马乃兵
江苏徐州电业局，徐州221005
1 前言
改革开放以来，全国城市建设发展速度明显加快，中心地区趋向建筑高层化、地下化，人口密集化，负荷密度迅速增长。为了满足城市中心地区不断增长的用电需求，各地在城市中心相继建设了110～220kV变电站。受城市中心地带环保和占地面积的约束，变电一次设备选择趋向小型化、无油化。目前断路器、互感器、串联电抗器、放电线圈、所用变压器等设备都已有无油化产品并且大量投入运行。相应地要求使用干式高压并联电容器。日本、美国等国早在八十年代就开始研制干式高压并联电容器，日本已于1986年将6．6kV、100kvar产品投入运行。国内桂林电容器厂于1996年首先研制开发出干式高压并联电容器，产品投入运行后于1998年5月通过了机械、电力两行业主管部门组织的产品鉴定。随后锦州、苏州电容器厂也相继开发了干式高压并联电容器产品并投入电网运行，迄今已有桂林、锦州、苏州三家电容器厂的干式高压并联电容器产品通过了两部鉴定。据不完全统计，截止到2000年底投入电网运行的干式高压并联电容器总容量已超过1Gvar，单组最大容量可达到20Mvar。干式高压并联电容器产品投入电网运行后总的情况是比较好的，但也出现了一些问题，存在的争议也比较大。本文就干式高压并联电容器制造运行等方面的技术问题进行一些分析探讨。
2 高压干式电容器的结构
2．1 元件结构
国内外高压干式电容器元件均采用金属化薄膜卷制，金属化膜卷绕后端部喷涂金属并用导线焊接引出，元件外部采用树脂灌封以隔绝空气。金属化膜则采用在聚丙烯薄膜表面蒸镀一层很薄的金属充当电极，薄膜表面蒸镀采用的金属材料主要有铝和锌两种。在空气中，镀铝电极通电加热后会产生水柱状浸蚀点，电极腐蚀脱落，电容量下降较大，稳定性较差；镀锌电极电容量稳定性较好，但锌膜在空气中很容易氧化，造成电阻率明显加大，要求加工周期短，工艺水平高。国外干式电容器元件内部充SF6气体，试验表明在SF6气体中镀锌电极电容量稳定性较差，镀铝电极电容量稳定性较好，因此采用镀铝电极。国内桂林电力电容器总厂根据空气中锌膜电容量稳定性好而铝膜存储周期长的特点采用铝锌复合膜，锦州电容器厂采用银锌复合膜。
研究结果表明金属镀层的厚度对电容器性能影响很大，镀层越薄击穿场强越高，自愈时所产生的能量越低。但镀层越薄，元件端部喷金部分与镀层边缘的接触电阻越大，在合闸涌流的作用下，接触电阻发热会导致电容量下降，损耗增大。为解决这一矛盾，可采用镀层边缘加厚技术，国内制造厂产品镀层厚度在0．01～0．05μm之间。研究表明，元件内部存在空气是造成运行中存在局部放电的主要原因，而局部放电的存在会造成电容量下降，寿命缩短，因此必须尽可能减少元件内部的残留气体。元件卷制过程中必须采用恒定张力并用压辊压在卷绕表面上，尽量减少膜间空隙及皱纹，将空气挤出去，元件端部喷金后应在真空状态下加热，进一步排除内部残留气体。
2．2 单元结构
国外干式电容器是将元件串并联后固定在支架上装入金属外壳，壳内充SF6气体，为提高承压能力外壳做成圆桶型。从提高产品局部放电起始电压的角度出发，希望提高SF6气体压力，但随之而来的问题是增加外壳生产成本。优点是产品可以直接落地，单元电容器额定电压较高。干式电容器与油浸式产品相比，体积增加200％，重量增加40％，造价也成倍上升，制约了干式电容器产品的推广应用。美国GE公司生产出7．2kV、200kvar产品并通过了试运行后，由于造价偏高而放弃了推广应用。国内干式电容器从降低造价的角度出发，不考虑单元电容器直接落地，对地绝缘采用支持绝缘子。单元电容器根据容量大小，采用多个元件并联，装入单元外壳。单元额定电压较低，目前最大可以做到1．732kV。
2．3 保护装置
国外高压干式电容器单元普遍采用压力保护。单元电容器内部发生故障时，气体压力升高，压力保护动作将电容器单元极间短路促使保护装置动作将电源断开。除压力保护外还有安全阀作为后备保护，这种保护配置方式是很可靠的。国内高压干式电容器元件采用内熔丝保护，由于干式电容器元件电极很薄，极间发生不能自愈的击穿时极间电阻变化很大，电流值有时增加不大，难以选择一种内熔丝适应如此宽的保护范围。因此根据元件故障时温度与压力升高这一情况，采用极间并联一个小保护元件，故障时保护元件接通造成极间金属性短路（这一点在原理上与国外压力保护相同），由内熔丝动作切除故障元件。锦州电容器厂在单元电容器内部充填蛭石起阻燃防爆作用，进一步保证单元电容器不爆炸不燃烧。
3 高压干式电容器的性能
3．1 局部放电问题
国产高压干式电容器正常运行时存在局部放电，这一点勿容置疑。据国家电力电容器质量监督检验中心对某厂80kvar干式电容器试验结果如下：
