浅谈无金属外壳的干式电力电子电容器

孙明 孙晓武

无锡市电力滤波有限公司

引言：电力电子技术的变流器在新能源、轨道交通、变频器等领域得到广泛应用。电力电子电容器作为变流器核心器件之一，因此其市场及应用越来越广泛[1-3]。

电力电子电容器结构包括油浸式和干式两类，它们通常都有金属外壳。目前，小型化、轻量化是变流器发展方向，尺寸小、重量轻的干式电力电子电容器成为市场上迫切需求，尤其是轨道交通领域。

传统的干式电力电子电容器主要特点：不锈钢比重大，外壳的重量比较大；考虑到心子对壳绝缘，心子与外壳之间必须设置一定厚度的绝缘层；心子与导电杆的连接部位，由于电场分布极不均匀，需加强绝缘，通常有较厚的绝缘层；绝缘子安装在箱盖上，考虑到电气净距和爬电距离，绝缘子比较高，导电杆也较长；这些因素，都会导致电容器尺寸和重量的增加。

为了有效减少重量，改善电容器的重量和体积比特性，推进先进变流器技术的发展，国内电容器厂家也在研发树脂外壳的电容器[4]。

本文介绍采用树脂浇注的无外壳干式电力电子电容器的结构的分析，研究一种采用树脂浇注的无外壳干式电力电子电容器的结构的方法，并通过试制样品的性能试验及结果分析加以验证,对采用树脂浇注的无外壳干式电力电子电容器结构的生产应用有指导意义。

一、无金属外壳的干式电力电子电容器的结构

无金属外壳的干式电力电子电容器（以下简称“无外壳电容器”）特征在于：电容器由心子、接线端子安装于模具中，通过真空浇注树脂形成一体；心子包括元件、联接铜箔、元件连接丝、绝缘件和盖面绝缘。心子结构如图1所示。

图1 心子结构示意图

元件是将蒸镀了金属电极的聚合物薄膜卷绕在芯轴上，卷绕后压扁，然后在元件两端喷金，在喷金端焊线引出电极。元件的结构如图2所示。

图2 元件结构示意图

二、无金属外壳的干式电力电子电容器的生产工序

传统的干式电容器的生产工序包括：元件卷绕、热聚合、赋能、焊接、组装、树脂浇注、性能试验。

无外壳电容器的生产工序的区别是：浇注时需要通过模具浇注树脂的方法生产。

干式变压器、铁芯电抗器、电压互感器等产品，它们的绕组或器身大多采用模具浇注树脂的方法封装，效果很好。由于电容器的结构特殊，照搬变压器和互感器类产品浇注工艺往往引起电容器质量的不稳定，会出现气泡多、脱模困难、树脂的机械和绝缘性能差等现象。

无外壳电容器的浇注工艺方法[5]，包括以下工序：

(a)模具准备：装配模具，拧紧相关固定螺栓和螺母，在模具内壁涂一层密封胶，室温放置，使密封胶固化;

(b)心子安放：将组装、引线完毕的电容器心子放入模具中，用绝缘垫块垫衬，使心子与模具壁留有适当的间隙;

(c)心子干燥：将装有电容器心子的模具放入真空干燥罐中加温，同时抽真空理。

(d)树脂脱气：将树脂A料、B料分别预热，然后分别注入树脂A料脱气罐和树脂B料脱气罐，边搅拌边脱气。

(e)树脂混合：将经过脱气的树脂A料和B料分别导入搅拌罐，充分搅拌混合

(f)浇注：将经混合的树脂浇注料通过管道注入真空干燥罐内完成干燥处理的装有电容器心子的模具中。

(g)树脂固化：将浇注好树脂的装有电容器的模具转移到恒温干燥箱中，在大气压下加温固化。

(h)脱模：固化结束后，将装有电容器心子的模具从恒温干燥箱中取出，自然冷却至室温后，将电容器与模具脱开，取出电容器。

(i)检验：对电容器进行外观检查和性能检测。

三、试验验证

（一）概述

无外壳电容器的型式试验委托第三方检测结构进行。

本文试验是长时间的耐受温度变化性能试验，试验的目的是考核树脂的耐温度变化能力。

三综合试验无国家事宜方法标准，本文按照文献[6-8]提供的方法。电容器放在三综合试验装置内，温度变化、恒定湿度、振动试验同时进行。

（二）试制样品情况

无外壳电容器型号规格：DKMJ2.73-1072。额定电压：2.73kV;额定容量1072μF,纹波电流 85A。试品如图3所示。1号无外壳电容器试品做长时间温度变化性能试验，2号无外壳电容器试品做三综合试验。

