電容器組合介質(zhì)介電常數(shù)與壓緊系數(shù)關(guān)系分析

電容器組合介質(zhì)介電常數(shù)與壓緊系數(shù)關(guān)系分析電力電容器的介質(zhì)構(gòu)造通常采用固體介質(zhì)和液體介質(zhì)組合的方式。由于壓緊系數(shù)的不同，會(huì)導(dǎo)致組合介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生變化。本文通過(guò)對(duì)組合介質(zhì)介電常數(shù)和元件電容量計(jì)算公式的分析，得出了不同介質(zhì)構(gòu)造情況下壓緊系數(shù)變化與組合介電常數(shù)之間，以及元件電容與壓緊系數(shù)之間的關(guān)系，對(duì)電容器的設(shè)計(jì)起到一定的指導(dǎo)作用。

電容器中的介質(zhì)類(lèi)型主要有固體介質(zhì)、液體介質(zhì)或氣體介質(zhì)。固體介質(zhì)是電力電容器的主要介質(zhì)材料，液體介質(zhì)和氣體介質(zhì)在電力電容器中用作浸漬劑，以填充固體介質(zhì)中的空隙。電容器中的介質(zhì)通常是由兩種或多種介質(zhì)材料組成的，即組合介質(zhì)。組合方式多種多樣，如浸漬紙、浸漬膜紙、浸漬膜的組合介質(zhì)等。由于液體介質(zhì)具有擊穿場(chǎng)強(qiáng)高、介電常數(shù)大、析氣性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠提高組合介質(zhì)的耐電強(qiáng)度，改善局部放電特性和散熱條件等，因此是現(xiàn)階段電容器設(shè)計(jì)制造的主要介質(zhì)組合。1、影響組合介質(zhì)電氣性能的因素

組合介質(zhì)的電氣性能和許多因素有關(guān)。內(nèi)部因素主要取決于所用的介質(zhì)材料(紙、薄膜以及浸漬劑)的成份，不同材料的選取直接影響到介電常數(shù)、耐電強(qiáng)度等指標(biāo)；而外部因素則包括溫度、電場(chǎng)強(qiáng)度、頻率、壓力等。此外制造工藝對(duì)它的電氣性能也有很大的影響。

在諸多衡量電氣性能的指標(biāo)中，一個(gè)重要指標(biāo)就是介電常數(shù)ε。為了使電容器做到容量大，而尺寸小、重量輕，采用高介電常數(shù)的介質(zhì)是很重要的一個(gè)方面。影響組合介質(zhì)介電常數(shù)ε的因素主要有兩個(gè)方面：一是溫度，溫度的影響主要取決于各單一介質(zhì)ε隨溫度的變化，這點(diǎn)在真空技術(shù)網(wǎng)(http：///)前面發(fā)布的許多資料中都有介紹，本文不再討論；二是組合介質(zhì)中各個(gè)材料本身的ε及在組合介質(zhì)中所占的比例，現(xiàn)有資料多數(shù)介紹的是油浸電容器紙或油浸膜紙組合介質(zhì)，而目前電力電容器行業(yè)普遍采用的是油浸薄膜，所以本文主要分析這種組合介質(zhì)的介電常數(shù)。2、電容器的壓緊系數(shù)

電力電容器是由多個(gè)元件串并聯(lián)而成的，對(duì)于油浸薄膜介質(zhì)的電容器，元件在設(shè)計(jì)制造中絕大多數(shù)采用的是鋁箔凸出折邊的，是壓扁式構(gòu)造，如圖1所示。

1-極板(鋁箔)；2-薄膜

圖1元件構(gòu)造圖

在壓扁式元件中，各介質(zhì)層和鋁箔由于其彈性，彼此間不是嚴(yán)密緊貼而是留有一定空間的，改變?cè)壕o程度，此空間便會(huì)變化。同時(shí)元件厚度、介質(zhì)的介電常數(shù)ε、介質(zhì)損耗角正切(tanδ)及其他特性也會(huì)改變。壓緊程度可用壓緊系數(shù)K來(lái)表示。對(duì)于油浸薄膜組合介質(zhì)，其示意圖如圖2所示。

1-極板；2-薄膜；3-電容器油

圖2油浸薄膜組合介質(zhì)示意圖

壓緊系數(shù)K可用下面的公式計(jì)算：

K=dm/d(1)

