高低压电容器及其装置的发展态势

高低压电容器及其装置的发展态势德国法兰克盖姆普能源控制(无锡)有限公司马丁摘要：本文结合国外高低压无功补偿的昀新发展情况，阐明了无功补偿核心产品高低压电容器及其装置的技术与产品的发展趋势，对我国相关制造业及用户具有良好的借鉴意义。关键词：高低压电容器及其装置产品技术发展态势低压电容器低压电容器的演变可以归结为如下四个时期：（1）50~60年代，称为第一代低压电容器，其结构采用油浸式电容器纸作为介质，电容元件为扁平元件，液体介质采用矿物油（含有PCB有毒物质）等，产品体积大、有功损耗达到0.2%~0.5%左右，我国国内型号为BW系列。（2）70年代，随着金属化膜替代电容器纸的应用，电容器元件由扁平式改为圆形结构，由于具有自愈性能，产品的场强大大提高，使产品体积大大缩小，为BW系列的40%左右，液体介质也大部分采用矿物油或树脂，有功损耗在0.12%左右，我国国内型号主要为BZMJ系列。（3）80年代，欧洲各电容器厂家已推出圆柱型结构的称为第三代的MKP低压电容器，其元件采用7μm左右的金属化膜，内充天然油或树脂密封于铝壳中，使体积更加减小，有功损耗降到0.3W/kvar。由于时间与发展的限制，目前国内生产的低压电容器，均是从80年代初约7~8年间从国外引进的，属于第二代产品。如无锡、锦州、桂林和南京等地电容器厂分别从日本SHIZUKI、比利时ASEA、意大利ARCOTRONICS和意大利ICAR引进了生产技术与关键设备，其产品结构为方形或椭圆形，一般使用8μm金属化膜，统计使用寿命平均在2~6年左右。（4）随着电器产品向小型化、无油化和环保化方向发展的趋势，第四代昀新充气型低压电容器（GMKP），采用5~6μm金属化膜填充特殊保护气体，内置独特的安全型保护装置，其关键特点是实现了介质的革命，实现了电介质的气体化。从而产生了理论上真正的干式电容器以及具有防火阻燃,安全可靠等多种特点的新一代产品充气式小型化环保型低压电容器（GMKP）的技术特征GMKP元件是大直径结构,一般采用5~6μm金属化膜，其压紧系数比传统产品高30%,以缩小体积，其元件直径昀大120mm，目前一般电容器厂家（包括中国）大多数采用意大利Arcotronics公司生产的卷绕机，但要生产GMKP元件，必须进行改装（卷轴加粗）。并附有可靠的张力及燃膜装置,元件完成后必须承接大电流的限选,德国FrankeGmkp要求大电流达到20In。GMKP的外壳采用一次性拉伸铝壳，其底部带有安装螺栓。但要生产出直径120~150mm左右的铝桶，一般要有500t以上的压机才能保证一次性成形拉伸质量。GMKP的关键工艺还包括制造过程中的净化工艺，充气真空处理及特殊保护丝的制作。元件必须在静态100级或以上的净化环境下生产，并且有极严格的湿度要求。GMKP的真空处理与充气是在同一个真空壳体内单台完成的。德国FRANKEGMKP认为壳体内真空度应在3.5×10-3Bar，其泄漏率≤0.56Bar/周，比目前国内其他设备的泄漏率低10倍左右，因此，这种真空系统制造难度较大，欧洲报价约为50万欧元左右。特殊保护丝需要特殊的硬化处理，应断点凹缺部位的尺寸确定及加工要求十分精密才能确保在过压及过流双重不同情况下的可靠动作。GMKP的性能特点①比特性更高，体积更小，大大提高单柜的补偿容量，GMKP的比特性比第三代产品大大提高（见表示），以常用的400V，15kvar为例：BZMJ为173mm×70mm×300mm，4kg；GMKP仅为φ70×230mm,1.4kg。这使得在同样尺寸的无功补偿柜中，以100kvar为例，补偿容量可提高到250~350kvar，甚至更高。