发表于：2005/6/4 22:47:00
#0楼
低压无功补偿装置不宜频繁投切
摘要：分析了以接触器为投切开关的低压电容无功补偿装置不宜频繁进行电容器投切的原因，阐明了投切时产生的过电压和冲击电流对自愈式电容器的各种危害，提出了合理的建议.
关键词： 自愈式；低电压并联电容器；无功补偿装置；投切；接触器；应用
在低压配电网络中，运行着大量的感性无功负荷需要进行补偿，否则，将使网络损耗增加，电压质量恶化。为了提高供用电质量，降低线损与节能，以及充分利用设备的容量，以自愈式低电压并联电容器为主要元件，接触器为投切开关的低压电容无功补偿装置得到广泛的应用。这些装置一般是将电容器分为若干组。根据控制物理量的变化，进行电容器的投切。但是，若无功负荷经常波动变化，而装置又需要将cosφ控制在较高水平时，电容器的投切，往往就比较频繁，从而可能给电容器造成危害，使其早期损坏。
1 电容器投入时，产生过电压与过电流
1.1 电容器在正弦电压下的投入
电容器投入时的等值回路如图1所示。
图1中r为回路中等值电阻
如图示，当电容器在正弦电压U(t)=Umsin(ωt+φ)下投入时，电路的微分方程
解方程(1)，可得电容器投入时，电容器上的电压Uc为：
A为常数，与电容器投入时的初始状态有关。
电容器投入时的电压Uc曲线如图2所示。
图中U′与U″分别为Uc的稳态分量与暂态分量。
1.2 电容器的初始电压为零，投入电网时的电压Uc
为了控制电容器投入时不致产生危险的过电压，一般要求电容器不能在已有充电电压的情况下投入电网，以免危及电容器与其他电气设备的安全。
所以电容器投入时的初始条件为
由式(3)和式(4)可知，电压Uc和电流i的稳态分量均为正弦交流，而暂态分量则为衰减的直流。
暂态分量的强弱与电容器投入电路的时间有关，当ψ+φ=0或π时投入，则暂态分量最大。
这时电压Uc的曲线如图3所示
从图3可看到Ucmax可接近稳态时电压Uc幅值的二倍。
由式(4)，可知电流i在ψ+φ=0时为：
当电容器刚投入，即t=0时，暂态分量之初值所以，在稳态分量上迭加一个甚大的暂态分量i″（0)，将使投入时的电流远远超过稳态时的数值，而引起电流冲击。电流i的曲线如图4所示。
2 频繁的过电压对自愈式并联电容器的危害
2.1使电容器的绝缘介质老化过程加速
自愈式金属化并联电容器是用金属化聚丙烯薄膜进行绕卷而制成的，它的绝缘介质聚丙烯薄
膜与其它品种的电容器一样，会逐渐老化，其老化的速度与施加电压、使用温度等条件有关。一般认为，电压升高10%，寿命降低一半。具体可用下式表示：
式中：U0－额定电压
-额定电压下的使用寿命
U－实际施加电压
-过电压下的使用寿命
α-常数，一般取7－9
投入电容器所产生的过电压，虽然是瞬时的，而不是长期的，但过电压对绝缘介质的影响是能够累积的，在国标GB/T12747-1991中要求：每年的操作不超过5000次，但实际可能远不止此数。若有一个10分组的无功补偿装置，每3分钟操作一次，循环投切，一年共可操作17.5万次，平均每台电容器投切达1.75万次；为标准要求的3.5倍，而目前控制器的延时时间一般仅为10s-100s。
2.2 过电压使自愈性能提前失效
自愈式并联电容器最重要的性能是它的“自愈性能”。电容器在运行时，由于绝缘介质中存在杂质、气隙等弱点，在电场作用下被击穿形成导电通路，流过短路电流，电容器在击穿释放能量的瞬间，使其周围的金属层达到很高的温度而熔化乃至蒸发，又恢复了绝缘介质的绝缘，电容器仍可继续运行。
电容器的自愈，固然需要一定能量，但当释放的能量过大就会损伤薄膜。释放能量大，击穿点周围的薄膜温度就过高，这部分的介质就会逐步老化直至发生不能自愈的绝缘击穿。
自愈能量可用下式表示：
