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摘要：通过对高压断路器均压电容器tanδ值易于偏大的原因分析，着重介绍了电容介质材料在交流电压作用下的极化损耗和电导损耗，解析了均压电容器在各种场强下tanδ的变化情况，并提出了降低离子杂质体积分数以改善tanδ增大的解决措施。
关键词：均压电容器；损耗角正切tanδ；杂质
1 引言
介质损耗因数是反映高压断路器端口并联均压电容器绝缘性能的一项重要指标。通过测量介损值的大小来发现绝缘整体受潮、油或浸渍物脏污及劣化变质等缺陷[1-3]。由于试验现场存在高电压及强磁场的干扰[4-5]。一些进口均压电容器存在Garton效应[6]。10kV电压下的介质损耗试验不能真实反映设备的绝缘状态。中华人民共和国国家标准《GB/T4787-1996》对断路器断口均压电容器的损耗角正切规定电容器在额定电压和额定频率下，20℃时的介质损耗值不大于0.002。
2 均压电容器损耗的产生及tanδ值易于偏大的原因
电容器介质绝缘（油纸绝缘或膜纸复合绝缘材料）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离解为离子，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，因此着重分析离子电导对均压电容器损耗的影响。电容器元件极板间被各层固体介质（膜纸或电容器纸）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，正负离子运动方向是无秩序的，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U 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U时，离子在一个周波中，刚好从极板E 到固体介质D，又从D 回到E，此时损耗随电压的增加而增加，如图1所示。
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（Q＝ωcU2），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，液体中由于电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（油纸绝缘或膜纸复合绝缘）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，电压是有一定限值的，运行时为系统电压（40-360kV），试验时电压为10kV[7]。
均压电容器的额定电压一般为40-360 kV，随着断路器断口开断能力提高，均压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10 kV 电压下测量，这时的tanδ值并不能真实地表明产品额定电压下运行时的tanδ，它必小于额定电压时tanδ，见表1。
当tanδ不符合要求时，可在额定电压下复测，复测值如符合10 kV 下的要求，可继续投入运行，试验接线一般采用正接线法测量。
此外，均压电容器的电容值特别小，也决定了它的tanδ值易于偏大。由于均压电容器电气联接为元件全串（如110 kV 绝缘水平的产品元件个数约100-140 个），电容值极小，因此均压电容器的无功功率Q 较小，当有功功率P稍有增加时，均压电容器的损耗角正切将明显增大[8]。
均压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。均压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，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[ 9]。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
综合上述对均压电容器损耗问题的分析，可以得出，增加产品清洁程度、最大限度地降低离子杂质含量，可改善tanδ较大以及随时间越变越大的问题。具体可采取的措施有：
（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）均压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 h 后使用，可以得到二芳基乙烷的tanδ上升接近零[10]。
（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）[10]的影响要大得多，而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。
参考文献
[1]闫立秋,孔令明,李立生.SF6开关均压电容器介损测量时的强电场干扰及消除方法[J].山东电力技术,2004(5):60-61
[2]韩宝银,孙东明,魏剑娜.强电场干扰下开关均压电容器tanδ及Cx测量方法研究[J].高电压技术,1999,25(4):91-94
[3]李志兵,许沛丰,刘华伟等.断路器电容器介损随电压变化关系研究[J].电力电容器,2007,28(6):26-30
[4]许沛丰,高军委,张予洛等.对断路器电容器电容及介损测量预试方法的探讨[J].电力电容器,2007,28(4):53-59
[5]常美生,郝立俊.电容式电压互感器电容和介损试验的分析[J].电力学报,2009,24(1):28-30
论文作者:施叶玲,孟阳
论文发表刊物:《电力设备》2016年第18期
论文发表时间:2016/11/30
标签：电压论文; 杂质论文; 容器论文; 介质论文; 电容器论文; 离子论文; 电导论文; 《电力设备》2016年第18期论文;