放電燈線路用補償電容器的設計

廈門法拉電子股份有限公司　向艷雄

放電燈線路用補償電容器的設計

廈門法拉電子股份有限公司向艷雄

本文介紹了一款應用于放電燈線路中作為功率因素補償的金屬化聚丙烯薄膜電容器的設計思路及關鍵工藝的控制要點，并結合實際應用工況對電容器的性能進行了說明。該型號電容器的最高工作溫度可達110℃，預期使用壽命5萬小時，達到同類產品的2倍。

放電燈（Discharge Lamp）；高溫（High Temperature）；薄膜電容器（Film Capacitor）

1　概述

氣體放電燈是利用電壓使氣體、金屬蒸氣或幾種混合氣體與金屬蒸氣的混合氣體電離，造成電子、原子、離子互相碰撞激化而發光的照明燈具。氣體放電燈的使用壽命長、光效高、光通維特率高，且不同類型的放電燈也有各自獨有的特點，如鈉燈的穿透性強、金屬鹵化物等的顯色性好、高壓汞燈的成本相對較低等。隨著城市化的發展，氣體放電燈已廣泛用在室內照明、各大工業廠房、體育場館、道路、廣場、戶外作業場等場所，其中熒光燈、高壓汞燈、鈉燈和金屬鹵化物燈是應用最多的照明用氣體放電燈。

氣體放電燈光源的功率因數只能達到0.4～0.6，部分型號的光源甚至只能達到0.3，造成了大量的電能消耗，同時也給供配電系統帶來了嚴重的負擔。因此，在“九五”期間，國家實施“中國綠色照明工程”示范工程。在“十五”期間，國家進一步實施“中國綠色照明工程促進項目”。同時，在2004年，國家發布了《建筑照明設計標準》（GB50034-2004），第7.2.10條明確要求“供給氣體放電燈的配電線路宜在線路或燈具內設置電容補償，功率因數不應低于0.9”。

在此背景下，各廠家陸續推出了配套的補償電容器型號，但使用溫度都不超過85℃。同時，隨著技術的發展和成本的壓力，放電燈燈具開始向緊湊化、密封化發展，造成燈具腔內溫度高達100℃以上，對補償電容器的應用溫度也隨之提高。

本文要介紹的電容器的最高工作溫度可達110℃，可靠性高，性價比好，運行壽命長。該型號電容器已經通過了CQC、UL認證以及美國MEOST/HALT測試，預期使用壽命超過5萬小時，而一般的放電燈線路用補償電容器的壽命僅約2.5萬小時。

2　電容器的設計思路

2.1采用耐高溫的原材料

該型號電容器產品的使用溫度達到105℃，遠高于常見的70℃或85℃。由于使用溫度是電容器產品的一個關鍵技術指標，它將直接影響該溫度下電容器產品的電性能和使用壽命，所以采用的原材料必須耐高溫，才能保證產品的正常使用。

影響電容器高溫使用的主要原材料有介質材料、芯棒、灌封材料、電子線、放電電阻和塑料外殼。在選材時應分別滿足以下要求：

介質材料：普通的聚丙烯薄膜的耐溫等級偏低，在高溫使用時，電性能穩定性差，不能滿足110℃下的長期使用，在選材時必須選用結晶度高，高溫性能更好的高溫聚丙烯膜［1］。

芯棒：常用的材質有PP和PC兩種，PP價格較低，但在高溫和電容器芯子繞組的擠壓下會變形，影響電容器使用穩定，因此要使用高溫穩定性好的PC材質。

灌封材料：常用的灌封樹脂有常溫固化型和高溫固化型，分別對應不同的使用溫度，在選材時應使用高溫固化型。

電子線：常用的PVC電子線上限使用溫度只能達到105℃，應使用耐溫等級更高的電子線，如市場上常見的耐高溫XLPE電子線等。

放電電阻：可以選擇在長期高溫下穩定使用的常用電阻有金屬氧化膜或高壓玻璃釉電阻。

塑料外殼：外殼材質應棄用PP材質，選擇常用的PBT或PPS材質。

2.2采用合理的場強設計

在實驗室能模擬到的影響電容器使用壽命的主要因素是作用在介質上的電場強度和介質的運行溫度。在論文［2］中引用了文獻［3］中給出的電容器壽命估算的經驗公式：

TN、EN、θN——電容器的額定壽命、額定場強、額定運行狀態下的介質溫度；

TS、ES、θS——電容器的加速壽命試驗時間、試驗場強、介質溫度；

α——加速系數，為常數。

假定TN、TS分別為電容器在85℃和110℃下的壽命，令TN=TS，則利用式（1）可以得到在105℃下電容器的設計場強與85℃下設計場強的比例關系，即：

ES=EN×θN/θS= EN×85/110=0.77EN

也就是說，與85℃下的額定設計場強相比，如要保證電容器的預期額定壽命不變，在85℃下的設計場強要降低20%左右。

2.3采用邊緣加厚的金屬邊波浪切技術

在實際工況中，電容器芯子的端面除了通過基波電流，還存在較多的諧波電流，甚至幅值很高的沖擊電流，造成電容器芯子的端面發熱嚴重，再加上110℃的運行溫度，電容器芯子端面處的介質可能會逐漸產生熱收縮，造成芯子端面與噴金層之間的接觸變差，最終因為端面接觸不良造成拉弧失效。如圖1所示，就是采用普遍分切的金屬化膜制成的電容器樣品在壽命驗證試驗過程中，發生的一起端面拉弧失效案列（除端面拉弧外，金屬化膜膜面無其它不良）。

