1、本科毕业论文（20 届）11/ kV 并联电容器设计与元件内部电场分析3所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 哈尔滨理工大学学士学位论文I11/ kV 并联电容器设计与元件内部电场分析3摘要无功功率因数是衡量一个国家电力发展水平的标准之一，为了提高电力系统的功率因数，改善电网质量，降低线路损耗，节约能源，普遍采用并联电容器来进行无功补偿。并联电容器元件内部电场分布情况决定了其寿命和运行可靠性，所以在设计及投运过程中，将此作为主要考虑的因素。本论文通过查阅相关文献，阐述国内外并联电容器发展现状，对相应工艺与技术参数进行了比较。选取额定电压 kV
2、，额定容量为31334kvar 的并联电容器，在满足国家标准的情况下进行理论分析计算与结构设计，并从中确定最佳方案，对其生产工艺流程、型式试验、出厂试验和验收试验进行了详细的介绍。采用有限元法，借助相关软件对其元件在不同结构与不同条件下的电场分布进行了细致的分析。给出在极板边缘折边与不折边、极板褶皱、极板间存在气泡、极板间存在金属杂质和介质杂质等情况下的电场仿真结果，并提出工艺改善意见。关键词 无功补偿；并联电容器；电场分布哈尔滨理工大学学士学位论文II11/ kV Parallel capacitor design and 3components internal electric fiel
3、d analysisAbstractReactive power factor is one of standards to measure countrys level of electric power development. In order to improve the power factor and quality of system, reduce the loss of transmission line, and save the energy, compensating reactive power is widely applied. Considering perio
4、d and reliability depend on the internal electric field distribution, so its mainly concerned for parallel capacitor design and application.This paper expounds the present development of the parallel capacitor at home and abroad，and give comparison between different manufacturing technologies and co
5、rresponding parameters through extensive reading of literature. Also chooses kV/334 kvar parallel capacitor as an example to 31complete the structure design through calculation which matches national standards, and select the best scheme to introduce the technological process and test project in thi
6、s paper. With the aid of related software, the internal electric field distribution in different structures and different situations such as having the fold or not, with bubbles, with impurities .etc are detailed analyzed by finite element method. The simulation results and improvement algorithm are
7、 proposed as well.Keywords Reactive compensation；parallel capacitor；Electric field distribution哈尔滨理工大学学士学位论文III目录摘要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 课题背景 .11.2 国外并联电容器的发展概况 .11.3 我国并联电容器的发展概况 .21.4 本论文所做的工作 .2第 2 章 并联电容器结构设计 .32.1 概述 .32.2 并联电容器基本概念与结构 .32.2.1 电容器的基本概念 .32.2.2 并联电容器结构 .52.3 并联电容器设计 .72.3
