電容器心子老化是電容器面臨的主要威脅，甚至可能導(dǎo)致電容器及其他器件損壞［2］。

目前主要通過2種測量方法來獲得電容器最熱點(diǎn)溫度。一種是在電容器內(nèi)部預(yù)先埋設(shè)熱電偶來測量電容器內(nèi)部最熱點(diǎn)溫度。由于難以確定電容器內(nèi)部最熱點(diǎn)的位置，熱電偶測得的溫度與實(shí)際最熱點(diǎn)溫度存在偏差。另一種是測量電容器外部的殼體溫度，再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)推算內(nèi)部最熱點(diǎn)溫度［3］。該類方法通過測量外殼大面距頂面1/3處的溫度，并在此基礎(chǔ)上增加5～10 ℃，以估算出最熱點(diǎn)的溫度，但這種推算方法的準(zhǔn)確性有待驗(yàn)證［4］。

圍繞上述電容器溫度研究難題，本文提出了一種基于有限體積法的電容器三維溫度場分布計算方法，獲得了復(fù)雜電容器內(nèi)部最熱點(diǎn)溫度與位置以及溫度場分布特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，針對電容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的散熱問題，提出了新增散熱流道與增加元件鋁箔厚度的改進(jìn)措施。對比改進(jìn)前后的電容器溫度場特征，利用所提方法能有效降低易擊穿點(diǎn)溫度達(dá)33.6%，驗(yàn)證了本文所提措施的合理性與有效性。

1" 蒙辛格熱老化規(guī)則

蒙辛格熱老化規(guī)則表明，材料的實(shí)際壽命與材料的本身特性及工作溫度有關(guān)。材料壽命與溫度之間的關(guān)系表達(dá)式［5］為

L=Ae-α（θ-θ0）（1）

式中：" L——材料在對應(yīng)溫度條件下的實(shí)際壽命;

A——材料在基準(zhǔn)條件下的壽命;

α——熱老化系數(shù);

θ——材料實(shí)際工作溫度;

θ0——材料基準(zhǔn)工作溫度。

根據(jù)式（1），文獻(xiàn)［6］指出高壓全膜電容器的使用壽命與溫度遵循“八度規(guī)則”，即電容器內(nèi)部介質(zhì)的工作溫度每升高8 K，其壽命就減少1/2。因此，獲取高壓全膜電容器溫度場分布規(guī)律是提升電容器穩(wěn)定運(yùn)行能力的重要基礎(chǔ)。

2" 高壓全膜電容器結(jié)構(gòu)與熱特征

本文研究的高壓全膜電容器主要由電容器心子、錫層、水冷銅管、芐基甲苯浸漬劑、外殼以及其他零部件組成。高壓全膜電容器結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，電容器心子由上下2個元件組并聯(lián)而成，每個元件組內(nèi)包含18個分立元件。

電容器損耗主要由2個部分組成，分別是介質(zhì)損耗和金屬損耗。其中，電容器心子產(chǎn)生的介質(zhì)損耗是電容器損耗的主要來源［7］。假設(shè)電容器心子為一個均勻的發(fā)熱體，電容器的熱耗率W可表示為

W=Qctanδ（2）

式中：" Qc——電容器容量;

δ——電容器的介質(zhì)損耗角。

該型電容器采用油冷與水冷結(jié)合的形式進(jìn)行散熱。心子產(chǎn)生的熱量由浸漬劑傳遞至電容器銅管與外殼，銅管內(nèi)流通冷卻水進(jìn)行水冷，同時利用外殼與空氣之間的熱交換耗散熱量［8］。

3" 適用于高壓全膜電容器三維溫度場分析方法

3.1" 幾何建模與材料設(shè)定

為提升計算效率，對圖1電容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化建模，簡化內(nèi)容如下：① 忽略螺栓、螺母等零部件;② 將電容器心子元件簡化為圓角長方體而不考慮其內(nèi)部的卷繞結(jié)構(gòu)，并對實(shí)際元件的密度、恒壓熱容、導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行歸算后代入模型以作等效補(bǔ)償。經(jīng)簡化，電容器三維幾何模型如圖2所示。

根據(jù)鋁箔、聚丙烯薄膜以及芐基甲苯浸漬劑的厚度進(jìn)行參數(shù)歸算，簡化后，電容器元件的等效密度與恒壓熱容［9］分別為

ρ=ρA1hA1+ρmhm+ρyhyhA1+hm+hy（3）

C=CA1ρA1hA1+Cmρmhm+CyρyhyρA1hA1+ρmhm+ρyhy（4）

式中：""" ρ——簡化后元件的等效密度;

C——簡化后元件的等效恒壓熱容;

ρA1、ρm、ρy——鋁箔、聚丙烯薄膜以及芐基甲苯浸漬劑的密度;

hA1、hm、hy——鋁箔、聚丙烯薄膜以及芐基甲苯浸漬劑的厚度;