式(1)中，dm為極板間薄膜介質(zhì)的厚度；d為兩極板間的介質(zhì)總厚度。3、組合介質(zhì)介電常數(shù)分析

3.1、組合介質(zhì)介電常數(shù)與壓緊系數(shù)的關(guān)系

對(duì)于電力電容器，總希望所用介質(zhì)的介電常數(shù)越大越好，這樣在相同體積里可以獲得更大的電容量，產(chǎn)生更多的效益。對(duì)于油浸薄膜介質(zhì)，通常認(rèn)為只要增大其中某一介質(zhì)的介電常數(shù)，則組合介質(zhì)的介電常數(shù)就增大，而提高壓緊系數(shù)就能增大介電常數(shù)。實(shí)際情況真是如此嗎?我們就根據(jù)這種組合介質(zhì)介電常數(shù)的計(jì)算公式分析如下。油浸薄膜介質(zhì)的介電常數(shù)εf的計(jì)算公式：

式(2)中，εm為膜的介電常數(shù)；εy為液體介質(zhì)的介電常數(shù)；K為壓緊系數(shù)。由電容器設(shè)計(jì)中的基本公式(2)得出，影響ε的因素，并不只有εm、εy，還有前面提到的壓緊系數(shù)K。如果已經(jīng)確定了組合介質(zhì)材料，即組合介質(zhì)中各個(gè)材料本身的ε已確定，影響組合介質(zhì)ε的主要是壓緊系數(shù)K。

將式(2)的分母重新整理，得到：

對(duì)式(3)開(kāi)展分析，壓緊系數(shù)K的取值在0～1之間，如果εm和εy值給定，得出以下結(jié)果：

1)當(dāng)εy>εm時(shí)若K=1，εf最小，其值為εm，即組合介質(zhì)為單一的膜；若K=0，εf最大，其值為εy，即組合介質(zhì)為單一的油。這兩種情況在實(shí)際中不可能出現(xiàn)，εf的值只能在εm和εy之間，且隨K反向變化。

2)當(dāng)εy<εm時(shí)若K=1，εf最大，其值為εm，即組合介質(zhì)為單一的膜；若K=0，εf最小，其值為εy，即組合介質(zhì)為單一的油。同樣，這兩種情況在實(shí)際中也不可能出現(xiàn)，εf的值仍介于εm和εy之間，但隨K正向變化。如果介質(zhì)組合是已知的，則εm和εy就變成固定數(shù)值了。目前電力電容器所用的固體介質(zhì)主要是聚丙烯薄膜，液體介質(zhì)主要為芐基甲苯，這兩種介質(zhì)的介電常數(shù)分別為2.2和2.65(25℃時(shí))，將這兩個(gè)數(shù)值代入式(3)中，可以確定εf和K之間的關(guān)系。對(duì)于全膜介質(zhì)考慮到其膨脹，采用0.75≤K≤0.90。我們?cè)谶@兩個(gè)值之間每間隔0.02取K值，由此建立εf和K之間的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3組合介電常數(shù)εf和壓緊系數(shù)K的關(guān)系曲線

從圖3中可以看出，在聚丙烯薄膜浸漬芐基甲苯的情況下，隨著K值的增大其組合介質(zhì)的介電常數(shù)將減小，但電容量是否會(huì)隨之減小，還需進(jìn)一步分析。

3.2、元件電容量與壓緊系數(shù)的關(guān)系

對(duì)于油浸薄膜介質(zhì)電容器，其元件的電容量可用下面的公式計(jì)算：

式(4)中，Cy為元件的電容量；εf為組合介質(zhì)的介電常數(shù)；bjb為鋁箔極板的厚度；Dp為元件卷繞心軸直徑；ωy為元件卷繞圈數(shù)；K為壓緊系數(shù)；dm為極板間薄膜介質(zhì)的厚度。對(duì)于設(shè)計(jì)好的電容器元件，其bjb、Dp、ωy和dm均為固定值。將這些值與式(4)的數(shù)字統(tǒng)一合并為常數(shù)A，式(4)可轉(zhuǎn)換為：

Cy=AεfK(5)

再將式(3)代入式(5)，得到：

同樣，以聚丙烯薄膜浸漬芐基甲苯分析，將它們的介電常數(shù)代入式(6)中，得到：

對(duì)于式(7)，繼續(xù)間隔0.02在0.75～0.90選取K值，由此建立Cy/A和K之間的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4元件電容量Cy/A與壓緊系數(shù)K的關(guān)系

從圖4可以看出，隨著壓緊系數(shù)的增大，元件電容量確實(shí)是向增大的方向變化的。但這并不意味著K值越大越好，K值過(guò)大，可能造成元件浸漬不良，導(dǎo)致介質(zhì)強(qiáng)度下降、局部放電等問(wèn)題的產(chǎn)生，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，一定要根據(jù)實(shí)際情況開(kāi)展計(jì)算，選取適當(dāng)?shù)腒值。4、結(jié)論

從以上分析，可以得出如下結(jié)論：

1)壓緊系數(shù)K對(duì)ε的影響主要取決于εm和εy的