关于低压并联电容器元件质量的探讨

发布时间：2015-05-27

　引言

　　金属化膜并联电容器由于绝缘击穿时具有自愈性能(即自行恢复绝缘的性能)，因此又称为自愈式并联电容器。在低压配电系统的无功补偿中，自愈式低压并联电容器已被广泛地使用，出现故障甚至损坏的情况也相当多。损坏原因很多，有时是因设计制造问题，有时因为使用不当，有时是因电网本身的原因造成。

　　为了更好地提高产品质量，分析损坏的原因，在此简单地介绍一下自愈式低压并联电容器的构成。自愈式低压并联电容器，是以单面电晕处理的聚丙烯膜为介质，单面真空蒸镀金属层为极板，采用无感绕法而形成圆柱体，在圆柱体两端喷金，焊接引线，然后封装成为电容元件，更后把元件装在金属外壳中，成为电容器成品。元件质量的好坏直接影响到电容器的质量,从对损坏电容器解剖来看，几乎都是因元件的击穿引起的;击穿的部位又往往集中在元件的端面处;可见元件端面的质量至关重要。而喷金面的质量，不仅与设备有关，而且还与喷金料的成分、气压的大小、喷枪运行的速度及电容器本身的错边量大小等因素有关。这里主要从电容器元件的设计、生产工艺中的喷金设备各参数的控制、生产实践中的经验几个方面来作以简单的分析。

　　1.元件线电流的选取

　　金属化电容器的元件是由两张单面蒸镀金属层的膜卷而成。元件电流的引出是通过元件两端面喷涂的金属层来实现的。因此，元件端面的涌流能力要受到喷金层与元件端头结合情况影响，也与元件设计时的线电流有关，我们根据下列公式：

　　IC=I1*×L

　　I1 ——线电流mA/m

　　IC——通过元件端面的电流mA

　　L——元件展开的金属化膜的长度m

　　所以在元件设计时一定要考虑不要把线电流设计的过大，否则无法保证元件端面质量，线电流选取过大，超过端面所承受的更大限度，元件端面就会被击穿。当然从理论上讲，线电流设计得越小，端面质量就越可靠，但实际设计中还应多方面考虑，选择一个合理的值。通常情况下，线电流的设计值在50mA/m左右比较适宜。

2.喷金层端面损耗的构成

　　金属化元件端面如图1，等效电路图如图2：

　　C为电容器元件电容，R为导电部分的电阻，包括喷金层本身的电阻R1，接触电阻R2，膜上的电阻R3。元件的损耗tgδ=ωRC。从理论上讲，喷金层的接触电阻R2为0，实际是R1等于0，R2不等于0。这是由于元件端面的喷金层与膜表面的金属层之间连结基本处于两种金属材料的欧姆接触状态，因而存在一定的接触电阻。

　　R3=2(R□/L)[W/3+(m+d)]

　　其中：R□—膜上金属层的方阻

　　L—膜的有效长度cm

　　W—膜的有效宽度cm

　　m—留边cm

　　d—错边cm

　　可见元件的损耗实际上由R2和R3决定，R2和R3的大小也就反映出元件损耗的大小。因此，元件端面的损坏过程实际上也就是R2的变化过程，R2直接反映元件端面的质量。

　　(1)如果喷金层质量差，那么R2则增大。

　　喷金颗粒的大小，压缩空气的干燥状况、喷枪口与元件端面的距离，喷金锌丝的氧化程度如果不符合工艺要求，就会导致喷金层与金属层接触电阻的增大，以致元件端面被击穿。

　　(2)实际上由于膜上的金属层氧化引起方阻的增大，那么R3则增大。

　　所以从工艺制作上，元件绕的太松，使膜与膜之间以及元件端面间存在微量水份和空气，运行时因受到热、电的综合作用，使金属层氧化，引起方阻增大，从而导致元件损耗的增大，使元件击穿。

　　从以上分析可以了解到，元件端面的质量不但同元件线电流的取值有关，而且元件的喷金工艺对其也起着至关重要的作用。因此一定要加强喷金工艺中各参数的设置，控制好喷金工艺将直接影响金属化电容器的元件质量。

　　3.喷金设备各参数的影响因素

　　如何提高喷金工艺的水平，应从喷金工艺参数的设定和设备改进等几方面来考虑，目前所采用的喷金工艺有两种：一是氧、乙炔火焰法;一是电弧法。电弧法自动喷金工艺参数容易控制和保证。我公司采用的是电弧法。喷金工艺主要参数设置包括：电压和电流;喷金丝送丝速度及其平稳性;压缩空气的压力;喷射方向与元件端面成的角度;喷金层的厚度和工件移动速度;除尘器的除尘强度和排出室内空气流量;喷金室内的空气成分等。这些因素互相制约地影响喷金质量，要综合考虑各工艺参数，并在大量试验的基础上，进行工艺参数的选择。