8、.1 产品型号与电介质性能比较 .72.3.2 并联电容器设计计算 .102.4 并联电容器工艺 .172.5 并联电 容器试验 .182.6 本章小结 .23第 3 章 元件内部电 场分析 .243.1 电场计算方法 .243.1.1 有限元法 .243.1.2 电场的计算模型 .253.2 元件内部电场分析 .263.2.1 极板边缘不同结构的电场分析 .263.2.2 含缺陷元件的电场分析 .313.3 本章小结 .42结 论 .43致谢 .44参考文献 .45附录 .46哈尔滨理工大学学士学位论文- 1 -第 1 章 绪论1.1 课题背景电 网 中 的 电 力 负 荷 如 电 动 机
9、、 变 压 器 等 ， 大 部 分 属 于 感 性 负 荷 ， 在运 行 过 程 中 需 向 这 些 设 备 提 供 相 应 的 无 功 功 率 。 在 电 网 中 安 装 并 联 电 容器 等 无 功 补 偿 设 备 以 后 ， 可 以 提 供 感 性 负 载 所 消 耗 的 无 功 功 率 ， 减 少 了电 网 电 源 向 感 性 负 荷 提 供 、 由 线 路 输 送 的 无 功 功 率 ， 由 于 减 少 了 无 功 功率 在 电 网 中 的 流 动 ， 因 此 可 以 降 低 线 路 和 变 压 器 因 输 送 无 功 功 率 造 成 的电 能 损 耗 。 所 以 并 联 电 容 器
10、 的 无 功 补 偿 作 用 对 电 网 的 供 电 质 量 有 很 大 的作 用 。1.2 国外并联电容器的发展概况世界上最早用来改善功率因数的并联电容器，是波兰人莫舍克设计的，它是一种类似莱顿瓶的电容器，可以做到 10kV 电压等级，极板间介质采用的是玻璃。第一次世界大战期间，美国首先开发了纸介质电容器，当时极板间的固体介质采用普通纸，浸渍剂是石蜡和油。19 世纪 30 年代以后，电容器浸渍剂发展到氯化联苯，由于其化学性能稳定，电气性能优越，耐高温等优点很快被世界范围内广泛采用。30 年代到 60 年代相继生产了使用五氯联苯、三氯联苯作浸渍剂的纸介质电容器。1940 年德国开始采用聚苯乙烯
11、膜生产电容器，但是由于聚苯乙烯膜缺点是耐高温性能差，电容器温度不能超过 55C。为了改善上述性能，研制了聚苯乙烯膜与纸复合电容器，其技术性能远好于纯纸产品。20 世纪 60 年代中期等规双轴定向聚丙烯膜的研制成功，使膜纸复合介质的并联电容器得到了快速的发展。70 年代中期以后，采用纯聚丙烯膜介质（即全膜介质）已成为主要的发展趋势1。结构上，国外高压全膜电容器的元件材料采用双面粗化膜或单面粗化膜，或二者搭配方式，采用两层或三层膜结构。铝箔压花，折边和延伸，铝箔延伸部分采用夹接或焊接。美国西屋公司认为铝箔折边后，其边缘承受过电压能力可提高 40%，GE 公司认为可提高 20%，奥地利 KAP-SC
12、H公司认为铝箔折边后边缘场强可降低 50%75%，日本东芝公司的研究也表明了这一点。由于采用铝箔延伸结构其效果比铝箔折边还要好，所以有的电容器公司也有采用铝箔折边和铝箔延伸相结合的结构。对于电容器内部结构的研究与开发，将成为电容器改善电气性能的关键过程。哈尔滨理工大学学士学位论文- 2 -1.3 我国并联电容器的发展概况我国电力电容器制造业是从 20 世纪 50 年代开始的，距今已经有 50多年的历史。从 20 世纪 80 年代开始，电容器制造厂通过消化吸收引进技术，在制造技术、产品质量和运行技术上都有了快速的发展使我国并联电容器，成功地推出了产品的技术进步，实现了由全纸介质、膜纸复合介质向全
13、膜介质的转化，产品技术经济指标大幅提高，并开发了许多适应国情的和有利于环境保护的新品种，产品质量得到了明显的提高。新一代的全膜电容器选用了优质易浸渍的双面粗化聚丙烯薄膜作固体介质和性能优异的合成液体电介质浸渍剂，并应用铝箔凸出电极焊接（露箔式）新工艺淘汰了传统的插入引线片的电极引出方式，使并联电容器的技术性能和经济指标得到了极大的提高，目前这种全膜结构的电容器技术在国内外是最先进的 2。虽然国内的电力电容器从各方面得到了提高但是还是与国外的产品有一定的差距，具体表现如下； （1）国产壳式高压并联电容器的单台容量小。国产大容量电容器仍然是以单台 334kvar 的为主导。而国外瑞典、美国 GE、
14、COOPER 公司等早就已开始批量提供单台 1000kvar 的电容器了。（2）国产高压电容器比特性差距大。国内外电容器比特性大致比例是国外合资国内=1 1.52，即同容量的电容器国产的体积、质量要比国外的产品大一倍。（3）补偿地点选择不同。国外广泛采用在 345kV 及以下主负荷侧补偿, 国内以在 66kV 及以下三次侧补偿为主。在主负荷侧补偿的优点是直接补偿、效果好, 并可使主变压器结构简化、造价降低、提高输送功率 3。1.4 本论文所做的工作本论文对 BAM -334-1W 并联电容器进了设计及对其元件内部电31场进行了详细的分析。在整个过程中主要做了如下工作：1.介绍并联电容器发展概况