更低电压水平下的局部放电量未测。局部放电的存在可能会造成薄膜击穿，但由于能够自愈，短期运行不会存在问题。至于局部放电对电容器运行寿命有多大影响？需要进行进一步的深入研究。降低局部放电主要应从改善屏蔽措施及减少元件内部空气含量两方面入手。目前高压干式电容器组均采用多台单元干式电容器串并联组成，每台单元干式电容器以相应电压等级的绝缘子支撑对地绝缘，外壳带电形成电场屏蔽。对于多串联段的单元电容器，应在每个串联段增加屏蔽罩，同时从串联段的中部引出接外壳，以降低端子对外壳的电位，提高屏蔽效果；电容元件外形应采用圆柱形，在端部喷金部位焊接一圈圆铜线以均衡电场分布。从运行方面分析，电容器额定电压一般取系统额定电压的1．1倍，母线实际运行电压超过系统额定电压的1．1倍时电容器应退出运行（因为10kV母线电压合格范围为1～1．07Ue）。因此，实际运行中由于电压水平较低，局部放电问题不会很突出。从制造业方面，应提高工艺水平，尽量减少元件内部空气含量，采取适当的屏蔽措施，提高产品局部放电起始电压。机械行业标准《自愈式高电压并联电容器》中以能够长期运行为理由不列入对局部放电的要求条文，这一点值得商榷。因为局部放电量的高低毕竟能够反映制造工艺水平，应当在满足设计运行寿命的前提下合理确定局部放电量限值，促使制造商提高工艺水平。
3．2 寿命问题
高压干式电容器运行寿命主要取决于运行电压和温度。寿命与电压的关系如下：
式中：T—运行寿命；
K—常数；
V—运行电压；
n—电压加速指数，一般取7～9
根据（1）式计算当运行电压为额定电压的1．35倍时，运行寿命为额定寿命的6．7％～12．2％。
寿命与温度的关系如下：
式中：T—运行寿命；
A、m—常数；
t—运行温度
根据（2）式计算，运行温度比额定温度提高10℃时，寿命缩短一半。
《自愈式高电压并联电容器》中规定：老化试验前后电容量下降不得超过3％。根据寿命与电压、温度的关系推断相当于5年内电容量下降不超过3％，年平均不超过0．6％。国内高压干式电容器加速老化试验（40℃，1．35Ue，1500h）结果表明试验前后电容量损失最大为0．83％，制造商以这一试验结果推理保证高压干式电容器运行10年电容量下降不超过3．5％，年平均下降为0．35％。这一推论性结果有待于通过实践检验。老化试验还表明前750h电容量下降较大，后750h电容量基本不再下降，前750h中又以前400h电容量下降较大，后350h电容量基本不再下降。这一结果反应在实践中应该是产品运行初期1～3年电容量下降较大（要求产品经常处于运行状态），以后电容量基本保持稳定。这一结论同样有待于通过实践检验。
4 高压干式电容器的运行要求
4．1 限制合闸涌流
高压干式电容器元件采用端部喷金，喷金部位导电能力较差，研究结果表明高幅值 电流多次冲击容易造成端部接触质量降低，喷金脱落。因此，高压干式电容器应采用串联电抗器限制合闸涌流，不考虑限制谐波放大时，串联1％的电抗器即可。
4．2 注意运行电压
电容器额定电压一般取系统额定电压的1．1倍，如果电容器串联了限制谐波放大作用的电抗器（电抗率在6％及以上），由于串联电抗器的作用会造成电容器运行电压高于母线运行电压。高压干式电容器过电压能力较差，《自愈式高电压并联电容器》中规定1．1倍额定电压每天运行不得超过12h，这种情况下可以选择高一级额定电压产品（如1．2倍系统额定电压产品）。
4．3 加强夏季通风散热
温度对高压干式电容器的寿命影响很大，环境温度虽然重要，起决定作用的却是冷却空气温度。城市中心变电站安装高压干式电容器，场地一般比较狭小，散热条件较差，夏季高温季节要注意电容器室的通风，必要时可以选择较高一级温度类别的产品。
5 发展趋势
国内现有的高压干式电容器元件额定电压偏低，10kV等级产品就需要串联4～6个单元，造成连接线及瓷瓶等元件太多，清扫维护工作量大。今后应当通过改善屏蔽措施，减少元件中空气含量进一步提高元件额定电压，减少串联单元数量。最近，西安、无锡电容器有限公司对现有的集合式电容器采取去掉大油箱内的绝缘油，保留单元电容器不变，适当加大绝缘距离，大油箱内充SF6或N2气体，做到了产品少油化。这种充气集合式电容器不会发生爆炸和燃烧，产品价格与传统的充油集合式电容器相比增加幅度很小，也能够适应城网变电站的要求。对于单元内部充SF6气体的干式电容器，西安西电电力电容器有限责任公司已有产品问世，这类干式电容器国外已有十几年的运行经验，技术比较成熟。
6 结语
国产高压干式电容器吸取了低压自愈式电容器的制造经验，采用降低元件额定电压，多台单元电容器串联，以支持绝缘子解决对地绝缘，降低了产品造价，满足了城市变电站设备无油化的要求。尽管在制造初期，个别制造商产品因保护措施考虑不够完备，运行中造成了一些事故，但通过技术改进，这些问题正在得到解决。一个新产品都需要通过实践才能完善，正如集合式产品在发展之初也存在这样那样的问题，通过实践得到完善一样。国家电力公司在1998年颁发的《关于加快城市电力网建设改造的若干意见》中明确提出城市电力网的设备选择要坚持技术进步，力求减少占地和建筑面积，要注意小型化、无油化。为高压干式电容器的应用提供了广阔的前景。今后，制造业应进一步提高元件额定电压，降低局部放电水平。
参考文献
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