　　3.1喷金设备电压、电流大小的影响

　　由于喷金设备所用的设备为电喷法，设备电压经过长期的试验一般控制在空载时26V，工作时20V左右，工作电流(260～270)A;当施加电压为20几伏时，断续电流峰值达150A以上，金属粒子变粗，成团溅射。为了能更好的增加附着力，采用先喷细晶，后喷粗晶的加工方法，这样既有利于焊接，而且增加了喷金层的附着力。在设备运行过程中，一定要选择合适的电压和电流，使设备喷出的粒子符合工艺要求。

　　3.2喷金丝送丝速度的影响

　　一般来说，喷金丝直径一般为2.0mm左右的锌丝，平均进丝速度为10.40m/min;送丝速度要恰当，过快不能使喷金丝充分熔化，过慢则熔化温度过高，且要求速度平稳，否则，喷金层颗粒均匀度较差。

　　3.3压缩空气压力的调整

　　压缩空气的压力粗晶(4.5~5)bar，细晶5.5 bar，这样的压力能将熔化的喷金颗粒形成雾状，喷射到电容器端面，并介质牢固结合，且喷金层颗粒细小，若气压过高，将使错位伸出的聚丙烯薄膜发生倾斜，这样不仅不能喷上金属层，而且影响端面的接触牢固程度，大大减小接触面积。另外，喷金层含有较高杂质，将增加接触损耗。尤其是压缩空气的油分，在电弧的作用下，分解成各种有害成分，腐蚀氧化喷金层，大大增加接触损耗。因此在调整好压缩空气压力的同时，对压缩空气的质量也应该给予更多的重视，确保到达元件端面的压缩空气质量干净，无杂质、油、水等成分。

　　3.4喷枪喷射方向的影响

　　经过多年的经验，并通过大量的试验验证，喷金枪的喷射方向与元件端面成110°夹角如下图：

　　这样喷金熔化颗粒能进入层与层之间的缝隙、比较结实的附着在薄膜的金属化层上，增加接触面积和增强结合层的牢固程度。但是，距离不能太小，和相对角不能太大，否则，熔化颗粒增大，影响产品质量。

　　3.5喷金层的厚度和工件移动速度的影响

　　根据经验喷金层厚度一般在(0.5-0.6) mm，喷金层厚度要求：粗晶(0.23+0.02)mm ; 细晶(0.23+0.02)mm;因为太薄焊接时容易烫伤膜层，太厚成本高，而且小卷芯在喷金后分离时易引起喷金层剥落。喷金厚度的控制一般可通过调节送丝速度和工件移动速度来实现。但调快送丝速度可能影响金属粒度。工件移动速度控制在(0.5-2.3)m/min范围内，为使电容器端面控制在0.46mm，移动速度不能过快，否则喷金层太薄会增加接触损耗，也不利于引线焊接。

　　3.6除尘器的除尘强度和排出室内空气流量的影响

　　除尘器的除尘强度大则能把悬浮在喷金室内的颗粒杂质除掉，避免喷金层带有杂质及颗粒。同时排出喷金室内的流量应大于压缩空气流量的20%左右，能把电弧所产生的大量臭氧充分排出喷金室，防止臭氧氧化融熔的喷金料滞留在喷金室内，使接触损耗增大。喷金室内的空气必须清洁，无水和油的含量，以增加喷金层的纯度和结合力，减少损耗。

　　4.为提高喷金质量对设备采取的改进措施

　　4.1减少端面污染，提高喷金层与芯子端面的附着力

　　芯子端面的污染造成喷金层与端面的粘接强度严重下降，等效串联电阻增大，致使电容器的tgδ增大，载流能力下降，可靠性降低。通过对失效产品的解剖看，有一定比例失效产品是由端面受污染引起的。对芯子端面的污染主要是来自对芯子端喷金时，反射金属灰对另外一端的污染，并且这种污染不宜清除。由于它们附着在芯子表面上，当对此面喷金时它们阻挡了喷金粒子进入到膜间，因而降低了喷金层与芯子端面的附着力。

　　通过观察发现这种污染主要是由气流紊乱引起的。气流紊乱的原因有二：一是集尘装置的引风口在喷金机的一侧引风，其中气流与压

　　缩空气的喷射气流成直角，造成气流紊乱;二是放芯子的托架空心面积不够，喷金气流喷射到托架底部产生一定的反射造成芯子下端面的污染。

　　针对上述两个问题我们采取如下措施：(1)喷金机的引风口位置，由侧引风改为底部引风，使喷射气流与引风气流方向一致;(2)对托架进行改进增大空心，减少喷射气的阻力。

　　采取上述两项措施后，增强了喷金层与芯子端面的附着力。改进后的电容器芯子喷金质量通过作充放电实验来看取得了明显效果(见表1)，后来的元件芯子端面没有出现污染而产生失效。