电容器组合介质介电常数与压紧系数关系分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)内蒙乌海电业局 作者:全永利

  电力电容器的介质结构通常采用固体介质和液体介质组合的方式。由于压紧系数的不同,会导致组合介质的介电常数发生变化。本文通过对组合介质介电常数和元件电容量计算公式的分析,得出了不同介质结构情况下压紧系数变化与组合介电常数之间,以及元件电容与压紧系数之间的关系,对电容器的设计起到一定的指导作用。

  电容器中的介质类型主要有固体介质、液体介质或气体介质。固体介质是电力电容器的主要介质材料,液体介质和气体介质在电力电容器中用作浸渍剂,以填充固体介质中的空隙。电容器中的介质通常是由两种或多种介质材料组成的,即组合介质。组合方式多种多样,如浸渍纸、浸渍膜纸、浸渍膜的组合介质等。由于液体介质具有击穿场强高、介电常数大、析气性好等优点,能够提高组合介质的耐电强度,改善局部放电特性和散热条件等,因此是现阶段电容器设计制造的主要介质组合。

1、影响组合介质电气性能的因素

  组合介质的电气性能和许多因素有关。内部因素主要取决于所用的介质材料(纸、薄膜以及浸渍剂)的成份,不同材料的选取直接影响到介电常数、耐电强度等指标;而外部因素则包括温度、电场强度、频率、压力等。此外制造工艺对它的电气性能也有很大的影响。

  在诸多衡量电气性能的指标中,一个重要指标就是介电常数ε。为了使电容器做到容量大,而尺寸小、重量轻,采用高介电常数的介质是很重要的一个方面。影响组合介质介电常数ε的因素主要有两个方面:一是温度,温度的影响主要取决于各单一介质ε随温度的变化,这点在真空技术网(http://www.chvacuum.com/)前面发布的许多资料中都有介绍,本文不再讨论;二是组合介质中各个材料本身的ε及在组合介质中所占的比例,现有资料多数介绍的是油浸电容器纸或油浸膜纸组合介质,而目前电力电容器行业普遍采用的是油浸薄膜,所以本文主要分析这种组合介质的介电常数。

2、电容器的压紧系数

  电力电容器是由多个元件串并联而成的,对于油浸薄膜介质的电容器,元件在设计制造中绝大多数采用的是铝箔凸出折边的,是压扁式结构,如图1所示。

元件结构图

1-极板(铝箔);2-薄膜

图1 元件结构图

  在压扁式元件中,各介质层和铝箔由于其弹性,彼此间不是严密紧贴而是留有一定空间的,改变元件压紧程度,此空间便会变化。同时元件厚度、介质的介电常数ε、介质损耗角正切(tanδ)及其他特性也会改变。压紧程度可用压紧系数K来表示。对于油浸薄膜组合介质,其示意图如图2所示。

油浸薄膜组合介质示意图

1-极板;2-薄膜;3-电容器油

图2 油浸薄膜组合介质示意图

  压紧系数K可用下面的公式计算:

K=dm/d(1)

  式(1)中,dm为极板间薄膜介质的厚度;d为两极板间的介质总厚度。

3、组合介质介电常数分析

  3.1、组合介质介电常数与压紧系数的关系

  对于电力电容器,总希望所用介质的介电常数越大越好,这样在相同体积里可以获得更大的电容量,产生更多的效益。对于油浸薄膜介质,通常认为只要增大其中某一介质的介电常数,则组合介质的介电常数就增大,而提高压紧系数就能增大介电常数。实际情况真是如此吗?我们就根据这种组合介质介电常数的计算公式分析如下。油浸薄膜介质的介电常数εf的计算公式:

油浸薄膜介质的介电常数

  式(2)中,εm为膜的介电常数;εy为液体介质的介电常数;K为压紧系数。由电容器设计中的基本公式(2)得出,影响ε的因素,并不只有εm、εy,还有前面提到的压紧系数K。如果已经确定了组合介质材料,即组合介质中各个材料本身的ε已确定,影响组合介质ε的主要是压紧系数K。

  将式(2)的分母重新整理,得到:

电容器组合介质介电常数与压紧系数关系分析

  对式(3)进行分析,压紧系数K的取值在0~1之间,如果εm和εy值给定,得出以下结果:

  1)当εy>εm时若K=1,εf最小,其值为εm,即组合介质为单一的膜;若K=0,εf最大,其值为εy,即组合介质为单一的油。这两种情况在实际中不可能出现,εf的值只能在εm和εy之间,且随K反向变化。

  2)当εy<εm时若K=1,εf最大,其值为εm,即组合介质为单一的膜;若K=0,εf最小,其值为εy,即组合介质为单一的油。同样,这两种情况在实际中也不可能出现,εf的值仍介于εm和εy之间,但随K正向变化。如果介质组合是已知的,则εm和εy就变成固定数值了。目前电力电容器所用的固体介质主要是聚丙烯薄膜,液体介质主要为苄基甲苯,这两种介质的介电常数分别为2.2和2.65(25℃时),将这两个数值代入式(3)中,可以确定εf和K之间的关系。对于全膜介质考虑到其膨胀,采用0.75≤K≤0.90。我们在这两个值之间每间隔0.02取K值,由此建立εf和K之间的关系曲线如图3所示。

组合介电常数εf和压紧系数K的关系曲线

图3 组合介电常数εf和压紧系数K的关系曲线

  从图3中可以看出,在聚丙烯薄膜浸渍苄基甲苯的情况下,随着K值的增大其组合介质的介电常数将减小,但电容量是否会随之减小,还需进一步分析。

  3.2、元件电容量与压紧系数的关系

  对于油浸薄膜介质电容器,其元件的电容量可用下面的公式计算:

电容器组合介质介电常数与压紧系数关系分析

  式(4)中,Cy为元件的电容量;εf为组合介质的介电常数;bjb为铝箔极板的厚度;Dp为元件卷绕心轴直径;ωy为元件卷绕圈数;K为压紧系数;dm为极板间薄膜介质的厚度。对于设计好的电容器元件,其bjb、Dp、ωy和dm均为固定值。将这些值与式(4)的数字统一合并为常数A,式(4)可转换为:

Cy=AεfK(5)

  再将式(3)代入式(5),得到:

电容器组合介质介电常数与压紧系数关系分析

  同样,以聚丙烯薄膜浸渍苄基甲苯分析,将它们的介电常数代入式(6)中,得到:

电容器组合介质介电常数与压紧系数关系分析

  对于式(7),继续间隔0.02在0.75~0.90选取K值,由此建立Cy/A和K之间的关系曲线如图4所示。

元件电容量Cy/A与压紧系数K的关系

图4 元件电容量Cy/A与压紧系数K的关系

  从图4可以看出,随着压紧系数的增大,元件电容量确实是向增大的方向变化的。但这并不意味着K值越大越好,K值过大,可能造成元件浸渍不良,导致介质强度下降、局部放电等问题的产生,因此在设计时,一定要根据实际情况进行计算,选取适当的K值。

4、结论

  从以上分析,可以得出如下结论:

  1)压紧系数K对ε的影响主要取决于εm和εy的关系,并不是压紧系数K越大ε越大,或者压紧系数K越小ε越大,需根据具体的εm和εy的数值进行分析;

  2)在聚丙烯薄膜浸渍苄基甲苯的情况下,随着K值的增大其组合介质的介电常数将减小;

  3)在聚丙烯薄膜浸渍苄基甲苯的情况下,随着K值的增大元件电容量将增大。

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