15、，与国外先进技术的比较；2.阐述单台并联电容器的设计、工艺以及试验； 3.对并联电容器在不同情况下的元件内部电场进行分析。哈尔滨理工大学学士学位论文- 3 -第 2 章 并联电容器结构设计2.1 概述电力系统中并联电容器的应用极为广泛，以并联电容器补偿电网的无功功率是无功功率补偿的主要形式。在电力系统中有功功率 ，cosUIP所以 的决定因素是非常大的， 的改变和无功功率有很大的关系，cos cos因此电力系统中补偿无功是非常重要的，无功的补偿主要是以电容的容性无功来进行补偿，因此电力电容器的作用关系到电网的质量 4。2.2 并联电容器基本概念与结构2.2.1 电容器的基本概念电容器的电容是象
16、征电容器储存电荷能力的参量。（1）平板电容器的电容(2-1)dSC0式中 为真空介电常数；0为介质的相对介电常数；为电极有效面积，m 2；S为介质厚度/极间距离，mm。d（2）电容器的储能电容器的储能是指在充了电的电容器极板间所存储的静电能量，即 (2-2)21UCW式中 为电容器的电容，F ；C为电容器极板间的电压，V。U哈尔滨理工大学学士学位论文- 4 -（3）电容器的容量在交流电压的作用下，电容器的容量或无功功率为kvar (2-3)3210fCUIPcq式中 为电容器的电容电流，A；cI为外施电压，kV；U为频率， Hz；f为电容器的电容，F 。C（4）比能、比特性、和储能因数比能是指
17、直流电容器在直流电压作用下单位体积的介质所储存的能量，即KJ/L (2-4)201EVW式中 为能量， kJ；为体积， L；V为电场强度， MV/m。E比特性是指交流电容器单位容量所用介质材料的数量，即体积比特性L/kvar (2-5)rqEfpV201式中 为体积， L；V为电容器的容量，kvar 。qP质量比特性：kg/kvar (2-6)20EfPmrq式中 为电介质的质量，kg；m为电介质的密度，kg/L。比能和比特性是评价电力电容器技术经济性能的综合指标，均决定于，这个 即电容器介质的储能因数。2Er2r（5）电容器的损耗和损耗角正切电容器在交流电压作用下，产生无功功率的同时，其内部
18、介质、内部熔丝、内部放电器件、内部链接导线等都会产生一定的有功损耗，这些有功损耗的总和就构成了电容器的损耗，通常用 (W）来表示。P电容器单位无功功率的损耗，即损耗与无功功率的比值是衡量电容器效率和质量的重要参数，称为电容器的损耗角正切，用 表示，即tan哈尔滨理工大学学士学位论文- 5 -电容器的损耗要消耗电能使电容器发热，因此电容器的损耗qp/tan应越低越好。（6）自放电时问常数 RC电力电容器的绝缘电阻 与电容 的乘积 是一个与电容器的极板RC面积、介质厚度无关，仅取决于介质的体积电阻率 和电容率 的值，VF (2-7)310)6.(v由同一种介质制造的电容器其 基本相同，所以电容器的
19、 值主要R决定于介质的 ，它是一个表征电容器，特别是直流电容器性能优劣和翻v造工艺是否良好的重要参数。（7）额定值电力电容器的额定值主要是指额定电压、额定电流、额定电容、额定频率和额定容量。额定电压：我国高电压并联电容器的额定电压有:1.05，3.15， ，6.3 ，10.5， ，11， ，12，19kV。其3/6. 3/13/12中 6.3kV 和 kV 两者额定电压值基本相同，但前者的绝缘等级为 6kV1级，后者的绝缘等级则为 10kV 级 5。2.2.2 并联电容器结构电力电容器零部件主要包括：极板、介质、外壳、套管、内熔丝、放电电阻、连接导体、内部绝缘件等。现在电力电容器采用全膜式介质
20、材料为薄膜，极板为铝箔，内部绝缘件为厚度不同的绝缘纸和纸板组成。极板- 铝箔介质- 聚丙烯薄膜(固体介质) 、苄基甲苯（液体介质）外壳- 不锈钢套管- 瓷内熔丝-铜放电电阻-玻璃釉连接导体-铜内部绝缘件-芯子外包，元件外包，引线外包件、绝缘垫块等电容器主要是以下几个部分组成：元件、箱壳、内部绝缘和电气连接、出线结构。（a）元件：电容器的基本电容单元，高压并联电容器中的元件通常由 6张薄膜和 2 张铝箔相互重叠配置后绕卷、压扁而成。（b）箱壳：高电压并联电容器通常采用由 12mm 的薄钢板制成的矩形箱壳，其机械强度高，易于焊接、密封和散热。电容器中的绝缘油因温度改变引起的体积变化可由箱壳大面的弹
21、性变形来进行补偿。为了安全，在哈尔滨理工大学学士学位论文- 6 -所有电容器的金属箱壳上均装有供接地或固定箱壳电位用的接地片或接地螺栓。（c）内部绝缘和电气连接：在电容器内部的各个元件之间、串联段之间和心子与箱壳之间通常都设有由电缆纸、绝缘纸板或塑料薄板制成的绝缘件使相互间的绝缘达到要求的绝缘水平，并使元件间的相互位置得到固定及元件具有预定的占空系数。如果没有电气连接电容器就成为一个大的绝缘体，所以需要电气连接使其拥有相应的电气性能，内部的连接片、熔丝、和引出线都是其电气连接的主要零部件。（d）出线结构：高电压并联电容器的出线结构分单套管出线和双套管出线两类。双套管出线结构的两个出线端均对壳绝缘，具有相同的绝缘水平。单套管出线结构的两个出线端中只有一个经套管引出与外壳相绝缘，另一个与箱壳连接后引出。电容器结构如下：图 2-1 并联电容器基本结构电容器元件展开图：1.绝缘套管2.引线3.放电电阻4.串联段5.主绝缘对壳6 元件7 并联段8.内熔丝
