[文章]：谈断路器电容器介质损耗问题

sudan2008

摘　要：通过对断路器电容器特点及其损耗产生的分析，解释了断路器电容器常见的低场强下损耗角正切tanδ易于偏大以及随着时间的增加tanδ增长的现象，并提出解决措施。
　　 关键词：断路器电容器；　损耗角正切tanδ；　杂质；　离子损耗
　　
　　1　前言
　　　　断路器电容器（又称均压电容器），主要并联接于断路器的断口上，从而使各断口间的电压均匀。高压断路器的灭弧室常由几个断口串联而成，由于对地杂散电容C0常大于断口电容C1、C2，因而图1（a）中，
　　
　　C1断口上承受绝大部分电压，电压是极不均匀的。
　　　　而如图1（b）在每个断口上并联了等容的均压电容Cs后，
　　
　　由于Cs>>C0>>C1、C2，所以分压比得到了很大的改善，n近似等于1（约1．02～1．05），使得断口间的电压分布均匀以利开断，并且避免在断口开断后因电压分布不均匀而造成损坏。
　　
　　断路器电容器的基本结构与耦合电容器相似，通常采用瓷套外壳，元件全部串联，内部带补偿浸渍剂随运行温度变化而体积变化的金属波纹管。它的材料、工艺及质量与其它电容器基本相同，但断路器电容器常出现损耗角正切tanδ偏大的现象，而这种情况在其它类型电容器中却并不突出，因此，本文就断路器电容器tanδ值偏大的原因以及一些改善的方法进行一些探讨。
　　2　断路器电容器损耗的产生及tanδ值易于偏大的原因　　
　　　　电容器浸渍剂中含有的杂质，尤其是离子杂质，影响着tanδ的大小。介质在电压作用下的能量损耗是由极化损耗（如偶极子极化，夹层介质界面极化等）和电导损耗引起的。由于目前电容器用浸渍剂均为弱极性液体介质（相对介电常数为2．2～2．6），极化损耗极小，因此，浸渍剂的损耗主要由电导损耗决定。
　　　　正常工作状态的液体介质中构成电导的因素主要有两种：一种由液体本身的分子和杂质的分子解离为离子，构成离子电导；另一种是液体中的胶体质点（如浸渍剂中悬浮的小水滴）吸附电荷后，形成带电质点，构成电泳电导。由于电容器采用真空浸渍工艺，边抽真空边注油，脱气、脱水效果可以得到保证。因此我们着重分析离子电导对断路器电容器损耗的影响。电容器元件极板间被各层固体介质（膜或电容器纸）分隔出若干个区域，浸渍剂中的离子充斥在各个区域内，当没有外电场时，正负离子杂乱无章地分布，并不消耗能量。当施加电压时，沿着电场方向，油中离子随电场方向的交替改变在狭窄的空间来回运动，产生损耗。
　　　　在工频电源下，当施加较低电压UA时，在一个周波内，离子从极板E出发，还未到达固体介质D，就随着电场交变又回到极板E。当升高电压到UB时，离子在一个周波中，刚好从极板E到固体介质D，又从D回E。此时损耗随电压的增加而增加。当电压仍然上升，由于带电粒子无法穿越介质层，到达E或D时受阻，只能在E与D狭小空间内来回运动，这时损耗不再增加，而无功功率Q随着电压的增加而增加，损耗角正切等于有功功率除以无功功率，因此tanδ随着电压的上升而下降。当电压超过额定电压继续上升，在高场强的作用下，液体中由于解离或碰撞电离等产生带电粒子增加使电导率变大，引起泄漏电流增大，发热增多，损耗的增加远大于无功功率的增长，从而tanδ值增加。在进一步的强电场下，除了电导损耗外，还有介质孔隙中气体电离所引起的损耗。当油分解出气体形成气泡，气泡中的场强Eg为油中场强Eo的εr倍，而气体的击穿场强比油低得多，所以气泡先开始电离，这又使气泡温度升高，体积膨胀，扩大气体通道，最后发生击穿，tanδ也就急剧地上升。在断路器电容器的使用或试验中，电压不会无限制地超过额定电压Un，因此图3中C区域并不为我们关注。