由式(8)可知，自愈能量W与外施电压U的4次方成正比。因此，当电容器投入而产生过电压时，若发生介质击穿而自愈，这时的自愈能量与在额定运行电压时的自愈能量相比，是十分大的。例如，当在过电压倍数为1.8或1.5时发生自愈，其自愈能量分别为额定运行电压时的10.5倍与5倍。所以，频繁的过电压将使电容器的自愈性能恶化。直至发生不能自愈的绝缘击穿。
2.3 使电容器的局部放电加剧，促进绝缘老化和电容量衰减
自愈式低电压并联电容器的局部放电性能是比较差的，作者曾进行过一些局部放电测试，某些试品的局部放电起始电压仅为250V，而且有的局部放电量达数千微微库，这一点与西容所的测试结论(3)是相符的。
在GB/12747-1991与IEC831(1998)中，虽然没有对自愈式电容器提出进行局部放电试验的要求，但产品的质量的确与其局部放电水平有很大关系。文献［3］指出，在进行耐久性试验被淘汰的一些试品中，局放性能相对好一些的试品，其经受耐久性试验的时间就长一些，也就是寿命相对长一些。国外产品也同样，例如，南朝鲜的产品质量反映较差，其局放性能相对也较差，这充分说明产品质量与其局放性能的关系。
自愈式电容器的局放性能较差是由它的结构和工艺所决定的。
(1)元件是用单层介质经紧密绕卷而成，然后在用热处理工艺，使薄膜收缩以提高元件的紧密度，其目的是尽可能排除极板间的空气与水分，并防止在喷金时造成短路，这方法不可能全部驱除空气。
(2)为了保证元件端头喷金与极板接触良好,元件的结构采用错位卷绕,我们公司错位为1mm.所以端头两层薄膜间空隙存在空气。
(3)即使采用真空浸渍，元件内部的空气不能全部排除，绝缘油也不能浸入，只能改善元件端部的场强。
对于铝金属化膜来说，在电场的电化学作用下，由于存在空气和水份，极板会氧化而生成透明Al203圆点和极板边缘侵蚀。Al203是不导电的绝缘体，从而减少了极板面积。
文献［5］对铝金属化膜在局部放电作用下，发生极板边缘的损坏现象进行了试验研究，他们在试验中观察到在非金属化膜和金属化膜接触区域由于空气隙的存在，引起的干涉图象，空气隙的位置跟金属化局部破坏区域相吻合。说明金属化层破坏过程跟在局部放电时的氧化有关。他们认为，边缘破坏首先是由它的气体放电产生的离子轰击引起的，在有足够数量的氧气存在时，离子轰击导致极板边缘等离子化学的氧化过程。
在电容器频繁投切而产生的过电压作用下，电容器的局部放电不断得到激发而加剧，其结果必然对绝缘介质的老化和电容量的衰减起促进作用。
3 冲击过电流对自愈式并联电容器的影响
3.1 使喷金层与金属化层的接触状况变坏，甚至出现喷金层脱落。
图5是自愈式电容器的元件端部喷金示意图，由图可知，端部喷金是 作为电极引出的。由于 金属化层很薄，一般仅0.02μm左右，喷金层也不厚，例如我们公司控制在0.5～0.8mm,所以它们之间的接触仍很薄弱，若工艺中不注意，就容易造成接触不良。
电容器元件端部喷金层的脱落，是造成电容器在运行中损坏的主要原因之一。而喷金层的脱落,一般认为与冲击大电流有关。
为了更好地了解是什么原因导致电极端部喷金层的脱落，文献［6］介绍了一些试验 情况。
(1)对两组元件(每组100只)分别施加相同能量、但不同峰值和波形的电流脉冲，结果发现两 组元件的电极边缘的接触质量下降的程度是不同的，因此推断热应力不是造成接触下降的唯 一原因。
(2)对两组试品分别施加峰值相同、但能量不同的电流脉冲，结果发现它们的接触质量下降 情况十分相似，这说明喷金层和电极接触质量降低主要取决于电流脉冲的峰值而不是它们的 能量。
(3)通过透明的试验箱能看到当强电流通过元件时，电极边缘处产生放电，同时伴随着tgδ增加；放电现象发生后，产生了气泡，这些气体以小气泡的形式从喷金层的边缘部位冒出来 。展开受试元件，在电极与喷金层的接触面出现电蚀现象。因此，文献［6］认为电极与喷金层接触质量的降低主要与所加电流脉冲的峰值有关 。