电容器容量安装尺寸/（mm）单台重量/kg/kvarBZMJ（长*宽*高）GMKP（直径*高）体积比BZMJGMKP重量比5173*70*18070*1631：0.0921.50.62.51：110173*70*24070*2001：0.262.81.12.55：115173*70*30070*2701：0.2864.01.42.86：120345*100*265116*2251：0.267.02.13.33：125345*100*295116*2671：0.288.52.53.4：130345*100*315116*2801：0.4112.24.03.05：140345*100*355142*3171：0.4114.24.43.23：150345*100*395142*3551：0.4116.24.73.45：1平均1：0.3433.19：1②真正干式，无油化，高性能，与第三代采用属于可熔性介质植物油与着火点虽但也有燃烧可能的环氧、石蜡等相比，GMKP是真正的无油化干式产品，防火防燃。由于充入特殊保护气体，更加提高元件的电性能，过电流能力大于2倍的额定电流，而受冲击达到200倍的额定电流，此外有功损耗仅在0.2W/kvar之内。③全新保护更安全可靠，目前电容器一般采用机械过压保护与温度速断保护。机械过压保护是在介质击穿而不能自愈使壳内气体达到导致外壳爆裂压力50%左右时，对应外壳的膨胀变形是必须切断保护箔，温度速断保护是元件故障时产生出的高温气体使内部温度升高到89~93℃左右，温敏元件动作将电容器退出，其弊端为：经常由于保护箔拉不断或温敏元件误动作导致电容器炸裂；或者是保护装置过于灵敏，而发生误动作。GMKP采用安全型熔丝及外壳保护的“双重”保护方式：一是内部特殊熔丝中断凹去特殊一块，当故障电流达到一定值时熔丝熔断。二是故障时气体达到一定压力将电容器上壳盖凸起，凸起高度将拉断与上盖相连的保护丝的凹缺部位（应断点），因此更加安全可靠，称为免维护产品。GMKP与国产老一代产品主要安全性能对比如下表示：GMKP与国产电容器安全特性比较GMKP国产电容器可燃性特殊保护气体防火——不燃烧阻燃——对火焰有阻挡作用油式、蜡式、环氧式均能燃烧安全装置压力、电流双重保护，对使用损坏与突发冲击电流损坏均能保护单一保护端子防护完全可触护端子部分带电外壳保护铝壳不生锈外壳易锈放电模块有防护装置，能更换直接内置，损坏后不能更换环境保护可回收，无污染污染产品GMKP与国产电容器安装方式对比内容GMKP国产电容器安装镙栓仅需底部一个，（M12mm）节省安装时间需4个镙栓安装姿势可360度任意角度，任意位置只能直立电缆并联双端子并联，更适合组合使用单端子并联安装间隔可紧靠（线接触）不能紧靠（面接触）户外安装专用防护套，简单方便需加装铁壳海拔高度4000米2000米GMKP与国产电容器使用寿命比较比较指标:影响寿命的电容器原件喷金层膨胀比率浸渍物膨胀比率制成电容器统计寿命型式硅油3%5~7年非真式矿物油3%~4%非真式S油7%5年左右非真式凡士林遇高温即变液体2~3年半干式石蜡70℃左右变液体，一般只能用于230V电容器产品2~3年半干式半干式气体无膨胀问题10年真正干式④环保性更好，使用寿命更长，欧洲环境部门认定GMKP废品可作为一般垃圾处理的环保产品。统计其使用寿命平均达到10万h以上，昀长可达16万h，大大高于第二代产品。如表示⑤安装灵活，成套性更好，国产老系列产品只能直立安装，而GMKP可以旋转360°任意方向安装，使设计师非常方便地设置它的位置，并且可安装在海拔4000m高度。如表示。GMKP的接线生产采用很方便的接插式端子，可直接接入35cm2以下的导线。据统计，可减少50%的安装和连接时间，GMKP可方便地组合成壳式，墙上（柱上）安装式[50kvar（4×12.5kvar）,600mm×600mm×245mm]和柜式[2×176kvar（11kvar×16），2280mm×（2×600）mm×630mm]结构，约2m高的立体柜补偿容量可达500kvar（无电抗器）或300kvar（带电抗器），壳式结构可方便地替代BZMJ产品的方形与椭圆形结构。低压电容器装置欧洲无功补偿装置(GMKPb)的技术与性能巳更新换代。