图3 试品电容器

（三）试验方法

(1)长时间温度变化性能试验

试验方法参考文献[6]中耐受温度变化性能方法：无外壳电容器试品放入恒温恒湿高低温箱内以3℃/min的速率将温度从室温升至85℃，并维持该温度3h；接着以1℃/min的速度将温度从85℃降至-30℃，并维持3h；然后再以 3.0℃/min速度将温度升至85℃，如此循环500个周期。试验前后，外观应无明显变化，电容变化△C≤1%。

电容变化△C(%)可按下式计算。

式(1)中，C1为无外壳电容器试品试验后的电容，C0为无外壳电容器试品试验前的电容。

试验后检查外观，试验前后测量电容，并将两次测量值校正到同一介质温度。使用电容测试仪室温下，100Hz、1Vrms 测量电容值与损耗角正切值tanδ。

电容测试仪型号规格为TH2617。

(2)三综合试验

(a)温度变化

无外壳电容器试品放入恒温恒湿高低温箱内以3℃/min的速率将温度从室温升至85℃，并维持该温度 3h；接着以1℃/min的速度将温度从85℃降至-30℃，并维持2h；然后再以 3.0℃/min速度将温度升至85℃，如此循环2个周期。。

(b)恒定湿度

相对湿度持续（93±3）%，温度40℃。

(c)振动试验

按长寿命振动试验方法，垂向、横向、纵向进行。

三个方向分别试验28小时，试验总时间84小时。

试验后，检查无外壳电容器试品外观应无明显变化；试验后，端子间施加电压4095Vdc/10s，不得发生击穿和闪络，但允许自愈性击穿；端子与外壳间电压试验施加工频电压5400V/60s，不得发生击穿和闪络，但允许自愈性击穿；试验后，测量无外壳电容器试品电容，其试验前后电容变化△C≤2%。

（四）测量结果

1号无外壳电容器试品的长时间温度变化试验结果见表1。2号无外壳电容器试品的三综合试验结果见表2。

从表1中可知1号无外壳电容器试品的试验情况：

(1)50次高低温变化试验后，电容值C为1068.1μF，损耗角正切值为0.0008；

(2)100次高低温变化试验后，电容值C为1068.1μF，损耗角正切值为0.0008；

(3)150次高低温变化试验后，电容值C为1068.1μF，损耗角正切值为0.0008；

(4)200次高低温变化试验后，电容值C为1068.1μF，损耗角正切值为0.0008；

(5)250次高低温变化试验后，电容值C为1068.1μF，损耗角正切值为0.0008；

(6)300次高低温变化试验后，电容值C为1068.1μF，损耗角正切值为0.0008；

(7)350次高低温变化试验后，电容值C为1068.1μF，损耗角正切值为0.0008；

(8)400次高低温变化试验后，电容值C为1068.1μF，损耗角正切值为0.0008；

(9)450次高低温变化试验后，电容值C为1068.1μF，损耗角正切值为0.0008；

(10)500次高低温变化试验后，电容值C为1068.1μF，损耗角正切值为0.0008；

(11)外壳无裂缝、无损伤、无泄漏。

表1 长时间温度变化性能试验结果

从表2中可知2号无外壳电容器试品的试验结果：

(1)三综合试验后，电容值C为1069.2μF，损耗角正切值为0.0008；

(2)外壳无裂缝、无损伤、无泄漏；

(3)端子间施加电压4095Vdc/10s，无击穿，无闪络；

(4)端子与外壳间电压试验施加工频电压5400V/60s，无击穿，无闪络。

表2 三综合试验结果

（五）结果分析

依据表1～2试验结果来分析：

(1)500次高低温变化试验后，1号无外壳电容器试品的容值变化+0.13%，损耗角正切值无变化，外壳未出现裂缝现象；

(2)三综合试验后，2号无外壳电容器试品的容值变化+0.018%，损耗角正切值无变化，外壳未出现裂缝现象；

长时间温度变化和三综合试验的试验结果说明树脂浇注的无外壳干式电力电子电容器的可行性、设计和工艺方法的可操作性。同批样品已经通过第三方权威机构的全部型式试验，包括热稳定、浪涌放电、恒温恒湿、耐久性、破坏性、振动冲击等。

由于试验时间比较短，树脂浇注的无外壳干式电力电子电容器能否适应轨道交通设备的应用，还需长时间的验证。

四、结语

本文对采用树脂浇注的无外壳干式电力电子电容器结构的分析，提出无金属外壳的干式电力电子电容器的浇注工艺方法，并通过试制样品的长时间高低温试验和三综合试验及其结果分析加以验证采用树脂浇注的无外壳干式电力电子电容器结构的可行性。希望此次研究可以对采用树脂浇注的无外壳干式电力电子电容器结构的生产应用有指导意义。