我公司为检验喷金质量，在一组电容器旁，接入二台电容器，每隔3分钟投切一次，数月后 ，在1000z下测tgδ，发现有明显增加。
综上所述，冲击过电流对喷金层与金属化层的接触质量的损害是十分明显的。因此，必须限 制频繁投切电容器所产生的冲击过电流。
3.2 使电容器的tgδ增加，提高了运行温度，缩短使用寿命。
图6是自愈式电容器的简化等值电路，其中R是包括喷金层与金属化层的接触电阻、极板电阻 与引线电阻等在内的等值电阻。
在电容器频繁投入所产生的冲击电流不断作用下，喷金层与极 板的接触电阻随着接触质量逐渐下降而增大，由于tanδR=ωCR，因此电容器的tanδ总是相应增加，tanδ的增加，必然使电容器的温升增加，从而提高了内部元件的 运行温度。
电容器运行温度提高的后果是使用寿命缩短。自愈式电容器的绝缘介质聚丙烯薄膜是高分子 有机物，在电场与温度作用下，会逐步变质老化，直到完全失去其介电能力。工作温度越高 ，其老化速度就越快，使用寿命就越短。过去曾对油纸介质一直使用8度规则，即介质的工 作温度每升高8℃，其寿命就降低一半。美国通用电气公司通过研究，在1964年提出电容器 的使用寿命用下式表示。
式中：τ—使用寿命(年)
Q—介质工作温度(℃)
E—极间电场强度(V/μm)
K—常数
日本通过研究，得出热老化温度越高，寿命越短；在不同温度下，其寿命减半温升也不同 的结论。具体如表1所示。
4 小结与建议
4.1 以接触器为投切开关的低压电容无功补偿装置，不宜频繁进行电容器的投切。否则， 投切时所产生的过电压和冲击电流将对自愈式电容器造成危害，使容量下降，tgδ增大 及绝缘老化加速等，最终使电容器早期损坏。
4.2 建议适当延长投切时间间隔，实行循环投切，减少投切次数，使这满足GB/12747-1991的有关要求。
4.3 为限制冲击电流对喷金层与金属化层接触质量的损害，必须采取相应的技术措施，如 串入小电感或采用专用接触器等，建议将冲击电流的峰值限制在20In以内。
摘要：分析了以接触器为投切开关的低压电容无功补偿装置不宜频繁进行电容器投切的原因，阐明了投切时产生的过电压和冲击电流对自愈式电容器的各种危害，提出了合理的建议.
关键词： 自愈式；低电压并联电容器；无功补偿装置；投切；接触器；应用
在低压配电网络中，运行着大量的感性无功负荷需要进行补偿，否则，将使网络损耗增加，电压质量恶化。为了提高供用电质量，降低线损与节能，以及充分利用设备的容量，以自愈式低电压并联电容器为主要元件，接触器为投切开关的低压电容无功补偿装置得到广泛的应用。这些装置一般是将电容器分为若干组。根据控制物理量的变化，进行电容器的投切。但是，若无功负荷经常波动变化，而装置又需要将cosφ控制在较高水平时，电容器的投切，往往就比较频繁，从而可能给电容器造成危害，使其早期损坏。
1 电容器投入时，产生过电压与过电流
1.1 电容器在正弦电压下的投入
电容器投入时的等值回路如图1所示。
图1中r为回路中等值电阻
如图示，当电容器在正弦电压U(t)=Umsin(ωt+φ)下投入时，电路的微分方程
解方程(1)，可得电容器投入时，电容器上的电压Uc为：
A为常数，与电容器投入时的初始状态有关。
电容器投入时的电压Uc曲线如图2所示。
图中U′与U″分别为Uc的稳态分量与暂态分量。
1.2 电容器的初始电压为零，投入电网时的电压Uc
为了控制电容器投入时不致产生危险的过电压，一般要求电容器不能在已有充电电压的情况下投入电网，以免危及电容器与其他电气设备的安全。
所以电容器投入时的初始条件为
由式(3)和式(4)可知，电压Uc和电流i的稳态分量均为正弦交流，而暂态分量则为衰减的直流。
暂态分量的强弱与电容器投入电路的时间有关，当ψ+φ=0或π时投入，则暂态分量最大。
这时电压Uc的曲线如图3所示
从图3可看到Ucmax可接近稳态时电压Uc幅值的二倍。