与老一代无功补偿相比，GMKPb结构为小型化模块化设计，具有更紧凑、更安全可靠、补偿精确、远程遥控、免维护等特点，特别是还具有抑制谐波防止谐振的关键作用，体现了21世纪电器产品小型化、无油化、智能化、环保化的发展趋势。GMKPb的技术特点为:带串联电抗器保护:（1）欧洲早在十几年前就认识到电网谐波对干扰与损害电网安全及关联用电设备正常运行的危害并制定了强制性法规，基本上只允许安装串联电抗器的无功补偿装置。实践证明：虽然装置增加了一些成本，但是其明显优点如节省无功电流费用，减轻导线、熔断器及变压器的负荷，减少谐波电流与谐波电压，防止电网谐振使整个用电电网与供电电网更安全可靠与高效。（2）GMKPb常用串联电抗率为5.67%,7%,14%，其相应谐振频率分别为210Hz，189Hz及134Hz。由于电网中谐波主要是5次与7次谐波，通常7%的电抗配置能解决绝大多数问题，即既能防止电网谐振，又能适当吸收电网谐波。但如果系统情况复杂，需要采用不同于7%电抗率，则必须经过实地实时测量后才能确定正确的串联电抗率。如果电网中经常出现的是三次谐波，则必须选择14%的电抗率。（3）中国多数用户由于成本问题排斥使用带电抗的无功补偿方案，但是有些情况下必须串联电抗器：根据欧洲的经验与规范，如果用户产生谐波设备的总功率（KW）达到企业用电总功率的10~15%时；或者在5次谐波时谐波电压高出电网电压2%（或者总的谐波频谱的谐波电压高出电网电压3%）时，则必须串联电抗器。要注意的是，这些数值的确定应在低负荷动作时段进行考查，因为这时用电设备的电网抑制消失，容易产生推移而导致快速形成谐振。采用昀新的气体介质型圆柱形环保化电容器GMKP:（1）GMKP电容器与老一代产品相比主要是介质上的革命。GMKP采用特殊气体作为介质代替原有的油或环氧。故其比特性大大提高，使用寿命达到10年左右，并且是新一代的环保型产品。（2）由于GMKP电容器为圆柱形结构，方便紧凑型安装，可设计成“子弹夹”式大大减少空间；GMKP本身重量与体积仅为现有国产产品的1/3左右，其本身又大大减少柜体重量与体积；相同柜体的补偿容量可增加2~3倍。由于老式电容器的油式结构使其只能竖立安装，而GMKP的气体介质可在各个角度保证电容器内都不出现绝缘“空洞”而可以任意位置任意角度安装，这些特点使GMKPb可灵活设计成模块式、抽屉式。（3）GMKP电容器是真正的干式产品，为五级安全型设计，特别是其保护装置采用过压力拉断与电流熔断双重保护，确保在任何场合均安全可靠地切除故障电容器。采用全自动智能型控制器（1）具有全自动、半自动、手动三种模式，可以自动检测并“记住”电流互感器的位置和柜子中各组电容器的容量。（2）采用昀优控制比控制方式，较传统的等值投切方式可减少回路40~60%，降低成本30~50%。如100kvar可设定为1：1：2：4模式，即12.5：12.5：25：50千乏，仅4个回路；传统方式如仍以12.5千乏为昀小组，则需8个回路。以250千乏为例比较如下表组成回路数每一回路电容器数电容器总数接触器数电抗器数控制组合数组合回路数（如75kvar）传统式25kvar×1010均为25kvar25kvar10台10个10台10种需三个回路控制比式1：1：2：2：4525,25,50,50,100其中：50=25×2100=25×425kvar10台5个5台10种仅二个回路（3）循环的非线性投切。按FIFO（先进先出）原则投切实可切：如电容器按1-2-3-4-5顺序投入，则也按1-2-3-4-5顺序断开，以把负担平均分配给所有的部件，如电容器与接触器。此外电容器从切断到再次投入前有足够的时间进行放电。同时，循环投切也适用于变动投切程序：如在1：2：2：2：2：2控制比中，所有“2”组可循环，“1”组则用于微调；在1：1：2：2：4例子中，相同组（1：1及2：2）亦可实现循环。（4）优化投切。通过不断测量无功的变化，总是可以投入功率尽可能大的电容器。如25：25：50：50千乏柜子中，在无功至少需50千乏情况