CA1、Cm、Cy——鋁箔、聚丙烯薄膜以及芐基甲苯浸漬劑的恒壓熱容。

根據(jù)文獻(xiàn)［9］和《電機(jī)工程手冊》［10］，由于電容器元件的多層卷繞結(jié)構(gòu)特征，故在等效元件導(dǎo)熱系數(shù)時需考慮各向異性，分別為串聯(lián)導(dǎo)熱、并聯(lián)導(dǎo)熱與串并聯(lián)混合導(dǎo)熱。元件等效導(dǎo)熱系數(shù)各向異性示意如圖3所示。

在y方向上，元件內(nèi)部多層介質(zhì)交替順序?qū)幔创?lián)導(dǎo)熱情況下導(dǎo)熱系數(shù)換算公式為

λy=d1+d2+d3d1/λ1+d2/λ2+d3/λ3（5）

式中：" d1——鋁箔的厚度;

d2——聚丙烯薄膜的厚度;

d3——芐基甲苯浸漬劑的厚度;

λ1——鋁箔的導(dǎo)熱系數(shù);

λ2——聚丙烯薄膜的導(dǎo)熱系數(shù);

λ3——芐基甲苯浸漬劑的導(dǎo)熱系數(shù)。

在z方向上，元件內(nèi)部多層材料共同導(dǎo)熱，即并聯(lián)導(dǎo)熱情況下導(dǎo)熱系數(shù)換算公式為

λz=d1λ1+d2λ2+d3λ3d1+d2+d3（6）

在x方向上，元件傳熱方式為串并聯(lián)混合導(dǎo)熱。元件x方向傳熱示意如圖4所示。陰影部分導(dǎo)熱方式為并聯(lián)導(dǎo)熱，導(dǎo)熱系數(shù)與λz相等;兩側(cè)圓弧部分導(dǎo)熱方式為串聯(lián)導(dǎo)熱，導(dǎo)熱系數(shù)與λy相等。

元件在x方向上導(dǎo)熱系數(shù)換算公式為

λx=

λyλz｛1-［2b1/（2b1+r1）］2｝λz+［2b1/（2b1+r1）］2λy（7）

式中：" b1——元件并聯(lián)導(dǎo)熱部分長度的1/2;

r1——元件圓弧部分的半徑。

電容器基本材料屬性如表1所示。根據(jù)式（3）～式（7），并結(jié)合表1進(jìn)行計算。元件簡化后的材料屬性如表2所示。為進(jìn)一步提升計算精確度，基于多物理場耦合分析，在后續(xù)計算中考慮溫度場變化引起的流體材料屬性變化［2］。

3.2" 多物理場分析中的邊界設(shè)置

在3.1節(jié)的基礎(chǔ)上，本節(jié)重點(diǎn)圍繞傳熱物理場與2個層流物理場的設(shè)置展開多物理場分析。

在傳熱物理場中，選取電容器心子作為熱源，并設(shè)置熱耗率與熱通量對流系數(shù);在2個層流物理場中，分別設(shè)置冷卻水與浸漬劑為強(qiáng)制對流與自然對流形式。電容器邊界條件參數(shù)如表3所示。

4" 高壓全膜電容器溫度場計算分析

4.1" 熱擊穿現(xiàn)象分析

本文選取圖1的高壓全膜電容器作為研究對象，額定電壓為3.05 kV，額定電流為2 700 A，額定容量為8 682 kvar，介質(zhì)損耗角為0.02%。電容器發(fā)生熱擊穿后的拆解情況如圖5所示。

由圖5可知，電容器心子中部的元件發(fā)生了熱擊穿。該位置的元件位于2個元件組的端部，在電容器進(jìn)行元件組的壓扁制作過程中易受到機(jī)械損傷，較其他位置的元件更易擊穿。將該結(jié)構(gòu)心子中部附近位置定義為電容器易擊穿點(diǎn)。

根據(jù)前文建立的高壓全膜電容器三維溫度場分析模型，在COMSOL Multiphysics 6.2軟件中對電容器的熱擊穿現(xiàn)象進(jìn)行復(fù)現(xiàn)。改進(jìn)前電容器隨時間變化重要溫度參數(shù)曲線如圖6所示;改進(jìn)前電容器溫度場分布如圖7所示。

圖6、圖7計算結(jié)果表明，電容器在0～10 000 s溫度快速上升，15 000 s后溫度逐漸穩(wěn)定。該型電容器的熱擊穿特性主要受卷制材料聚

丙烯的溫度耐受性影響，根據(jù)所采用聚丙烯的材料特性，當(dāng)運(yùn)行溫度在95 ℃以上時電容器即面臨較大的過熱擊穿風(fēng)險［11］。結(jié)合圖6的暫態(tài)溫度計算結(jié)果，電容器在尚未進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時最熱點(diǎn)溫度已經(jīng)升至95 ℃，并在后續(xù)過程持續(xù)上升。進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，電容器最熱點(diǎn)位于心子中部上方第1個元件附近，溫度為98.6 ℃，相較于電容器平均溫度升幅達(dá)46.5%。電容器最熱點(diǎn)溫度較高，且位置接近易擊穿點(diǎn)，本文認(rèn)為電容器的擊穿是由溫度與機(jī)械因素共同作用所致。對比圖5與圖7，實(shí)際擊穿位置與計算所得的最熱點(diǎn)位置十分接近，驗(yàn)證了本文所提出計算方法的合理性與準(zhǔn)確性。