由式(4)，可知电流i在ψ+φ=0时为：
当电容器刚投入，即t=0时，暂态分量之初值所以，在稳态分量上迭加一个甚大的暂态分量i″（0)，将使投入时的电流远远超过稳态时的数值，而引起电流冲击。电流i的曲线如图4所示。
2 频繁的过电压对自愈式并联电容器的危害
2.1使电容器的绝缘介质老化过程加速
自愈式金属化并联电容器是用金属化聚丙烯薄膜进行绕卷而制成的，它的绝缘介质聚丙烯薄
膜与其它品种的电容器一样，会逐渐老化，其老化的速度与施加电压、使用温度等条件有关。一般认为，电压升高10%，寿命降低一半。具体可用下式表示：
式中：U0－额定电压
-额定电压下的使用寿命
U－实际施加电压
-过电压下的使用寿命
α-常数，一般取7－9
投入电容器所产生的过电压，虽然是瞬时的，而不是长期的，但过电压对绝缘介质的影响是能够累积的，在国标GB/T12747-1991中要求：每年的操作不超过5000次，但实际可能远不止此数。若有一个10分组的无功补偿装置，每3分钟操作一次，循环投切，一年共可操作17.5万次，平均每台电容器投切达1.75万次；为标准要求的3.5倍，而目前控制器的延时时间一般仅为10s-100s。
2.2 过电压使自愈性能提前失效
自愈式并联电容器最重要的性能是它的“自愈性能”。电容器在运行时，由于绝缘介质中存在杂质、气隙等弱点，在电场作用下被击穿形成导电通路，流过短路电流，电容器在击穿释放能量的瞬间，使其周围的金属层达到很高的温度而熔化乃至蒸发，又恢复了绝缘介质的绝缘，电容器仍可继续运行。
电容器的自愈，固然需要一定能量，但当释放的能量过大就会损伤薄膜。释放能量大，击穿点周围的薄膜温度就过高，这部分的介质就会逐步老化直至发生不能自愈的绝缘击穿。
自愈能量可用下式表示：
由式(8)可知，自愈能量W与外施电压U的4次方成正比。因此，当电容器投入而产生过电压时，若发生介质击穿而自愈，这时的自愈能量与在额定运行电压时的自愈能量相比，是十分大的。例如，当在过电压倍数为1.8或1.5时发生自愈，其自愈能量分别为额定运行电压时的10.5倍与5倍。所以，频繁的过电压将使电容器的自愈性能恶化。直至发生不能自愈的绝缘击穿。
2.3 使电容器的局部放电加剧，促进绝缘老化和电容量衰减
自愈式低电压并联电容器的局部放电性能是比较差的，作者曾进行过一些局部放电测试，某些试品的局部放电起始电压仅为250V，而且有的局部放电量达数千微微库，这一点与西容所的测试结论(3)是相符的。
在GB/12747-1991与IEC831(1998)中，虽然没有对自愈式电容器提出进行局部放电试验的要求，但产品的质量的确与其局部放电水平有很大关系。文献［3］指出，在进行耐久性试验被淘汰的一些试品中，局放性能相对好一些的试品，其经受耐久性试验的时间就长一些，也就是寿命相对长一些。国外产品也同样，例如，南朝鲜的产品质量反映较差，其局放性能相对也较差，这充分说明产品质量与其局放性能的关系。
自愈式电容器的局放性能较差是由它的结构和工艺所决定的。
(1)元件是用单层介质经紧密绕卷而成，然后在用热处理工艺，使薄膜收缩以提高元件的紧密度，其目的是尽可能排除极板间的空气与水分，并防止在喷金时造成短路，这方法不可能全部驱除空气。
(2)为了保证元件端头喷金与极板接触良好,元件的结构采用错位卷绕,我们公司错位为1mm.所以端头两层薄膜间空隙存在空气。
(3)即使采用真空浸渍，元件内部的空气不能全部排除，绝缘油也不能浸入，只能改善元件端部的场强。
对于铝金属化膜来说，在电场的电化学作用下，由于存在空气和水份，极板会氧化而生成透明Al203圆点和极板边缘侵蚀。Al203是不导电的绝缘体，从而减少了极板面积。