　　
　　断路器电容器的额定电压一般为40～360kV，随着断路器断口开断能力提高，断路器电容器的额定电压不断增高，但用户很少有条件能在产品的额定工作电压下测量损耗，大多在10kV电压下测量，这时的tanδ值在图3中A区域，以上的分析提示我们低场强下tanδ值并不能真实地表明产品额定电压下运行时的tanδ，它必大于额定电压时tanδ。
　　　　此外，断路器电容器的电容值特别小，也决定了它的tanδ值易于偏大。由于断路器电容器电气联接为元件全串（如110kV绝缘水平的产品元件个数约100～140个），电容值极小，因此断路器电容器的无功功率Q较小，当有功功率P稍有增加时，断路器电容器的损耗角正切将明显增大。
　　　　断路器电容器还有一个常见的现象，就是随着时间的增加，tanδ值逐渐变大。这是由于极性杂质的存在造成的。断路器电容器的金属波纹管、瓷套等零部件上附着的杂质以及装配过程中混入的杂质，这些杂质慢慢溶于或悬浮于液体中，尤其是橡胶垫圈，它的杂质溶解过程更加漫长。随着时间的推移，杂质由元件外部浸渍入元件介质间，在狭窄空间的杂质带电粒子不断增多，介质的损耗不断增加，使tanδ值越来越大。
　　3　解决措施
　　　　综合上述对断路器电容器损耗问题的分析，我们可以知道，增加产品清洁程度，最大限度地降低离子杂质含量可以改善tanδ较大以及随时间越变越大的问题，具体可采用：　　①加强金属波纹管等零部件的清洗，最好使用安全的有机溶剂。金属波纹管等含有的杂质如油污以及其它焊剂如松香等，极易溶于有机溶剂。国外曾采用三氯乙烯等有机溶剂，后因三氯乙烯有毒性，而改用三氯甲烷等有机剂来清洗零部件，使杂质无法残留在零部件表面上。
　　　　②对密封垫圈可采用前处理方法。断路器电容器采用硅橡胶垫圈与盖子密封。而电容器油（二芳基乙烷、苄基甲苯等）本身就是有机溶剂，可将橡胶上的杂质（填充剂、颜料、润滑剂、硫化剂等）溶于油中，造成tanδ上升。国外有使用氟胶材料做密封垫圈，如杜邦公司Viton胶，效果非常好，但价格昂贵，无法接受。可采用前处理溶解方法，以二芳基乙烷为例，将成形的硅橡胶密封垫圈，在100°C热二芳基乙烷中预先处理10～12小时后使用，可以得到二芳基乙烷的tanδ上升接近零。
　　　　③此外，在装配过程中应尽可能地减少杂质混入产品的可能。比如，在有油装配、无法戴手套时，操作者手中的汗水就有可能混入溶剂中，汗水中的离子杂质对介质损耗的影响比空调过滤的灰尘（SiO2、Al2O3等非离子）的影响要大得多。汗水这些不被人注意的杂质就有可能为产品tanδ的变大留下隐患。
　　
　　桂林电力电容器总厂制造的JAM180－0．0012H型断路器电容器的tanδ与U的关系曲线，它验证了对断路器电容器损耗的分析，同时也表明桂林电力电容器总厂利用高压试验大厅的优势（750kV试验变压器，800kV标准电容器），可以在额定电压下进行电容器损耗的测量。同时，采用较先进的工艺水平及行之有效的措施，减少杂质含量，即使产品在低场强下的tanδ（0．066％）也远远低于国标规定在额定电压额定频率下tanδ≤2％的要求。