4.2" 針對元件過熱擊穿的改進(jìn)措施

針對電容器心子中部元件溫度過高導(dǎo)致熱擊穿的問題，開展新增散熱流道與增加元件鋁箔厚度的結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施的研究。

改進(jìn)后電容器結(jié)構(gòu)如圖8所示。首先，在2個元件組間新增散熱流道如圖8（a）;而在圖8（b）中具體展示了散熱流道幾何模型，并設(shè)計鏤空結(jié)構(gòu)以提升電容器中部位置浸漬劑的流通能力。

在此基礎(chǔ)上，從拓寬導(dǎo)熱路徑方面探究增加元件鋁箔厚度對電容器散熱能力的影響。在使用如圖8（a）幾何結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將元件鋁箔的厚度由5 μm增加到7 μm，該結(jié)構(gòu)稱為加厚鋁箔結(jié)構(gòu)。由于鋁箔厚度（5 μm）遠(yuǎn)小于聚丙烯薄膜的厚度（162 μm），鋁箔厚度增加僅引起1.55%的元件心子體積增加，因此在后續(xù)計算中忽略心子的體積變化。

4.2.1" 新增散熱流道結(jié)構(gòu)結(jié)果分析

根據(jù)上文所述的第一種改進(jìn)措施，新增散熱流道后電容器溫度場分布如圖9所示;改進(jìn)前與新增散熱流道后溫度對比如圖10所示。

圖9、圖10計算結(jié)果表明，增加散熱流道后電容器最熱點(diǎn)位置由心子中部轉(zhuǎn)移至上方元件組的中部，遠(yuǎn)離了心子中部的易擊穿點(diǎn)位置。同時，最熱點(diǎn)溫度由98.6 ℃降低至92.3 ℃，易擊穿點(diǎn)溫度由98.5 ℃降低至65.4 ℃，降幅達(dá)33.6%。計算結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計的散熱流道能夠大幅提升電容器散熱能力，極大地降低了電容器受熱擊穿的風(fēng)險。

散熱流道位置改變示意如圖11所示。為量化分析散熱流道所處位置對溫度場分布特征的影響，分別在圖11中元件心子上方1/2、1/3、1/4、1/6處放置散熱流道。改變散熱流道位置后電容器重要溫度參數(shù)對比如圖12所示。

計算結(jié)果表明，散熱流道位置不同引起的溫度差異較小，各類溫度參數(shù)的溫差均＜1.5 K。結(jié)合散熱流道的工作原理，推測散熱流道是通過增加元件內(nèi)部的散熱面積來提升電容器的散熱能力。因此，散熱流道在電容器內(nèi)部的空間位置變化對溫度場的影響有限。

4.2.2" 新增流道并加厚鋁箔結(jié)構(gòu)結(jié)果分析

根據(jù)上文所述的第二種改進(jìn)措施，在使用1/2位置散熱流道的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究增加元件鋁箔厚度對電容器散熱能力的影響。新增散熱流道并加厚鋁箔后電容器溫度場分布如圖13所示;改進(jìn)前與采用不同改進(jìn)方案的電容器溫度對比如圖14所示。

對比圖9與圖13，2種改進(jìn)方案都能使最熱點(diǎn)遠(yuǎn)離易擊穿位置，且新增流道并加厚鋁箔的方案在僅新增流道的基礎(chǔ)上能進(jìn)一步降低電容器整體溫度。其中，最熱點(diǎn)溫度下降約9.0 K，平均溫度與易擊穿點(diǎn)溫度下降約2.5 K，說明增加鋁箔厚度能夠有效提升電容器散熱能力。

具體應(yīng)用中，還可以根據(jù)特定的設(shè)計需求，通過調(diào)整鋁箔厚度來優(yōu)化散熱效果，從而為高壓全膜電容器在高功率環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行提供設(shè)計靈活性。

5" 結(jié)" 語

本文采用有限體積法對高壓全膜電容器三維溫度場進(jìn)行計算，獲得并歸納了復(fù)雜電容器內(nèi)部溫度場分布特征及關(guān)鍵溫度參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，探究并驗(yàn)證了電容器結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施，主要研究結(jié)果如下：

（1） 電容器最熱點(diǎn)通常位于心子中部，高溫與機(jī)械應(yīng)力的聯(lián)合作用是導(dǎo)致電容器熱擊穿的主要風(fēng)險因素。

（2） 增加散熱流道能夠有效降低電容器最熱點(diǎn)溫度并使其遠(yuǎn)離易擊穿點(diǎn)，且易擊穿點(diǎn)溫度降幅達(dá)33.6%，此外散熱流道的位置對電容器溫度場分布影響有限。

（3） 增加鋁箔厚度能夠進(jìn)一步提升電容器散熱能力，且該措施不顯著增加電容器體積，可作為電容器熱設(shè)計的工程措施。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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收稿日期： 20240626