高海拔风机变频器金属化膜电容的应用问题
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摘 要：介绍高海拔风机变频器设计中，对交直流输入/输出滤波电容的选用，工艺要求和工艺控制问题，并对部分国内市场电容器产品应用进行分析论述。经过变频器研发工程师和电容器生产商之间的实测、沟通和改进，电容器很好的满足高海拔风机变频器需求，并在青海某风电场得到成功应用，并网以来一直运行良好。
关键词：干式电容器 金属化薄膜 灌封 高海拔
中图分类号：TM921.51 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）012-019-02
1 引言
从地理上讲，我国西部及西南地区，大部分为高原地区。随着西部地区经济发展、变频调速技术日益推广和新能源的飞速发展，越来越多的变频器被用到高海拔地域。高原地区水泥、钢铁企业大量使用高压变频器，以及光伏、风力发电站等。以变频器为例，如直接将低海拔地区变频器运用于高海拔地区，变频器会出现控制容量降低且变频器散热、带电间隙以及元器件选型等方面均会出现问题。电容器，作为变频器内部核心元器件之一，其在高海拔条件下运行可靠性，是广大工程师的关注要点。
金属化膜电容，指在有机薄膜上蒸镀上很薄的金属层，然后卷绕而成电容器，使之具有比一般薄膜电容更优的特性，如：自愈保护、高纹波电流耐受、低损耗、低寄生电感等。
变频器上使用的交流滤波电容，特别是大功率变频器，一般为金属化膜电容。少量新投入市场的变频器，其直流滤波电容，也是金属化膜电容。
交流侧滤波电容，主要在变频器与电网接口实现对电网谐波和变频器开关噪声的滤波。一般四象限变频器上应用较多。直流侧滤波电容，对电整流器输出电压进行平滑滤波，并储存一定能量，为逆变器提供稳定的直流电压。
干式电容器，是指电容器卷绕体和外壳之间，采用环氧胶进行灌封。与一般电子产品灌封类似，提高电容器的防尘防潮防腐能力及电绝缘导热性能。油式电容器，在卷绕体和外壳之间采用矿物油进行绝缘和密封。
3 干式电容器在高海拔应用下的制约条件
干式电容器在高海拔条件下应用，有以下影响因素：空气密度低；空气压力低；温度变化较大。
空气密度低，影响到空气绝缘导热性能。高海拔应用电容器，应检视其电气间隙、爬电距离是否满足应用要求。空气密度降低，导热性降低，影响到电容器及电气柜散热，需考核电容器满载且谐波丰富的工况下持续运行，其热点温升能否保证足够寿命。
空气压力低，使部分油式电容器和全部的充惰性气体式电容器，容易误触发电容器过热保护装置。图3介绍了电容器过热保护装置。
电容器过热保护装置是通过金属丝条，将电容器端子和卷绕体连接在一起。当电容器过载时，由于发热功率加大，引起绝缘密封油（惰性气体）膨胀，导致外壳膨胀形变，拉断金属丝条，将电容器从电路中断开，防止进一步过热而爆炸。当外部大气压力过低的时候，电容器内外也形成压力差，引起外壳膨胀，拉断金属丝，电容器可能在正常运行或存储状态下就被切断与端子的连接。从而引起滤波回路失效，变频器无法工作。
昼夜温差大，对干式电容器，因灌封采用环氧胶，环氧胶在凝固后，其热膨胀系数与金属外壳有较大差异。在温度变化时，容易出现环氧胶和金属壳体脱开的情况（图4所示），环氧胶和外壳产生空隙，使潮气、腐蚀气体进入，腐蚀到电容的卷绕体，形成对壳体的短路。
4 干式电容器优化设计
综上可知，高海拔应用的变频器，采用干式金属化膜电容是最佳选择，但需控制好电容器制作工艺，防止灌封胶和外壳间产生开裂。同时，以环氧树脂等固体绝缘材料整体浇注电器设备，将部分外绝缘变为内绝缘，也有提高海拔适应性的功能。在电容器制作工艺方面，以下几方面需注意：
（1）采用耐温范围宽的灌封环氧胶，耐温范围宽的环氧胶在温度变化宽范围内能控制自身膨胀收缩幅度，并增大与外壳接触面的粘附力。经笔者进行的48小时高低温循环（-40℃～85℃，85%RH）存储实验，改用宽温度范围的环氧胶有较好改善。
（2）改进灌封工艺，将一次性成型灌封改为多次灌封，分多次灌封能很好释放掉凝固散发的热能，容易控制成型体的形变率。
（3）壳体内表面进行粗化处理，提高环氧胶的粘附力。在高低温循环存储实验中，粗化内表面后的电容壳体也有很好的改善效果。
（4）壳体的设计改善，通过壳体来限制环氧的体积形变，如在加加强筋、可能形变的方向进行正偏差等。
经以上优化设计，干式电容器进行高低温交变存储实验。
高低温交变存储实验，实验条件如表1，实验结果如表2。
经上述改进，一批次40只干式交流滤波电容器全部进行48小时高低温循环（-40℃～85℃，85%RH）存储实验，没有出现环氧部分和壳体部分裂开现象。
5 现场应用结果
位于青海某风电场现场-42℃～+56℃环境温度范围内，稳定运行两年半，未出现任何异常现象。在每年例行巡检中，对所有干式交流滤波电容进行了详细的外观检视，未发现环氧和壳体脱开的现象。装备此型干式电容器的1.5MW双馈风电变频器正处于正常运行状态中。
参考文献：
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