文献［5］对铝金属化膜在局部放电作用下，发生极板边缘的损坏现象进行了试验研究，他们在试验中观察到在非金属化膜和金属化膜接触区域由于空气隙的存在，引起的干涉图象，空气隙的位置跟金属化局部破坏区域相吻合。说明金属化层破坏过程跟在局部放电时的氧化有关。他们认为，边缘破坏首先是由它的气体放电产生的离子轰击引起的，在有足够数量的氧气存在时，离子轰击导致极板边缘等离子化学的氧化过程。
在电容器频繁投切而产生的过电压作用下，电容器的局部放电不断得到激发而加剧，其结果必然对绝缘介质的老化和电容量的衰减起促进作用。
3 冲击过电流对自愈式并联电容器的影响
3.1 使喷金层与金属化层的接触状况变坏，甚至出现喷金层脱落。
图5是自愈式电容器的元件端部喷金示意图，由图可知，端部喷金是 作为电极引出的。由于 金属化层很薄，一般仅0.02μm左右，喷金层也不厚，例如我们公司控制在0.5～0.8mm,所以它们之间的接触仍很薄弱，若工艺中不注意，就容易造成接触不良。
电容器元件端部喷金层的脱落，是造成电容器在运行中损坏的主要原因之一。而喷金层的脱落,一般认为与冲击大电流有关。
为了更好地了解是什么原因导致电极端部喷金层的脱落，文献［6］介绍了一些试验 情况。
(1)对两组元件(每组100只)分别施加相同能量、但不同峰值和波形的电流脉冲，结果发现两 组元件的电极边缘的接触质量下降的程度是不同的，因此推断热应力不是造成接触下降的唯 一原因。
(2)对两组试品分别施加峰值相同、但能量不同的电流脉冲，结果发现它们的接触质量下降 情况十分相似，这说明喷金层和电极接触质量降低主要取决于电流脉冲的峰值而不是它们的 能量。
(3)通过透明的试验箱能看到当强电流通过元件时，电极边缘处产生放电，同时伴随着tgδ增加；放电现象发生后，产生了气泡，这些气体以小气泡的形式从喷金层的边缘部位冒出来 。展开受试元件，在电极与喷金层的接触面出现电蚀现象。因此，文献［6］认为电极与喷金层接触质量的降低主要与所加电流脉冲的峰值有关 。
我公司为检验喷金质量，在一组电容器旁，接入二台电容器，每隔3分钟投切一次，数月后 ，在1000z下测tgδ，发现有明显增加。
综上所述，冲击过电流对喷金层与金属化层的接触质量的损害是十分明显的。因此，必须限 制频繁投切电容器所产生的冲击过电流。
3.2 使电容器的tgδ增加，提高了运行温度，缩短使用寿命。
图6是自愈式电容器的简化等值电路，其中R是包括喷金层与金属化层的接触电阻、极板电阻 与引线电阻等在内的等值电阻。
在电容器频繁投入所产生的冲击电流不断作用下，喷金层与极 板的接触电阻随着接触质量逐渐下降而增大，由于tanδR=ωCR，因此电容器的tanδ总是相应增加，tanδ的增加，必然使电容器的温升增加，从而提高了内部元件的 运行温度。
电容器运行温度提高的后果是使用寿命缩短。自愈式电容器的绝缘介质聚丙烯薄膜是高分子 有机物，在电场与温度作用下，会逐步变质老化，直到完全失去其介电能力。工作温度越高 ，其老化速度就越快，使用寿命就越短。过去曾对油纸介质一直使用8度规则，即介质的工 作温度每升高8℃，其寿命就降低一半。美国通用电气公司通过研究，在1964年提出电容器 的使用寿命用下式表示。
式中：τ—使用寿命(年)
Q—介质工作温度(℃)
E—极间电场强度(V/μm)
K—常数
日本通过研究，得出热老化温度越高，寿命越短；在不同温度下，其寿命减半温升也不同 的结论。具体如表1所示。
4 小结与建议
4.1 以接触器为投切开关的低压电容无功补偿装置，不宜频繁进行电容器的投切。否则， 投切时所产生的过电压和冲击电流将对自愈式电容器造成危害，使容量下降，tgδ增大 及绝缘老化加速等，最终使电容器早期损坏。
4.2 建议适当延长投切时间间隔，实行循环投切，减少投切次数，使这满足GB/12747-1991的有关要求。
4.3 为限制冲击电流对喷金层与金属化层接触质量的损害，必须采取相应的技术措施，如 串入小电感或采用专用接触器等，建议将冲击电流的峰值限制在20In以内。
