淺談無金屬外殼的干式電力電子電容器

孫明 孫曉武

無錫市電力濾波有限公司

引言：電力電子技術的變流器在新能源、軌道交通、變頻器等領域得到廣泛應用。電力電子電容器作為變流器核心器件之一，因此其市場及應用越來越廣泛[1-3]。

電力電子電容器結構包括油浸式和干式兩類，它們通常都有金屬外殼。目前，小型化、輕量化是變流器發展方向，尺寸小、重量輕的干式電力電子電容器成為市場上迫切需求，尤其是軌道交通領域。

傳統的干式電力電子電容器主要特點：不銹鋼比重大，外殼的重量比較大；考慮到心子對殼絕緣，心子與外殼之間必須設置一定厚度的絕緣層；心子與導電桿的連接部位，由于電場分布極不均勻，需加強絕緣，通常有較厚的絕緣層；絕緣子安裝在箱蓋上，考慮到電氣凈距和爬電距離，絕緣子比較高，導電桿也較長；這些因素，都會導致電容器尺寸和重量的增加。

為了有效減少重量，改善電容器的重量和體積比特性，推進先進變流器技術的發展，國內電容器廠家也在研發樹脂外殼的電容器[4]。

本文介紹采用樹脂澆注的無外殼干式電力電子電容器的結構的分析，研究一種采用樹脂澆注的無外殼干式電力電子電容器的結構的方法，并通過試制樣品的性能試驗及結果分析加以驗證,對采用樹脂澆注的無外殼干式電力電子電容器結構的生產應用有指導意義。

一、無金屬外殼的干式電力電子電容器的結構

無金屬外殼的干式電力電子電容器（以下簡稱“無外殼電容器”）特征在于：電容器由心子、接線端子安裝于模具中，通過真空澆注樹脂形成一體；心子包括元件、聯接銅箔、元件連接絲、絕緣件和蓋面絕緣。心子結構如圖1所示。

圖1 心子結構示意圖

元件是將蒸鍍了金屬電極的聚合物薄膜卷繞在芯軸上，卷繞后壓扁，然后在元件兩端噴金，在噴金端焊線引出電極。元件的結構如圖2所示。

圖2 元件結構示意圖

二、無金屬外殼的干式電力電子電容器的生產工序

傳統的干式電容器的生產工序包括：元件卷繞、熱聚合、賦能、焊接、組裝、樹脂澆注、性能試驗。

無外殼電容器的生產工序的區別是：澆注時需要通過模具澆注樹脂的方法生產。

干式變壓器、鐵芯電抗器、電壓互感器等產品，它們的繞組或器身大多采用模具澆注樹脂的方法封裝，效果很好。由于電容器的結構特殊，照搬變壓器和互感器類產品澆注工藝往往引起電容器質量的不穩定，會出現氣泡多、脫模困難、樹脂的機械和絕緣性能差等現象。

無外殼電容器的澆注工藝方法[5]，包括以下工序：

(a)模具準備：裝配模具，擰緊相關固定螺栓和螺母，在模具內壁涂一層密封膠，室溫放置，使密封膠固化;

(b)心子安放：將組裝、引線完畢的電容器心子放入模具中，用絕緣墊塊墊襯，使心子與模具壁留有適當的間隙;

(c)心子干燥：將裝有電容器心子的模具放入真空干燥罐中加溫，同時抽真空理。

(d)樹脂脫氣：將樹脂A料、B料分別預熱，然后分別注入樹脂A料脫氣罐和樹脂B料脫氣罐，邊攪拌邊脫氣。

(e)樹脂混合：將經過脫氣的樹脂A料和B料分別導入攪拌罐，充分攪拌混合

(f)澆注：將經混合的樹脂澆注料通過管道注入真空干燥罐內完成干燥處理的裝有電容器心子的模具中。

(g)樹脂固化：將澆注好樹脂的裝有電容器的模具轉移到恒溫干燥箱中，在大氣壓下加溫固化。

(h)脫模：固化結束后，將裝有電容器心子的模具從恒溫干燥箱中取出，自然冷卻至室溫后，將電容器與模具脫開，取出電容器。

(i)檢驗：對電容器進行外觀檢查和性能檢測。

三、試驗驗證

（一）概述

無外殼電容器的型式試驗委托第三方檢測結構進行。

本文試驗是長時間的耐受溫度變化性能試驗，試驗的目的是考核樹脂的耐溫度變化能力。

三綜合試驗無國家事宜方法標準，本文按照文獻[6-8]提供的方法。電容器放在三綜合試驗裝置內，溫度變化、恒定濕度、振動試驗同時進行。

（二）試制樣品情況

無外殼電容器型號規格：DKMJ2.73-1072。額定電壓：2.73kV;額定容量1072μF,紋波電流 85A。試品如圖3所示。1號無外殼電容器試品做長時間溫度變化性能試驗，2號無外殼電容器試品做三綜合試驗。