為了解決該問題，本次設計采用了我司的“一種用于制作薄膜電容器的金屬化膜”的實用新型專利技術［4］，在金屬化膜的金屬邊采用波浪分切技術，如圖2所示。

圖1　端面拉弧現象

圖2　金屬邊波浪切示意圖

2.4尺寸設計時要確保芯子周圍留出合理的灌封空間

電容器的實際應用中，除了高溫，也可能出現高濕的工況，如早晚溫差較大時，可能出現潮氣依附在電容器表面。在結構設計時，確保電容器周圍留出合適的灌封空間，用來填充灌封材料，確保電容器具有足夠的防潮能力并隔絕空氣，保證電容器能長期穩定運行。

3　關鍵工藝的控制要點

3.1卷繞

卷繞張力、壓力的設計要合理，既不能過松造成膜層間氣息過多，也不能過緊給薄膜介質帶來過多的擠壓。卷繞應在潔凈度較高的環境中進行，卷繞機臺應定期保養和維護，避免粉塵卷入金屬化膜層之間給產品帶來性能隱患，埋下性能隱患。在制作過程中，卷繞張力、壓力應均勻一致，避免膜層跑偏造成端面不平。

3.2噴金

噴金工藝采用電噴的方式，分多遍進行噴涂：第一遍的噴金顆粒度應適當細一點，以保證噴金材料與電容器芯子端面充分接觸；最后一遍應適當噴粗一些，以提高后道焊接工序中焊錫在噴金面上的浸潤面積，提高焊接強度。噴槍到電容器芯子端面的距離要設計合理，以保證噴金接觸良好，但噴涂過程中的高溫又不會灼傷芯子端面，具體的噴槍高度應與具體的噴金參數相結合。另外，噴金設備要配有防止反射污染的機構，避免噴金接觸不良造成電容器損耗過大，甚至出現端面熱擊穿失效。

3.3熱處理

熱處理工藝的目的是利用加熱過程中聚丙烯膜的熱收縮，把殘留在膜層間的空氣擠出，同時蒸發掉依附在芯子內部的潮氣，消除應力，提高電容器性能的穩定性。因此，需要采用階梯熱處理的方式，避免芯子內外收縮不均勻，盡量保證整個芯子的一致性。熱處理工藝參數設定如圖3所示。

圖3　熱處理工藝參數

3.4灌封

灌封的目的是為了將電容器芯子密封好，以隔絕空氣和潮氣，確保電容器電性能穩定。在實際灌封時，灌封設備需要設定好主劑與固化劑的配比與出膠量，避免灌封樹脂固化不良或固化好包裹大量的空氣氣孔。

4　產品驗證

4.1標準試驗

按照燈具電容器的國家標準GB 18489和GB/T 18504的型式試驗條款，該型號產品完全能滿足要求。該型號產品通過了UL認證，并根據市場需求進行并通過了部分電壓系列的CQC認證。其中，作為電容器關鍵性能技術指標的高溫耐久性試驗的數據如表1所示。

樣品規格：400Vac-24uF

試驗條件：1.25Un（500Vac），110℃

試驗時間：4000小時

表1　400Vac-24uF耐久性數據

從表1可以看到，在經過4000小時的試驗后，產品的容量變化和損耗變化都很小，數據優良，性能穩定，完全可以支撐5萬小時的預期使用壽命。

4.2MEOST/HALT測試

MEOST/HALT試驗是由美國軍方所延伸出的設計質量驗證與制造質量驗證的試驗方法，現已成為美國電子業界的標準產品驗證方法。由于北美市場是該型號電容器的主要市場之一，由我司提供400Vac-24uF的樣品，客戶委托美國第三方試驗室進行并通過了該試驗。如圖4所示，針對同樣的試驗樣品，該試驗同時加載多種應力條件，具體包含：

電壓（0-330Vac）；

高低溫沖擊（-60℃-120℃）；

振動（加速度從0-60g，1g為1個重力加速度，即9.8m/s2）；

電壓沖擊（20+7次電壓開/關：前20次開/關是在1分鐘內完成，后7次是在15分鐘內完成）。

圖4　MEOST/HALT測試

5　結論

該型號電容器的設計以保證產品的性能與質量為根本，采用性價比高的原材料和最優化的工藝方案，依托法拉電子強大的研發實力及制造技術，已定型生產并大批量推向了市場。目前，該產品廣泛用于熒光燈、高壓汞燈、鈉燈、金屬鹵素燈等以頻率為50/60Hz的交流電源供電的照明燈具中，特別是對使用溫度要求比較高的場合，具有良好的性價比。

該型號電容器性能優良、穩定可靠，在同類產品中具有國際領先的技術水平。自2008年推出以來，該產品在北美、東南亞以及國內市場得到了長期使用，未收到一次電性能不良的客戶反饋與投訴，產品的可靠性得到了市場的檢驗，深受客戶好評。迄今為止，該產品的累積銷售額已達到數億元人民幣，同時也極大的促進了節能環保事業的發展，創造了可觀的經濟效益和社會效益。

［1］姚力丁.提高電容器用BOPP薄膜耐溫性能探討［J］.電力電容器，2003（2）：46-48.

［2］沈文琪.對高壓并聯電容器使用壽命的估算［J］.電力電容器，2005（3）：25-26.

［3］Г·C·Кyчцнcкцй， H·Ц·Haэapoв.電力電容器.

［4］廈門法拉電子股份有限公司-姜國平、陳文耀、陳永明. 一種用于制作薄膜電容器的金屬化膜，專利號CN2705870.

向艷雄（1981—），男，湖北仙桃人，大學本科，現供職于廈門法拉電子股份有限公司，工程師，從事薄膜電容器研發。