圖3 試品電容器

（三）試驗方法

(1)長時間溫度變化性能試驗

試驗方法參考文獻[6]中耐受溫度變化性能方法：無外殼電容器試品放入恒溫恒濕高低溫箱內以3℃/min的速率將溫度從室溫升至85℃，并維持該溫度3h；接著以1℃/min的速度將溫度從85℃降至-30℃，并維持3h；然后再以 3.0℃/min速度將溫度升至85℃，如此循環500個周期。試驗前后，外觀應無明顯變化，電容變化△C≤1%。

電容變化△C(%)可按下式計算。

式(1)中，C1為無外殼電容器試品試驗后的電容，C0為無外殼電容器試品試驗前的電容。

試驗后檢查外觀，試驗前后測量電容，并將兩次測量值校正到同一介質溫度。使用電容測試儀室溫下，100Hz、1Vrms 測量電容值與損耗角正切值tanδ。

電容測試儀型號規格為TH2617。

(2)三綜合試驗

(a)溫度變化

無外殼電容器試品放入恒溫恒濕高低溫箱內以3℃/min的速率將溫度從室溫升至85℃，并維持該溫度 3h；接著以1℃/min的速度將溫度從85℃降至-30℃，并維持2h；然后再以 3.0℃/min速度將溫度升至85℃，如此循環2個周期。。

(b)恒定濕度

相對濕度持續（93±3）%，溫度40℃。

(c)振動試驗

按長壽命振動試驗方法，垂向、橫向、縱向進行。

三個方向分別試驗28小時，試驗總時間84小時。

試驗后，檢查無外殼電容器試品外觀應無明顯變化；試驗后，端子間施加電壓4095Vdc/10s，不得發生擊穿和閃絡，但允許自愈性擊穿；端子與外殼間電壓試驗施加工頻電壓5400V/60s，不得發生擊穿和閃絡，但允許自愈性擊穿；試驗后，測量無外殼電容器試品電容，其試驗前后電容變化△C≤2%。

（四）測量結果

1號無外殼電容器試品的長時間溫度變化試驗結果見表1。2號無外殼電容器試品的三綜合試驗結果見表2。

從表1中可知1號無外殼電容器試品的試驗情況：

(1)50次高低溫變化試驗后，電容值C為1068.1μF，損耗角正切值為0.0008；

(2)100次高低溫變化試驗后，電容值C為1068.1μF，損耗角正切值為0.0008；

(3)150次高低溫變化試驗后，電容值C為1068.1μF，損耗角正切值為0.0008；

(4)200次高低溫變化試驗后，電容值C為1068.1μF，損耗角正切值為0.0008；

(5)250次高低溫變化試驗后，電容值C為1068.1μF，損耗角正切值為0.0008；

(6)300次高低溫變化試驗后，電容值C為1068.1μF，損耗角正切值為0.0008；

(7)350次高低溫變化試驗后，電容值C為1068.1μF，損耗角正切值為0.0008；

(8)400次高低溫變化試驗后，電容值C為1068.1μF，損耗角正切值為0.0008；

(9)450次高低溫變化試驗后，電容值C為1068.1μF，損耗角正切值為0.0008；

(10)500次高低溫變化試驗后，電容值C為1068.1μF，損耗角正切值為0.0008；

(11)外殼無裂縫、無損傷、無泄漏。

表1 長時間溫度變化性能試驗結果

從表2中可知2號無外殼電容器試品的試驗結果：

(1)三綜合試驗后，電容值C為1069.2μF，損耗角正切值為0.0008；

(2)外殼無裂縫、無損傷、無泄漏；

(3)端子間施加電壓4095Vdc/10s，無擊穿，無閃絡；

(4)端子與外殼間電壓試驗施加工頻電壓5400V/60s，無擊穿，無閃絡。

表2 三綜合試驗結果

（五）結果分析

依據表1～2試驗結果來分析：

(1)500次高低溫變化試驗后，1號無外殼電容器試品的容值變化+0.13%，損耗角正切值無變化，外殼未出現裂縫現象；

(2)三綜合試驗后，2號無外殼電容器試品的容值變化+0.018%，損耗角正切值無變化，外殼未出現裂縫現象；

長時間溫度變化和三綜合試驗的試驗結果說明樹脂澆注的無外殼干式電力電子電容器的可行性、設計和工藝方法的可操作性。同批樣品已經通過第三方權威機構的全部型式試驗，包括熱穩定、浪涌放電、恒溫恒濕、耐久性、破壞性、振動沖擊等。

由于試驗時間比較短，樹脂澆注的無外殼干式電力電子電容器能否適應軌道交通設備的應用，還需長時間的驗證。

四、結語

本文對采用樹脂澆注的無外殼干式電力電子電容器結構的分析，提出無金屬外殼的干式電力電子電容器的澆注工藝方法，并通過試制樣品的長時間高低溫試驗和三綜合試驗及其結果分析加以驗證采用樹脂澆注的無外殼干式電力電子電容器結構的可行性。希望此次研究可以對采用樹脂澆注的無外殼干式電力電子電容器結構的生產應用有指導意義。